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1、幻灯片1低频功率放大器设计第二届全国大学生电子设计竞赛一、任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如下： 幻灯片2二、设计要求1. 基本要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5700）mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR10W； 带宽BW（5010000）Hz； 在POR下和BW内的非线性失真系数3%； 在POR下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声功率10mW。（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。幻灯片32发挥部分（1）放大器的时间响应 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性
2、的对称方波：频率为1000Hz、上升时间1s、峰-峰值电压为200mVpp。用上述方波激励放大通道时，在RL=8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR10W；带宽BW（5010000）Hz； 在POR下输出波形上升时间和下降时间12s； 在POR下输出波形顶部斜降2%； 在POR下输出波形过冲量5%。（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、减小非线性失真等）。幻灯片4三、评分意见项 目得 分基本要求设计与总结报告：方案设计与论证，理论计算与分析，电路图，测试方法与数据，结果分析50实际制作完成情况50发挥部分完成第一项20完成第二项10特色与创新20幻灯片5l 四、主要技
3、术指标分析l 基本要求部分的技术指标分析 功率放大器的输入信号电压Vi由信号源提供5mV700mV的正弦波，输出电压信号Vo从8的等效负载电阻上获得。额定输出功率Po10W，这项指标说明在输入信号5mV 700mV的范围内，均以Po10W的满功率不失真输出，即小信号输入和大信号输入时，都要求满功率不失真输出，因此，要求放大器的增益是可以调节的。幻灯片6四、主要技术指标分析(2) 功率放大器的带宽BW50Hz10KHz。该指标指出了功率放大器的工作频率范围，通常用3dB带宽表示，是指放大器的电压增益下降3dB时所对应的频率，即最低频率fL50Hz，最高频率fH10KHz。(3) 功率放大器在额定
4、输出功率Po和BW内，非线性失真系数3%。这项技术指标指出经过功率放大器放大后的正弦波的非线性失真所容许的范围，只要信号是经过线性放大，一般都能够满足3%的要求，否则，要对信号的非线性失真进行改善。幻灯片7四、主要技术指标分析（4） 在Po下的效率55%。这项指标说明功率放大器输出功率的转换效率，通常用输出功率与电源消耗的总功率之比值来表示，即：=Po/PDC。 55%说明功率放大器的功率输出级只能工作在甲乙类或者乙类，不能工作在甲类，因为甲类功率放大器的效率最高也不能超过50%。（5）当前置放大级的输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声功率10mW。这项指标是指在没有信号输入时，放大器输出
5、的噪声功率，即要求前置放大级的输入端引入的噪声越小越好。幻灯片82. 发挥部分的技术指标分析（1） 设计制作满足本设计要求的稳压电源。这需要根据所设计的具体电路来决定稳压电源的输出电压和输出功率。（2） 放大器的时间响应：因为方波的上升和下降时间可以反映放大器的时间响应。故要求方波产生电路能将正弦波变换成正负极性对称的方波，且方波的输出端还要进行限幅，使其电压峰峰值为200mV。幻灯片9五、电路设计 设计思路：逐步分析已知条件和未知因素之间的关系。如在本课题中，输入信号的大小和输出功率是已知的，但它们之间传输通道信号的大小是未知的，需要逐一求出。可以按照从前置放大级到功率放大级的顺序逐一设计计
6、算，也可以从功率放大级到前置放大级的顺序设计计算。下面以后者为例进行设计。l 功率放大级电路设计l 当功率放大器以Po10W的满功率不失真输出时，输出电压的幅度为l 为留有充分余地，取VOP=14V。由此可以计算功率放大器的总电压增益 AV，即l AV =VOP/VIP=14V/5mV=2800l 用分贝表示， AV =20lg（VOP/VIP ）=68.9dB 幻灯片10 如何将这2800倍的总电压增益比较合理地分配给前置放大级和功率放大级，这是设计中很关键的一步，这与所选用的器件、电路类型以及实际经验都有关系。通常功率放大级的电压增益不能太大，因为这一级的信号比其它级的信号要大很多，增益太
7、大容易引起自激，一般取十几倍。可以暂取10倍进行计算，以后再通过实验电路进行调整。这样，前置放大级的电压增益就为280倍。电压增益分配如图所示。 功率放大级增益=10倍VOP=14V前置放大级增益=280倍1.4VVIP= 5mV幻灯片11功率放大级电路可直接选用集成功率放大器，如TDA2030A，TDA1521，STK4191等芯片，完全满足本课题要求；也可以选用分离元件来组成。二者各有其特点：集成功率放大电路的调节比较简单，但进行级联时，如果要对整机的性能进行改善，靠集成功率放大级的调节往往达不到目的；而由分离元件组成的功率放大器，虽然电路的调节比较繁琐，但可以通过功率放大级的调节改善整体
8、的性能。因此我们选用了由分离元件晶体管组成的功率放大电路，如图所示。幻灯片12幻灯片13电路中，Q1,Q2组成差分放大器，如果电路的参数完全对称，则电路具有很高的共模抑制比，可以克服由温度变化引起的静态工作点的漂移。晶体管Q3组成电压放大器，为末级功率放大电路提供驱动电压。晶体管Q4,Q5,Q6,Q7组成末级功率放大电路，输出端为互补对称的OCL电路。这三级之间采用直接耦合，并引入直流负反馈，电压增益由反馈电阻决定，即： AV=R10/R7反馈支路并联电容C3可以减小高频自激。幻灯片14(1) 末级功率放大电路课题的技术要求：在额定功率下，输出的正弦波信号的非线性失真系数3%，效率 55%，所
9、以末级功率放大电路工作在甲乙类比较好。因为工作在甲类状态，虽然非线性失真系数比较小，但效率较低，一般小于50%，如果工作在乙类状态，虽然效率较高，但输出波形容易产生交越失真，达不到非线性失真系数3%的要求。图中3只二极管D2,D3,D4和电位器R17是用来调整电路的工作状态的。静态时，调节电位器R17，使Q4,Q5基极间的电压为2.8V,即近似等于晶体管Q4,Q5,Q6,Q7的be结电压之和。晶体管Q4,Q5,Q6,Q7静态时处于微导通状态，输出端对地电压应为0V，从而可克服交越失真。幻灯片15l 采用双电源供电，因为输出电压幅度为14V，则VCC14V,为留有余地，选+VCC=+18V,-V
10、EE=-18V.l 功率输出晶体管Q6,Q7选用大功率互补对称的晶体管2N3055和MJ2955.其特征频率fT 10MHz,耗散功率Pc 20W,选b50.驱动管Q4,Q5也是一对互补对称的晶体管，其特征频率fT 100MHz,耗散功率Pc 500mW,选b80.幻灯片16（2）电压放大电路电压放大电路给末级功放提供驱动电压，由晶体管Q3构成；静态工作点由电阻R4,R8,R9决定，取集电极电流IC3为6mA左右。电容C2是高频电压负反馈支路，防止高频自激。（3）差分放大器电路差分放大器电路由晶体管Q1,Q2构成。选择差分放大器电路作为功率放大级的前级，主要是为了提高电路的抗干扰能力 。电路的
11、静态工作点由电阻R2,R6, 电位器R14,R15等决定，差分对管的集电极电流通常取1mA左右。幻灯片172. 前置放大电路的设计前置放大电路的主要功能是将5mV700mV的输入信号不失真地放大到功率放大级所需的1.4V输入信号，因此，需要解决两个问题：一是本级280倍的电压放大倍数和带宽BW 50Hz10KHz的矛盾；二是对5mV700mV范围内的信号，都只能放大到1.4V,以满足额定输出功率Po 10W的要求。对于前者，可以采用两级放大电路，因为放大器的增益带宽积是一个常数，每级的增益减小，带宽就可以提高。对于后者，可以设计一个音量控制电路或自动增益控制电路，使功放级的输入信号控制在1.4
12、V左右。根据以上思路，设计的前置放大器电路如图所示。幻灯片18幻灯片19其中NE5532是一个双运放集成运算放大器，可以用来构成A1,A2两级放大电路，其主要性能参数如下：增益带宽积10MHz,转换速率9V/uS, 共模抑制比100dB, 输入电阻300K设前置放大器A1的增益为 AV1=R2/R1=150K/10K=15对于幅度为5mV700mV输入信号，A1输出幅度为75mV10.5V.选电源电压+Vcc=+12V,-VEE=-12V. 第二级放大器A2的输入信号的大小由音量控制电位器R10进行控制.设A2的增益为 AV2=R6/R5=200K/10K=20对于75mV的信号，不经过电位器
13、R10的衰减，直接由A2放大至1.5V；对于大于75mV的信号，则调节音量控制电位器R10先进行衰减后再进行放大，使得经A2放大后的信号也为1.5V，以满足功率放大级输出额定功率Po10W的要求。幻灯片203. 方波发生器电路的设计方波发生器电路的功能：一是要将信号源输出的1000Hz正弦波变为正、负极性对称的方波，且VP-P=200mV;二是方波信号要经过放大通道进行放大，使输出达到额定功率POR10W。此外，还要满足方波波形参数的要求。 首先从方波的波形参数考虑，选用快速比较器LM339或LM139组成一个过零比较器，如图中的A3所示，其上升沿和下降沿的时间均小于0.5uS, A3的同相端
14、接A1放大后的正弦信号，反相端接地，实现过零比较。A3的输出为12V的对称方波。经电阻R8,R9分压后的输出信号Vo1的峰峰值为200mV。再将开关J1置于2处，方波信号Vo1经过放大通道进行放大，使输出达到额定功率POR10W。幻灯片214. 稳压电源设计 根据以上设计的前置放大电路和功率放大电路的要求，需要稳压电源输出两种直流电压。即前置放大级的12V电压和功率放大级的18V电压。 12V电压可选用三端集成稳压电路LM7812和LM7912芯片直接输出， 18V电压可以选用可调三端集成稳压电路LM317和LM337。其性能参数为：输出电压调节范围1.2V37V,最大输出电流1.5A,最小输入输出压差为3V，最大输入输出压差为40V。直流稳压电路如图所示。幻灯片22稳压电源电路图幻灯片23可调三端稳压器的输出电压为： Vo=1.25(1+R1/R3)一般R3取200左右，若取220，Vo=18V，则R1
