实用功率放大器

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1、1、任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如图 1 所示。正 弦 信 号等效负载 电阻正 、负极性对称方波 8RL220V50 ZH图 1 设计任务示意图2、要求1、基本要求（1）在放大器通道的正弦信号输入电压幅度为 5700mV，等效负载电阻 为 8 条LR件下，放大通道应满足：额定输出功率 。W10POR带宽 5010000 。WBZH在 下和 内的非线性失真系数 3%。OR在 下的效率55%。P在前置放大级输入端交流短接到地时， 上的交流声功率10mV 。8RL（2） 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2、发挥部分（1）放大器的时间响应由外供正弦信号源经

2、变换电路产生正、负极性的对称方波；频率为 1000 、上升ZH和下降时间 1us、电压峰峰值为 200mV。用上述方波激励放大通道时，在 条件下，放大通道应满足：8RL额定输出功率 。W10POR在 下输出波形上升和下降时间 12us。R在 下输出波形顶部斜降2%。O外供正弦信号源 变换电路弱信号前置放大级功 率放大级自制稳压电源 在 下输出波形过冲量5%。ORP（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减少非线性失真等） 。题目分析1.求输出最大电压 omaxU根据题意，输出功率 ，负载 。则W10POR8LLO2于是 V95810RROPU故 V8.95omax2.6om

3、axP-O2.求系统最大电压放大倍数 uA根据题意，输入电压为 5700mV，则179058.U3imnoaxuax2.Aiaxouin3.脉冲参数定义脉冲矩形波形如图 2 所示，具体脉冲参数定义如下：脉冲幅度；mVT脉冲周期；脉冲宽度；Wt占空系数；D上升时间；rt下降时间；f顶部斜降；moV波形过冲量。moV方案论证系统原理方框图如图 3 所示。它由波形变换电路、弱信号前置放大电路、功率放大电路、功率指示与保护电路、自制稳压电源五个部分组成。LR8220V50 ZH该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频率、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证

4、。1、波形变换电路方案一：采用过零的比较器进行波形变换，将 1000 的正弦波变换成同频率的方波信ZH号，然后经过施密特触发器进行整形。方案二：直接采用施密特触发器进行变换与整形。而施密特电路可采用高精度、高速运算电路搭接而成，也可采用专用施密特触发器构成，还可以选用 NE555 电路构成。本系统采用方案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器 LF357 构成。2、弱信号前置放大级弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：M5212L、M5213、TA7120P、TA7322P、TA7668APBP、 NE5532、TDA204

5、0A 、LM1875、TDA1514 等。设计选用 ME5532 低噪声、高保真集成芯片。3、功率放大级方案一：采用专用的音箱集成芯片。符合题目要求的集成芯片有许多。例如以TA7240AP/7241AP、TA7270P/7271P 为代表的音响芯片，近 30 多年来，在我国的音响设备中非常流行。它的主要特点是：失真小、噪音小、音质纯且价格便宜。若要进一步提高输出功率到 50W 左右，采用原膜集成电路 STK4181II、STK4191II 等。输出 80W 的有STK8280II、输出 100W 的有 STK0100II 等。该方案的优点：技术成熟，外围元器件少，调试简单，便于扩充等。方案二：

6、功率放大输出级采用分立元器件构成的 OCL 电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点，由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。这两种方案均可行，经过综合分析，最终选择方案一。变换电路弱信号前置放大级功 率放大级自制稳压电源功率显示与保护外供正弦信号源4、功率显示及保护电路本系统采用 TA7336 集成芯片构成的功率电平显示及保护电路。5、自制稳压电源本系统采用三端稳压电路。硬件设计由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分立元件相结合的方案，另一种方案是全采用集成芯片

7、的方案。现分别说明如下：方案设计一：采用集成电路与分立元件相结合的设计方案。具体电路由图1、增益分配因系统总的电压放大倍数 为：umaxAW10PORdB652lg79lumax令末级功率放大器放大倍数为 22dB，则前置放大器的放大倍数应 。d432、前置放大器的设计如图 9.2.4 所示，前置放大器由两级组成，它的任务是完成小信号的电压放大，其失真度和噪声对系统的影响最大，故采用用了低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器 NE5532,均采用电压并联负反馈电路，因电压并联负反馈具有良好的抗共模干扰能力，且具有改善波形失真的作用。第一级前置级增益为24dB150RA12u约 为 第二

8、级前置级增益为24dB150RA45u2约 为考虑到输入信号的变化范围很大（5700mV） ，用 做分压器来改变整个系统的增益。为1RP了稳定功放级的工作点，前置级和功放级之间采用但电容耦合。在图 9.2.4 中，由 LF357 构成的施密特触发器。主要起波形变换的作用。根据题目要求，变换后的方波要正负对称，频率为 1000 上升和下降时间 1us、电压的峰峰值为ZH200mV。LF357 属于 FET 管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点。完全可以满足技术指标要求。3、功率放大器设计功率放大器如图 9.2.5 所示。 与 、 与 组成复合管，末级属于典型

9、OCL 电1VT234VT路。本电路功率推动级选择 NE5534，主要承担电压放大任务，由于在其噪声、转换速率、增益带宽积等方面优异的指标，而且具有一定的输出电流，做功率推动级很合适。1）选择功率末级的两对对管一般推动管 、 的电流增益 在 100 左右，输出管 、 的电流增益 在 401VT312T42左右。这两类管子的两个关键参数为特征频率 与集电极最大允许耗散功率 。Tf CMP特征频率 与放大电路上限（下降 3dB）频率 的关系为Tf HHTf系统阶跃响应的上升时间 与放大电路上限频率 的关系为rt Hf0.35fHr推动管 、 的特征频率1VT3Z5HrT MH31020.3t.f

10、输出管特征频率为Z5T4120.3f对乙类 OCL 放大器来说， 。 为单管最大管耗， 为最大不失真输出OMPTOMP功率，甲乙类 OCL 应大于此。因此，输出管 。3W162.0C根据以上计算，并考虑到指标提高及工程实际，推动管选用对管 2SB649、2SD669 ，其参数为 ， ， 。输出管选用对管 2SA6114,2SC2707,ZT140HfW15PCM8VUceo其中参数为 ， ， ，可以满足设计要求。ZT60MHfW150PC180VUceo2）功率放大级各管的工作点考虑到本电路工作于甲乙类，若设效率为 70%，则允许末级管耗 为输出功率的 30%.TP)21V,(0.3PI2VP

11、COeoCT 后 述A416.Ieo.75RI7U1eoR902I9e1V.8I.1eb k9.8250.41RUVRP38d1bbCP2所以， ， 都采用 精密电位器。24k03）要做到尽量小的失真由于采用 OCL 电路，首先要保证正、负两边放大电路的对称，包括电源值的对称，与 ， 与 的放大倍数 相等，对应电阻值、二极管压降相等；第二为了减1VT324VT小交越失真，应把 的工作点适当提高。实际上前者很难达到，尤其是两对对管1值很难做到对称相等。补偿方法一是通过调节 、 、 使输出点 TP2-2 的静态 2RP41电位尽量接近零伏，二是为了补偿由于管结温的升高其 值的增加，采用具有负温度系

12、数的二极管 、 （1N4148）对其进行补偿。同理具有负温度系数的热敏电阻 也1VD2 TR具有相同的作用（见图 9.2.4)。功率放大器采用两级电压并联负反馈，其电压放大倍数为2dB1.370RA13u4. 电源电路的设计如前所述，本电路输出正弦波幅值为 12.6V，从提高效率考虑，功放级电源电压越接近12.6V 越好，但考虑到管压降因数，选用了一个双 18V 变压器。经整流滤波可得约的V21电压。在这种情况下，若本电路工作于乙类，则效率为 5%84.612VUCcem7.axW19.521.Pom考虑系统既存在大信号（功放级） ，也存在小信号（前置级） ，所以抗干扰也要引起足够的重视。因为

13、如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干扰。因此要采取单点接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上（见图 9.2.6）.5.功率指示和保护电路设计本电路附加了一功率指示和功率保护电路，其原理简述如下：从图 9.2.5 中 F 点输出的信号经一电阻采样，送入 TA7366（5 位电平指示器，见图 9.2.7） ，适当调整采样电阻的值，使电平指示的最高位对准本功放的临界失真功率。当最高位 LED 点亮时，其压降约1.8V，以此电压触发单向晶闸管，再推动继电器，将功放通道的电源断开。不需要保护时只需将晶闸管的阳极断开。

14、6.各部件的安放位置变压器远离前置板和输入点；散热片靠外，远离前置板；1N4148， 尽量靠近散热片。TR设计方案二，采用集成电路作输出级的设计方案。该设计方案系统原理框图如图 9.2.8 所示。前置放大器原理图如图 9.2.9 所示，波形变换器原理图如图 9.2.10，功率放大器原理图如图9.211 所示，保护电路如图 9.2.12 所示。方波+12V +15V12V +15V+5V输入缓冲信号放大波形变换输出限幅方波整形功率放大弱信号放大 I信号放大 II增益控制 I增益控制 II过载保护开机延时稳 压电 源负载 图 9.2.8 设计方案二系统原理框图测试结果及结果分析对设计方案一进行测试

15、，并将测试结果整理如下。1）额定功率、带宽、非线性失真系数的测试测试仪器：函数发生器，失真度测试仪，示波器。测试结果：见表 1、表 2表 1 （峰峰值）0mVUinZHf1000 8 10 100 10000 50000 80000 100000in0.22% 0.22% 0.22% 0.22% 0.22% 0.22% 0.22% 0.22%0.25% 0.4% 0.35% 0.28% 0.8% 2.6% 2.9% 3.4%0.12% 0.33% 0.27% 0.17% 0.77% 2.59% 2.89% 3.39%out17.0 12.0 13.5 17.0 17.0 15.4 13.3 12.0表 2 （峰峰值）0mV54UinZHf1000 50 5 1 100 10000 50000 100000in0.3