第3章 低频功率放大器的设计与制作

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：
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R L为8Ω条件下，放大通道应满足：
（1）额定输出功率P out≥0.5W，输出波形无明显失真；
（2）带宽BW为50Hz～10kHz；
（3）在P out下的效率≥50%；
（4）在P out下和BW内的非线性失真系数≤5%；
（5）前置放大器与功率放大器采用+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：
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R1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1个运算放大器A的反相输入端，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RP1，RP1起到音量调节的作用，信号由RP1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R11、RP2支路构成大环路电压并联负反馈电路，稳定输出端的电压信号，减小非线性失真。

电路所用元器件清单如表3-1所示：
3.3 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，f R 被称为反馈电阻，i R 被称为输入电阻，p R 被称为平衡电阻。

该电路基本关系式为：
i f i o uf R R u u A //-== (3.1)
式中，uf A 为闭环放大倍数，有时用uf A lg 20表示，记为分贝（dB ）；i u 为输入信号；o u 为输出信号。

)/()1/(1f i i uf R R R A F +=+= (3.2)
式中，F 为反馈系数。

2
/1)]
2/([F R R R o ID f = (3.3)
式中，ID R 为集成运放开环差模输入电阻，通用集成运放ID R 一般在（20KΩ~10MΩ）之间；o R 为集成运放开环输出电阻，通用集成运放o R 在数十欧姆至数百欧之间。

f R 为考虑ID R 、o R 、F 影响的反馈电阻最佳值。

i f p R R R //= (3.4) i si R R ≈ (3.5)
式中，si R 为放大电路的输入电阻。

)1(FA R R o so += (3.6)
式中，so R 为放大电路的输出电阻；A 为集成运放的开环放大倍数。

)2/(πF GBW f F ⋅= (3.7)
式中，F 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。

（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2/CC U 即6V 的中点偏置电压，其静态（0=i u ）输出电压V U U CC jo 62/==。

当0≠i u 时，输出电压在V U CC 62/=的基础上随i u 反相变化而不失真的放大。

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V CC
根据设计要求，额定输出功率P out ≥0.5W ，负载R L =8Ω，由L
out R U P 2有效
=得
U 有效=2V ，U p-p =22U 有效=5.6V ；输出交流信号的峰值V 8.2222=⨯=⨯=
有效U U op ，静态时输出电
压2/CC jo U U =，输出最大值op jo om U U U +=。

设计要求取V U CC 12=，则V U om 8.88.22/12=+=。

LM324集成运放，当V U CC 12=时饱和输出电压V V U U CC B 5.105.1=-=，om B U U >，输出波形不会产生饱和失真，满足要求。

2）选择5R 、6R 、5C
5R 及6R 的分压阻值的选择综合两方面因素考虑：
①稳定性：5R 、6R 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，能耗增大；
②能耗：5R 、6R 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5R 、6R 支路电流小，取Ω==k R R 10065，5C 为高频滤波电容，取V uF C 25/105=的电解电容。

3）选择电压放大倍数1uf A 、反馈电阻4R 、输入电阻3R 、输入耦合电容4C 、输出耦合电容6C ①电压放大倍数1uf A 的选择
由于放大通道的最小输入正弦信号电压的峰峰值mV U p ip 20=-，则系统整机放大倍数
280206.5==
=
--mV
V
U U A p
ip p p u ，考虑到后级功放电压放大倍数可在20~200倍调整，故本级电压放大倍数取
101-=uf A 。

由式（3.2）得
0909.0)101/(1)1/(1=+=+=uf A F
由式（3.7）得闭环带宽)2/(πF GBW f F ⋅=，查LM324集成运放产品手册得Hz GBW 6
101⨯=，则KHz KHz f F 105.14)14.32/(0909.01016
>=⨯⨯⨯=，故101-=uf A 满足设计要求。

由式（3.7）可知，闭环放大倍数uf A 越大，反馈系数F 越小，闭环带宽越窄。

通常uf A 的取值范围在0.1~100为宜。

②反馈电阻4R 的选择
由式（3.3）得，反馈电阻2/14)]2/([F R R R o ID =，查LM324集成运放手册得Ω=M R ID 5，
Ω=100o R ，则Ω=⨯⨯⨯=k R 5.52)]
0909.02/(100105[2
/16
4，取系列值51kΩ。

③输入电阻3R 的选择
由式（3.1）得，输入电阻Ω===k A R R uf 1.510/51/143，通常输入电阻3R 和反馈电阻4R 的取值为1kΩ~1MΩ，并尽可能通过选择小阻值3R 的方法最大uf A 。

当阻值超过1MΩ时很难保证阻值的稳定性，而且阻值的绝对误差较大。

从提高uf A 的准确度考虑，3R 和4R 的阻值以1kΩ~100kΩ为宜。

④输入耦合电容4C 和输出耦合电容6C 的选择
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
)](2/[1i n i R R f C +=π (3.8)
式中，f 为放大电路下限截止频率，一般取10Hz ；n R 为信号源内阻，通常在100Ω以下，可忽略不计，取零值；i R 为运放反相输入电阻，本例为Ω=k R 1.53。

由上式得uF C 12.3)]51000(102/[14=+⨯⨯=π，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6C 选用4.7uF /25V 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：
u o
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，7R 、8R 串联支路提供2/CC U 的中点偏置电压，7R 、8R 阻值选择方法同5R 、6R ，取Ω====k R R R R 1006587。

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
uF R R C 31.0)]//0(102/[1876≈+⨯⨯=π；同理7C 为本级放大电路的输出电容，亦可看作下一级功放电路的输入电容，故其值由式（3.8）得)]//0(102/[1217i R RP C +⨯⨯=π，式中1RP
为电压输出幅度调节电位器，一般取值为10kΩ，2i R 为功放输入电阻，查LM386集成功放手册Ω=k R i 502，则uF C 91.1)]50//100(102/[17≈+⨯⨯=π。

但为了使元件参数一致性，故取4C 、6C 、7C
为4.7uF /25V 铝
电解电容。

（4）电源退耦电路
电源退耦电路如图3-8所示：
CC
图3-8 电源退耦电路
其主要作用是滤除由电源引入的高、低频干扰信号。

其中，1C 、13C 为功放电源退耦电容，1C 滤除低频干扰，由于功放电源输出电流较大，故1C 一般取220uF ~1000uF 为宜，本例为滤波效果好，取1000uF /25V 电解电容。

通常电解电容的耐压要大于电源电压的2倍以上，故本例所有电解电容的耐压都取25V 。

13C 滤除高频干扰，一般取0.01~0.1uF 的瓷介电容为宜，本例取0.1uF （即104），一般瓷介电容的耐压都在63V 以上，故在图3-2的原理图中只标其电容量如104。

注：1C 、13C 在焊接时距离LM386的电源6脚尽可能近，这样退耦效果好。

2C 、3C 为前置放大电路电源退耦电容，2C 滤除低频干扰，由于前置放大电路电源输出电流较小，故2C 一般取47uF ~220uF 为宜，本例取100uF /25V 电解电容。

13C 滤除高频干扰，一般取0.01~0.1uF 的瓷介
电容为宜，本例取0.01uF （即103）。

注：2C 、3C 在焊接时距离LM324的电源4脚尽可能近，这样退耦效果好。

电阻1R 作用是隔离功放与前置放大电路，取值尽量小，保证功耗小，故取Ω=2001R 。

经测试电阻1
R 两端的压降
U=0.2V ，则流过1R 的电流mA V I 1200/2.01=Ω=，则1R 的功耗
mW R I P 2.0200106
1
211=⨯=⋅=-，故取W R 125.0/2001Ω=。

由于电路中1R 的电流最大，功耗也最大，故电路中其他电阻也都取1/8W 的标准电阻。

3、驻极体及其负载电阻值的选择
驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。

驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为其内部有场效应管。

具体内部结构如图3-9所示：
图3-9 驻极体话筒内部结构
驻极体话筒由声电转换系统和场效应管两部分组成。

典型外围电路如图3-10所示：
2
V CC
4
D
S
图3-10 驻极体典型外围电路
2R 的大小可由下式算得：DS
DS
CC I U V R -=
2 (3.9)
式中：
U DS ——场效应管漏源极两端的电压，U DS 必须大于话筒的工作电压U （通常在1.5～12V 之间），小于最大工作电压U MDS 。

太小将影响话筒的动态范围，故一般应取电源电压的1/2较为合适。

I DS ——场效应管漏源电流I DS 等于驻极体的工作电流I ，指静态时流过话筒的电流，工作电流的离散性较大，通常在0.1～1mA 之间。

2R 不仅是场效应管的负载电阻，在电路中它还与后续放大电路的输入电阻并联后共同构成话筒的负载电阻R L 。

应保证R L 的阻值始终大于话筒输出阻抗的3～5倍，这样才能使话筒处于良好的匹配状态。

2R 阻值过小常常会引起放大电路输入阻抗的降低，从而破坏前后级之间的阻抗匹配，使放大器的效率降低。

在本电路中，V CC =12V ，则V DS =V CC /2=6V ，取I DS =0.1mA ，根据式（3.9）计算可得k R 602=，电路中用100k 的滑动变阻器进行调节。

三、主要元器件装配前的检测 1、LM324芯片的检测 见2.3.3。

2、电容的检测
见2.3.2。

3、驻极体的检测
驻极体的底部外观如图3-11所示：
D S
图3-11 驻极体底部外观图
从底部外观上看，与外壳（地）短路的半圆是源极S，而另外的半圆是漏极D。

可以用数字万用表的蜂鸣档检测，将红黑表笔分别任意接触两个半圆和外壳，有蜂鸣声的一个半圆，说明与外壳（地）是短路的，则该半圆就是源极S。

在图3-9中，在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。

具体方法：将数字万用表拨至二极管蜂鸣档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。

再对调两表笔，比较两次测量结果，当测得电压为1.08V左右时，则红表笔接的是源极S，黑表笔接的是漏极D；当测得电压溢出时（数字万用表显示“1”），则红表笔接的是漏极D，黑表笔接的是源极S。

另外，将数字万用表置于20kΩ档，用红表笔接漏极D，黑表笔接源极S，则可测得1.62kΩ的阻值，然后对着驻极体吹气，有1.3~3kΩ的阻值变化，并且吹气越强，变化幅度越大。

驻极体话筒在安装和使用时，必须尽可能地远离放音扬声器，更不要对准扬声器方向，以免引起啸叫。

四、前置放大电路的焊接与功能调试
1、检查各元器件的好坏
将前置放大电路的元器件按照上述检测方法进行检测，并将检测结果填入表3-3中：
（2）按照图3-2的前置放大电路结构，依次进行焊接；
（3）上电前检查，检查LM324的4、11脚是否与电源和地连接好，检查电路焊接质量，是否存在虚焊、漏焊的情况并及时改正；
（4）通电调试，通过直流稳压电源，产生+12V电压，将其接入到电路中，测试LM324各管脚直流电位，填入表3-4：
（5）由低频信号发生器产生频率为1KHz，电压10mV（有效值，可用交流毫伏表进行测量）的正弦波信号u i送入C4电容的负极端，用数字示波器在LM324的1脚可以观察到电压u o1与输入信号，电压有效值为mV，且放大倍数满足倍关系的正弦波，此运放满足设计要求；在LM324的7脚可观测到u o2电压有效值为mV，与1脚波形方向的正弦信号，此运放满足设计要求。

将波形绘制在表3-5中。

3.3.2 功率放大电路的设计
一、功率放大电路的方案比较
方案一：利用三极管实现功率放大。

利用三极管可以构成OTL甲乙类互补对称功率放大电路，可以减小交越失真，改善输出波形；但此如果此电路静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大电流长时间流过负载，可能造成电路损坏，而且电路设计较复杂，所用元器件较多，受温度影响明显。

方案二：集成功放芯片，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。

经比较，故选择方案二。

二、主要元器件参数选择依据
1、功率放大器选择型号：LM386
功率放大电路通常处于电子设备的最后一级，能提供足够大、不失真的信号功率，驱动功率负载如扬声器等。

LM386是一种低电压通用型集成功率放大器，具有静态功耗低、可用电池供电、工作电压范围宽、外围元件少、电压增益可调、低失真度等优点。

其内部电路如图3-12所示：
图3-12 内部结构图
LM386内部电路由输入级、中间级和输出级等组成。

输入级由V2、V4组成双端输入单端输出差分放大电路，V3、V5是其恒流源负载，V1、V6是为了提高输入电阻而设置的输入端射极跟随器，R1、R7为偏置电阻，该级的输出取自V4、V5的集电极。

R5是差分放大电路的发射极负反馈电阻，管脚1、8开路
时，负反馈最强，整个电路的电压放大倍数为20倍，若在1、8间外接旁路电容，以短路R5
两端的交流
压降，可使电压放大倍数提高到200。

LM386采用8脚双列直插式塑料封装，管脚排列如图3-13所示：
地
CC 输出
图3-13 引脚排列
LM386集成功放典型应用参数为：直流电源电压范围4～12V；额定输出功率为660mW；带宽300kHz （管脚1、8开路）；输入阻抗50kΩ。

LM386典型应用电路如图3-14所示：
图3-14 典型应用电路
在实际使用中往往在1、8之间外接阻容串联电路，如图3-14所示的RP和C2，调节RP即可使集成功放电压放大倍数在20～200之间变化。

管脚7与地之间外接电解电容，如图3-10所示的C5，C5可与R2组成直流电源去耦电路。

中间级是本集成功放的主要增益级，它由V7和其集电极恒流源(I0)负载构成共发射极放大电路，作为驱动级。

输出级由V8、V10复合等效为PNP管与NPN管V9组成准互补对称功放电路，二极管V11、V12为V8、V9提供静态偏置，以消除交越失真，R6是级间电压串联负反馈电阻。

图3-14中，5脚外接电容C3为功放输出电容，以便构成OTL电路，R1、C4是频率补偿电路，用以抵消扬声器音圈电感在高频时产生的不良影响，改善功率放大电路的高频特性和防止高频自激。

输入信号由C1接入同相输入端3脚，反相输入端2脚接地，故构成单端输入方式。

2、功率放大倍数的确定
A为-10倍，则功率放根据前面的计算，系统总放大倍数应该为280倍，前置放大级选择放大倍数
uf
1
大电路放大倍数取28倍。

故管脚1、8之间串接阻容电路的R9=50K，C9=10uF。

三、主要元器件装配前的检测
1、LM386的检测
在万用表电池充足的情况下，利用数字万用表的二极管蜂鸣档，可快速检测LM386芯片的好坏。

将数字万用表拨至蜂鸣档，用黑表笔接触11脚，红表笔依次接触其他管脚，如果测得的电压范围满足表3-6所示的电压，则说明LM386芯片电路完好。

2、扬声器的检测
扬声器又称“喇叭”。

是一种十分常用的电声换能器件，在发声的电子电气设备中都能见到它。

扬声器有两个接线柱（两根引线），当单只扬声器使用时两根引脚不分正负极性，多只扬声器同时使用时两个引
脚有极性之分。

一般实验室用的喇叭的正常电阻值是4、8、12或16欧姆。

可用数字表的二极管档或200欧档检测，读数在几欧姆且在表棒接上和断开时扬声器有“喀喇”声即为正常（小喇叭）；对大点的扬声器可能不会发声（数字表输出电流太小），此时可拿一节干电池用其两极快速触碰扬声器的两个接线桩，有“喀喇”声即为正常。

四、功率放大电路的功能调试 1、检查各元器件的好坏
将功率放大电路的元器件按照上述检测方法进行检测，并将检测结果填入表3-7中：
2、按照图3-2的功率放大电路结构，依次进行焊接
3、上电前检查
检查LM386的6脚是否与电源连接好，检查电路焊接质量，是否存在虚焊、漏焊的情况并及时改正。

4、通电调试
接入+12V 直流电源，测试LM386各管脚直流电位，填入表3-8：
5、功能调试
由低频信号发生器产生频率为1kHz ，电压有效值为10mV 的正弦波信号送入LM386的3脚，同时接入8Ω喇叭，通过数字示波器在LM386的5脚则可观察到与输入信号 ，电压有效值为 mV ，且放大倍数满足 倍关系的正弦波，此电路满足 设计要求。

6、负载对功率放大倍数的影响
（1）接入负载电阻R L =8Ω，使输入信号电压Ui =10mV 、f =1kHz ，用交流毫伏表测量输出电压U o ，计算出Au 并填入表3-9中。

（2）空载时即R L =∞，重复上述步骤。

（3）总结负载对功率放大倍数的影响。

3.4 整机电路调试及测试结果分析
1、两级联调，不加反馈
设置滑动变阻器RP1=5K（接入电路有效阻值，总阻值为10K），由低频信号发生器产生频率为1KHz，电压10mV（有效值，可用交流毫伏表进行测量）的正弦波信号u i送入C4电容的负极端，用数字示波器在LM386的5脚测量输出电压u o，将测量数据记录和计算出的Au值填入表3-10中，并总结负载对放大倍数的影响。

2、两级联调，加反馈
设置滑动变阻器RP1=5K（接入电路有效阻值，总阻值为10K），接入反馈支路，由低频信号发生器产生频率为1KHz，电压10mV（有效值，可用交流毫伏表进行测量）的正弦波信号u i送入C4电容的负极端，用数字示波器在LM386的5脚测量输出电压u o，将测量数据记录和计算出的Au值填入表3-11中，并总结反馈支路对放大倍数的影响。

3、整机最大输出功率和效率的测试
接入反馈支路和R L=8Ω，由低频信号发生器产生频率为1KHz，电压10mV（有效值，可用交流毫伏表进行测量）的正弦波信号u i送入C4电容的负极端，用数字示波器在LM386的5脚测量输出电压u o波形，调节RP1，使输出电压出现最大不失真波形，用示波器测量或交流毫伏表测量该值，记入表3-12中。

断开电源开关K，将数字万用表拨至测直流电流10A档，将两表笔并在K两端，此时电流表读数即为电源输出电流，将测量值记入表3-12中。

通过计算得出最大输出功率和效率，与设计要求值进行比较，得出该项性能指标是否满足设计要求的结论，记入表3-12中。

表3-12 最大输出功率和效率的测试（R L=8Ω）
4、带宽的测试
测试条件同上，调节RP1，用示波器测量输出电压u o的有效值达到2V，然后改变信号源频率，当频率由1KHz增加至某一频率使u o的有效值下降0.707倍，即为1.414V时，则该频率即为上限截止频率f H，记录于表3-13中；当频率由1KHz下降至某一频率使u o的有效值下降0.707倍，即为1.414V时，则该频率即为下限截止频率f L，记录于表3-13中。

功放电路带宽B=f H-f L，将计算结果记录于表3-13中；将B与设计要求值比较，得出该项性能指标是否满足设计要求的结论，记入表3-13中。

思考与练习：
为了提高输出电压范围，可采取何种方法？。