实用功率放大器

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。

其原理示意图如图1所示。

正弦信号等效负载电阻正 、负极性对称方波 Ω=8R L220V 50Z H 图1 设计任务示意图 二、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5~700mV ，等效负载电阻L R 为8Ω条件下，放大通道应满足：①额定输出功率W 10P OR ≥。

②带宽≥W B 50~10000Z H 。

③在OR P 下和W B 内的非线性失真系数≤ 3%。

④在OR P 下的效率≥55%。

⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，Ω=8RL上的交流声功率≤10mV 。

（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①由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波；频率为1000Z H 、上升和下降时间≤ 1us 、电压峰—峰值为200mV 。

用上述方波激励放大通道时，在Ω=8R L条件下，放大通道应满足：②额定输出功率W 10P OR ≥。

③在OR P 下输出波形上升和下降时间≤ 12us 。

④在OR P 下输出波形顶部斜降≤2%。

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⑤在OR P 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、减少非线性失真等）。

题目分析1.求输出最大电压omax U根据题意，输出功率W 10P OR ≥，负载Ω=8R L。

则LOOR R UP 2=于是 ()V 958810⋅=⨯===L OR L OR O R P R P U故 ()V 8.95omax ≥U ()()V 12.6U 2U omax P -P O ≥≥2.求系统最大电压放大倍数umax A 根据题意，输入电压为5~700mV ，则 17901058.95U UA 3imin omaxumax =⨯==—12.780.78.95U UA imaxomaxumin ===3.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： m V —脉冲幅度； T —脉冲周期； W t —脉冲宽度；Tt D W =—占空系数；r t —上升时间； f t —下降时间；mo V V ∆—顶部斜降；mom V V ∆—波形过冲量。

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。

L R Ω8220V50Z H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。

一、波形变换电路方案一：采用过零的比较器进行波形变换，将1000Z H 的正弦波变换成同频率的方波信号，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。

二、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 、TA7668AP\BP 、NE5532、TDA2040A 、LM1875、TDA1514等。

设计选用ME5532低噪声、高保真集成芯片。

三、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：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。

四、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。

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五、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umax A 为： W 10P OR ≥ ()dB 6520lg179020lgAumax==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()dB 43≥。

2、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 ()24dB 1510150R RA 12u1约为===第二级前置级增益为()24dB 1510150RR A 45u2约为===考虑到输入信号的变化范围很大（5~700mV ），用1RP 做分压器来改变整个系统的增益。

为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1000Z H 上升和下降时间≤ 1us 、电压的峰—峰值为200mV 。

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。

1VT 与2VT 、3VT 与4VT 组成复合管，末级属于典型OCL 电路。

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1VT 、3VT 的电流增益1β在100左右，输出管2VT 、4VT 的电流增益2β在40左右。

这两类管子的两个关键参数为特征频率T f 与集电极最大允许耗散功率CM P 。

特征频率T f 与放大电路上限（下降3dB ）频率H f 的关系为 H H T f f β⋅≈系统阶跃响应的上升时间r t 与放大电路上限频率H f 的关系为 0.35f t H r ≈⋅ 推动管1VT 、3VT 的特征频率()()()Z 5H r T MH 310010120.35t 0.35f ≈⨯⨯=≥—β输出管特征频率为()()Z5T MH14010120.35f ≈⨯⨯≥—对乙类OCL 放大器来说，OM TM 2P .0P ≈。

TM P 为单管最大管耗，OM P 为最大不失真输出功率，甲乙类OCL 应大于此。

因此，输出管3W 162.0P CM ≈⨯>。

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ZT 140MHf =，W 15P CM =，180V U ceo =。

输出管选用对管2SA6114,2SC2707,其中参数为ZT 60MH f =，W 150P CM =，180V U ceo =，可以满足设计要求。

2）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T P 为输出功率的30%. )21V,(V 0.3PI 2V P CC Oeo CC T 后述≈=⨯=()()A 0.11442160.3I eo =⨯= ()V 0.725R I 0.7U 14eo R9=⋅+= ()()A 0.022R U I 9R9e1=≈ ()V 1.18R I 0.7U 10e1b1=⨯+≈ ()()[]()Ω=≈+=k 9.82500.4818.1—212RRU U UV RP38d1b1b1CC P2——所以，2RP ，4RP 都采用Ωk 10精密电位器。

3）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，1VT 与3VT ，2VT 与4VT 的放大倍数β相等，对应电阻值、二极管压降相等；第二为了减小交越失真，应把1VT ~4VT 的工作点适当提高。

实际上前者很难达到，尤其是两对对管β值很难做到对称相等。

补偿方法一是通过调节2RP 、4RP 、1RP 使输出点TP2-2的静态电位尽量接近零伏，二是为了补偿由于管结温的升高其β值的增加，采用具有负温度系数的二极管1VD 、2VD（1N4148）对其进行补偿。

同理具有负温度系数的热敏电阻T R 也具有相同的作用（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 ()22dB 12.322270R RA 13u3===4. 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V 21±的 电压。

在这种情况下，若本电路工作于乙类，则效率为 55%84.612V 4U CCcem ≈⨯⨯⨯⨯=ππη77%18417.7max =⨯⨯=πη()()()W 19.58217.7P2omax=⨯= 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。