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1、暑假科协培训-程控功率放大器机电工程学院科协培训目标与要求： 1.通过培训，了解功放的概念、参数、分 类及原理； 2.经过培训后，对功放电路有一个大致的 了解，且能够通过翻阅相关书籍和查看相 关网页尝试着去理解其原理，尝试着独立 去计算电路各参数； 3.加强单片机的学习，学会使用AD、DA 和液晶等器件，然后在1和2的基础上针对 大赛题目的要求， 各小组独立地完成设计制作及论文。功放的定义 一、何谓功放？ 功放是功率放大器的简称，即通过电路获 得一定功率的输出信号。功放的参数 1.输入电阻Ri 信号输入时电路对输入信号呈现的 阻碍作用，输入电阻愈大，从信号 源吸取的电流越小，对信号源影响 也就
2、越小，所以输入电阻越大越好 ； 2.输出电阻Ro 信号输出时电路呈现的内阻，输出 电阻越小越好； 3.输出功率Po 即输出到负载上的信号的功率大小 ，显然这是我们最关心的参数； 4.效率 实际输出到负载上的功率占电源提 供的总功率的百分比； =PoPE *100%; 5.输入灵敏度 输入灵敏度，是指功放所需最小输 入信号电平，它是要求将音源信号 放大到足够推动后级功放所需要的 必要条件； 6.信噪比 信噪比，数值越大越好，一般用（S/N）表示，用信号功率Ps与噪声 功率Pn的比值的分贝数表示， S/N=10lgPs/Pn=20lgVs/Vn（db）； 7.频率响应 频率响应，早期俗称功率带宽，
3、指 谐波失真不超过规定值时，功放的1/2额定功率频带宽度，即有高低 端下跌-3dB的两个频率点之间所包 括的频带，称之为功率带宽。功放的分类一、按处理信号的频率分类 ： 1. 低频功放音频范围：几十Hz几十KHz ； 2.高频功放音频范围：几百KHz几十兆Hz；二、按功率管导通时间分类 1.甲类功放 输入信号的整个周期内，晶 体管均导通； 2.乙类功放 输入信号的整个周期内，晶 体管仅在半个周期内导通 3.甲乙类功放 输入信号的整个周期内，晶 体管导通时间大于半个周期 而小于全周； 4.丙类功放 小于半周；甲类功放 简单甲类功放电路图RbuoUSCuiRE 波形图：甲类功放分析 1.为使输出信
4、号的幅值 尽可能大(要保证不失 真)，静态工作点（Q ）设置较高（靠近负 载线的中部）。 静态工作点 UCEQ = 0.5USC ICQ=0.5USC/RE 忽略饱和压降和截止 区，则：Uommax= 0.5USC 电源功率： PE=USC *ICQ= 25%QIcuCEUSC乙类功放乙类功放电路图功放管工作波形图当Ui=0V 时，T1、T2都不导 通，Uo=0V; 当Ui0V时，T1工作，T2 截 止； 当Ui0V时，T1截止，T2导通 ；ui-USCT1T2uo+USCRLiL乙类功放分析 静态电流 IBQ=0A，ICQ=0A； 每个管导通半个周期 ，则 Uom=USC; Iom=USC/
5、RL； 输出最大功率： 管耗：电源功率效率：=0.25=78.5%乙类功放存在的问题 如左图所示，由于三 极管有一段死区，一 个三极管截止的时候 并不能保证另一个三 极管马上导通，因此 ，在两管的交界处波 形不能连接起来，从 而出行失真，这种现 象称为交越失真。甲乙类功放 甲乙类功放电路图： 甲乙类功放是针对乙类 功放存在交越失真而设 计的 当输入信号为0V时，利 用二极管D1，D2的0.7V 压降是T1、T2两管的基 极分别置为0.7V，-0.7V ，使两关处于微导通状 态，使得只要输入信号 不为零，T1，T2中的一 个管就工作于放大状态 。D类功放 什么是D类功放？ 放大元件处于开关工作状
6、态的一种功率放大器。 无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工 作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体 管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接 通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实 际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电 能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输 出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合 。在理想情况下，D类功放的效率为100%。D类功放原理 第二部分：D类功放这是一个脉冲控制的大电流开 关放大器，把比较器输出的 PWM信号变成高电压、大电流 的大功率PWM信号。能够输出 的最大功率有负载、电源电压 和晶体管允许流过的电流来决 定。 第三部分：解调信号
7、把大功率PWM波形中的声音信 息还原出来。方法很简单，只 需要用一个低通滤波器。但由 于此时电流很大，RC结构的低 通滤波器电阻会耗能，不能采 用，必须使用LC低通滤波器。D类功放的基本结构主要分为三大部分 ：第一部分：调制器最简单的只需用一只运放构成比较 器即可完成。把原始音频信号加上一定 直流偏置后放在运放的正输入端，另通 过自激振荡生成一个三角形波加到运放 的负输入端。当正端上的电位高于负端 三角波电位时，比较器输出为高电平， 反之则输出低电平。比较器输出的波形 就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制 后的波形，称为PWM波形。音频信息 被调制到脉冲波形中D类功放波形设计的时候要注意，三角波
8、 的频率与输入信号的频率要 满足采样定理，一般取三角 波的频率为输入信号频率的 5-10倍。OCL功率放大器 1.什么是OCL功率放大器？ OCL：英文Output Capacitorless的缩写，意 为没有输出电容。所以OCL功率放大器就是 输出端没有输出电容的功率放大器。 2.OCL 功率放大器有什么特点？ 双电源供电、不需输出电容、频率特性好 、可以放大慢变化的信号。功放电路的安全问题 在功率放大电路中，功放管既要流过大电 流，又要承受高电压。例如，在OCL电路中 ，功放管的最大集电极电流等于最大负载 电流，而最大管压降等于2UCC。只有功放管 不超过其极限值，电路才能正常工作。因 此
9、，所谓功率放大电路的安全运行，实际 上就是保证功放管的安全工作。在实用电 路中，常加保护措施，以防止功放管过电 压、过电流和过功耗。主要表现为功放管 的二次击穿和散热问题。功放电路的二次击穿问题 从晶体管的输出特性曲线可知，当 c-e之间电压增大到一定数值时，晶 体管将产生击穿。这个击穿称为一次击穿，其中a图的AB段称为第 一次击穿， BC 段称为第二次击穿 。第一次击穿是由UCE 过大引起的 雪崩击穿，是可逆的。若在一次击穿后，IC继续增大，管子将进入二 次击穿。二次击穿： 晶体管一次击穿后，集电极电 流会聚然增大，若不加以限制，则 晶体管的工作点变化到临界点A时 ，工作点将以高速从A点到B
10、点，此 时电流猛增，而管压降却减小，称 “二次击穿”。如图所示9-7（b）所 示。二次击穿为不可逆击穿。为此 ，必须把晶体管的工作状态控制在 二次击穿临界曲线之内。 击穿防止方法：在功 放管c-e之间加稳压管 ，就可防止其一次击 穿，并限制其集电极 电流，就可避免二次 击穿。功率放大器的散热问题功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值PCM。 晶体管的耗散功率取决于管子内部的PN结温度。管子的功耗 愈大，结温愈高。当管子温度 升高到一定程度（锗管一般为7590，硅管为150）后， 就会损坏晶体结构，应采取功 放管散热措施改善散热条件， 改善散热条件 。方法：如功放 管加装由铜、铝等导热
11、性能良 好的金属材料制成的散热片子 （板）。此外还可用电风扇强 制风冷，则可获得更大一些的 耗散功率。可在同样的结温下提高集电极最大耗散功率PCM， 也可提高输出功率。设计功放注意事项 设计功放的时候务必注 意各参数要控制在管子 的极限参数范围内。 1.流经集电极的电流不 能超出管子的耗散电流 ICM； 2.CE间电压不可超过 击穿电压V（BR）CEO； 3.管耗不可超出管子 的耗散功率PCM；简单分析竞赛设计题 一、基本要求部分 1. 失真度小于等于10%时的输出功率要大于等 于6W； 单从失真度而言，甲类为首选，但效率极低； 要保证输出为6W，则输出电压至少要达到7V ； 既要失真小，又要
12、输出功率大（限定了电源为15V，也就是要求效率要高），故最好选甲乙 类功放。 2频率响应为30-10000HZ（这个不难实现，不 作细讲）；3.在输入端交流短路接地，输出端交流信号 20mVpp 输入端交流短路接地时，输出端交流信号应该 为零，但由于零漂的存在，输入端交流短路接 地时，输出端交流信号往往不为零。题目要求 输入端交流短路接地时，输出端交流信号 20mVpp实际上是要求我们设计电路的时候要 抑制零漂。 抑制零漂的最好办法是采用差分放大电路。注解：零漂是输入为零时输出不为零的现象。 零漂产生的原因： 温度变化三极管放大倍数发生变化，因而也 称零点漂移为温度漂移。简称温漂。但是严格 来
13、说零漂不能等同于温漂，零漂主因虽为温漂 ，但是电压波动或干扰也可导致零漂。差动放大电流如何抑制零漂？ 差动放大电路由两个 完全相同的单管共射 极电路组成。差动放 大电路有两个输入端 ，两个输出端，要求 电路对称，即T1、T2的 特性相同，外接电阻 对称相等，Rc1=Rc2，各 元件的温度特性相同 。差动放大电路分析 当电源电压波动或温度 变化时，两管集电极电 流和集电极电位同时发 生变化。输出电压仍然 为零。可见，尽管各管 的零漂存在，但输出电 压为零，从而使得零漂 得到抑制。 思考：采用差动放大后 ，输入信号为零则输出 一定为零吗？为什么？静态时Ui1=Ui2=0。由 于电路左右对称，输入信
14、 号为零时，IC1=IC2， UC1=UC2，则输出电压 Uo=UC1-UC2=04.在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输出功 率，并实时测量、显示输出功率。 要能够设置输出功率并实时测量、显示输出功率就必然要用 到单片机系统。可分如下几步走： （1）如何测量读取输出功率数据？ （2）得知当前的输出功率与我设置的输出功率不相等时怎么 办？ （3）算出当前输出功率与设置功率的偏差后如何利用这个偏 差值去控制电路使得电路的输出功率趋向于设置值？有哪几 种方法可以实现？控制电路的那个参数比较好？思考：要实现这些功能，大概要用到哪些器件？检测读取输出功率值 既然是输出功率，显然是要从输出端检
15、测 。可输出是交流信号，如何检测？ 方法一：密集离散采样软件编程求平均值 在输出的一个周期内密集采样各点功率值，然后软件编程求取平均值 即为输出功率值。但是这样的话运算量大，且采样点越少，检测值与 实际值的误差越大，只有采样点趋于无穷大时检测值才与实际值相等 。而每一次采样都需要一段AD转换时间，这就要求单片机的速度很快 ，运算能力很强才能勉强做到。用51单片机显然难以实现。 方法二：采用专用集成芯片实现 真有效值转换芯片有如AD536,AD637等，他可以对交流信号求出有效 值，有效值经AD转换后单片机读取即可实现检测目的。有误差时控制什么？如何控制？ 经软件处理发现当前 输出值与设定值不相
16、 等时应该利用偏差量 去控制什么？ 1.控制反馈量（及控制 增益） 2.控制供电电压 3.同时控制供电电压和 增益 如何实现控制？ 1.采用数字电位器改变 反馈电阻或供电线路 上的压降。 2.用不同占空比的调制 波控制开关管，获得 所需电源电压。2.发挥部分 发挥部分视个人能力自由发挥 3.设计报告 在电子设计竞赛中，设计报告起着非常重要 的作用。如果没有设计报告，硬件系统做得 再好也是枉然。 关于设计报告，网上有不少获奖参赛队的优 秀作品，大家可以多下载到自己的电脑上加 以模仿学习，提升自己的写作水平。另外同 学们还可以到图书馆去借电子设计大赛的书 ，平时多看看，提升自己的理论水平。结束语 本次培训到此结束，谢谢大家的观赏！ 最好送大家一句话：
