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1、第 3章 低频功率放大器的设计与制作3.1设计任务与要求3.1.1 设计任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器，其原理框图如图3-1 所示驻极体外供 正弦 佶号源22(IV自制稳压电源翡信号 前置放人器功率 放大器图 3-1 低频功率放大器原理框图3.1.2 要求1、在放大通道的正弦信号输入电压峰峰值为20mV,等效负载电阻RL为80条件下，放大通道应满 足：(1) 额定输出功率P 0.5W，输出波形无明显失真；out(2) 带宽 BW 为 50Hz10kHz；(3) 在 P 下的效率50%；out(4) 在P t下和BW内的非线性失真系数5%；out(5) 前置放大器与功率放大器采
2、用+12V单电源供电。2、在放大通道的输入端接入驻极体，应能放大不失真的语音信号。3、自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。3.2 低频功率放大器的总体方案设计根据系统原理框图及要求，低频功率放大器的总体电路结构如图3-2所示：A1+=C1011P-图 3-2 低频功率放大器电路结构图电路工作原理：电路共分两级，第一级为前置放大部分，第二级为功率放大部分。电源经 C1、C2、C3滤除其中的干扰信号，其中电阻R是将微小信号放大级与功率放大级隔离，避免两级间的相互干扰， r2是限流电阻，同时为驻极体提供合适的静态工作电流。驻极体产生的微小信号经电容C4耦合到第I个 运算放大器A的反相输入端，
3、对输入信号进行电压放大，R5、R6、R7、R8分压，为运算放大器提供合适的 5678静态工作点，避免放大信号的失真。信号经C6耦合到第2个运放B的同相输入端，此运放构成电压跟随 6器，用作前后级的阻抗匹配，理想运放有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，可以抑制有用信号的衰减。 信号经B运放7脚输出由电容C7耦合到电位器RP, RP起到音量调节的作用，信号由RP的中心抽头再 进入LM386芯片的3脚，该芯片是功率放大集成芯片，通过调节1、8脚之间的电阻R9和电容C9的大小， 进而调节功率放大倍数。最后信号从5脚输出，经电容C12连接到扬声器。外围的叫、RP2支路构成大环 路电压并联负反馈电路，稳定输
4、出端的电压信号，减小非线性失真。电路所用元器件清单如表3-1 所示：表 3-1 元器件清单序号标称名称规格1ZL驻极体3V2BL喇叭8Q/0.5W3C1电解电容器1000uF/25V4C2电解电容器100uF/25V5C3电容器1036C4电解电容器4.7uF/25V7C5电解电容器10uF/25V8C6C7电解电容器4.7uF/25V9C8电容器103序号标称名称规格14R1电阻器200Q/0.125W15R2可调电阻器100K/0.125W16R3电阻器5.1K/0.125W17R4电阻器51K/0.125W18R5R8电阻器100K/0.125W19R9可调电阻器100K/0.125W2
5、0R10电阻器100Q/0.125W21R11电阻器1M/0.125W22RP1可调电阻器10K/0.125W10C9电解电容器10uF/25V11C10C11电解电容器0.1uF/25V12C12电解电容器220uF/25V13C13电容器10423RP2可调电阻器100K/0.125W24ICA集成运放LM32425IC1B集成运放LM32426IC2集成运放LM3863.3 功能电路的设计、制作与调试3.3.1 前置放大电路的设计一、前置放大电路的方案比较方案一：利用三极管实现前置放大。三极管是一个电流控制型器件，具有电流放大作用，利用其电流 的放大能力来实现电压放大，调试工作量大，放大
6、器性能参数受环境温度影响大，所用元器件较多，设计 较复杂。方案二：利用集成运放实现前置放大。运算放大器的内部实际上是经过优化设计后的三极管或者场效 应管电路，它的开环增益非常高，可以通过在外围增加少量器件实现信号放大，使用方便，调试简单，对 噪声和干扰的抑制能力也很强，频率特性也得到改善。经比较，故选择方案二。二、主要元器件参数选择依据1、运算放大器选择型号：LM324见 2.3.3 关于 LM324 简介。2、由 LM324 构成的前置放大器外围元器件的选择1)反相比例放大电路的基本关系式前置放大电路第一级采用反相比例放大电路，其基本电路如图3-5 所示o图 3-5 基本反相比例放大电路图中
7、， R 被称为反馈电阻， R 被称为输入电阻， R 被称为平衡电阻。 f i p该电路基本关系式为：A = u /u = R / R(3.1)uf o i f i式中，A为闭环放大倍数，有时用20lgA表示，记为分贝(dB)； u为输入信号；u为输出信号。ufufioF = 1/(1 + |A I) = R /(R + R )(3.2)ufiif式中，F为反馈系数。R = R R /(2F)1/2(3.3)f ID o式中，R为集成运放开环差模输入电阻，通用集成运放R 一般在(2OK01OM0)之间；R为集成运ID ID o放开环输出电阻，通用集成运放R在数十欧姆至数百欧之间。Rf为考虑R、R
8、、F影响的反馈电阻最 o f ID o佳值。R = R / R(3.4)p f iR 沁R(3.5)si i式中， R 为放大电路的输入电阻。siR 二 R (1 + FA)(3.6)so o式中，R为放大电路的输出电阻；A为集成运放的开环放大倍数。so九二 GBW - F 心)(3.7)F式中， f 为闭环带宽； GBW 为开环增益带宽积，其值等于单位增益带宽。F(2) 单电源反相比例放大电路由集成运放组成的反相放大器一般为双电源供电，即对称的正、负两组电源，但本设计要求采用+12V单电源供电。采用单电源供电时，需在同相输入端加入U /2即6V的中点偏置电压，其静态(u = 0) CC i输
9、出电压U = U /2 = 6V。当u丰0时，输出电压在U /2 = 6V的基础上随u 反相变化而不失真的 jo CC i CC i放大。实际设计的单电源供电反相放大器结构如图3-6所示：图 3-6 单电源反相比例放大电路1) 确定电源电压 VCCU2根据设计要求，额定输出功率P虚0.5W，负载Rl=8Q，由P 有效得outLout RLU有效=2V, U =2卮U有效=5.6V；输出交流信号的峰值U =J2xU=J2x2 = 2.8V，静态时输出电有效p-p有效op有效压U = U /2，输出最大值U = U + U。设计要求取U = 12V,则U = 12/2 + 2.8 = 8.8V。j
10、o CCom jo opCComLM324集成运放，当U = 12V时饱和输出电压U = U - 1.5V = 10.5V，U U ，输出波形CCB CCB om不会产生饱和失真，满足要求。2) 选择 R 、 R 、CR 及 R 的分压阻值的选择综合两方面因素考虑：56 稳定性：R、R阻值越小，稳定性越好，即中点偏置电压受负载电阻的影响就越小，但阻值太小，56 能耗增大； 能耗： R 、 R 阻值越大，该支路的电流就会越小，在其上的能量损耗就越小，但阻值太大，其中56点偏置电压受负载电阻的影响就越大，即稳定性变差。由于本例中偏置电路的负载为集成运放的差模输入电阻，其值很大，故为耗电小，应使R、
11、R支路56电流小，取R = R = lOOkO，C为高频滤波电容，取C = 10uF/25V的电解电容。5 6553)选择电压放大倍数A 、反馈电阻R、输入电阻R、输入耦合电容C、输出耦合电容Cuf 14346 电压放大倍数A的选择uf 1由于放大通道的最小输入正弦信号电压的峰峰值U= 20mV，则系统整机放大倍数ip - PU5.6VA = T/-p = 280，考虑到后级功放电压放大倍数可在20200倍调整，故本级电压放大倍数取u U2O mVip - pA =-10。由式(3.2)得uf 1F = 1/(1 + |A |) = 1/(1 +10) = 0.09 09uf由式(3.7)得闭
12、环带宽f = GBW - F /(2兀)，查LM324集成运放产品手册得GBW = 1x106Hz，F则 f = 1x106 x0.0909/(2x3.14) = 14.5KHz 10KHz，故 A =-10 满足设计要求。由式(3.7)可知，Fuf 1闭环放大倍数A越大，反馈系数F越小，闭环带宽越窄。通常A的取值范围在0.1100为宜。ufuf 反馈电阻 R 的选择4由式(3.3)得，反馈电阻R = R R /(2F)1/2，查LM324集成运放手册得R = 5MO，R = 1000，4 ID oIDo则 R = 5 x106 x100/(2 x 0.0909)1/2 = 52.5kO，取系
13、列值 51k0。4 输入电阻 R 的选择3由式(3.1)得，输入电阻R = R /|A | = 51/10 = 5.1kO，通常输入电阻R和反馈电阻R的取值为341 uf 1341k01M0,并尽可能通过选择小阻值R的方法最大A。当阻值超过1M0时很难保证阻值的稳定性，而3uf且阻值的绝对误差较大。从提高A的准确度考虑，R和R的阻值以1kQ100kQ为宜。uf34 输入耦合电容C和输出耦合电容C的选择46输入输出耦合电容的主要作用是隔直通交，使前后级静态工作点不相互影响。输入耦合电容值由下式决定C = 1W(R + R )(3.8)in i式中，f为放大电路下限截止频率，一般取10Hz； R为
14、信号源内阻，通常在1000以下，可忽略不计，n取零值；R为运放反相输入电阻，本例为R = 5.1kO。由上式得C = 1/2兀x10x(0 + 5100) = 3.12uF，i34取系列值4.7uF/25V，选用铝电解电容。通常放大电路输出耦合与输入耦合取一致，故C选用4.7uF/25V6 铝电解电容。(3) 单电源同相电压跟随器单电源同相电压跟随器结构如图3-7 所示：图 3-7 单电源同相电压跟随器其输出电压等于输入电压，且跟随输入电压变化相位一致，故称为同相电压跟随器。利用其输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使前级放大电路和后级功放电路阻抗匹配。由于采用单电源供电，R、R串联 78 支路提供U /2的中点偏置电压，R、R阻值选择方法同R、R，取R = R = R = R = lOOkQ。CC 7 8 5 6 7 8 5 6C 为前置放大电路的输出电容，亦可看作同相电压跟随器的输入电容，故其值由式（ 3.8）得6
