分立功放

实用低频功率放大器

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。其原理示意图如下：

二、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（5~700）mV ，等效负载电阻R L 为8Ω 下，放大通道应满足： ①额定输出功率P OR ≥10W ； ②带宽BW ≥（50～10000）Hz ；

③在P OR 下颌BW 内的非线性失真系数≤3%； ④在P OR 下的效率≥55%；

⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，R L =8Ω上的交流声功率≤10mW ； (2)实际测量时输入为音频信号，要求设置有音量、高音、低音大小调节电路； (3)功放部分不能使用集成功率放大器。 2、发挥部分

放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展，如设置有保护电路、提高效率、减小非线性失真等。

一、方案设计及验证

1、设计要求前置放大器输入交流短接到地时，R L =8Ω的电阻负载上的交流噪声功率低于10mW ，因此要选用低噪声运放。本系统选用优质低噪声运放NE5532N 。设计要求输入电压幅度为5—700mV 时，输出都能以P 0≥10W 满功率不失真输出，信号需放大几千倍；又考虑到运放的放大倍数与通频带的关系，固应采用两级放大。赠以调节可用电位器手动调节，也可以自动增益控制，但考虑到题目中的“实用”两字（例如输入信号不是正弦信号，而是大动态音乐信号），故采用手动增益调节。前置放大器采用低噪声双运放，分别以同相放大的方式，作为左右通道的信号放大。

2、功率放大器常用电路有两种，一种用输入输出变压器的推挽电路，另一种是无输入输出变压器的推挽电路。如OCL 、OTL 、BTL 等。相比之下，前者的频响和失真方面都表现较

好，故本设计就采用OCL电路。再根据效率的要求（大于55%），需要用甲乙类功放，这是因为甲类效率低、功耗大，而乙类有不可避免的交越失真。

3、电路原理图见图1到图2。

图2中运放为驱动级，可选用NE5534（或uA741）,其主要承担电压放大任务，由于其在噪声、转换速率、增益带宽方面优异的性能，而且具有一定的输出电流，做功率推动级很合适。T1、T2分别与T2、T4构成达林顿管，等效为相当于双射级输出，承担电流放大和阻抗匹配任务。

图1 前置放大器

图2 功率放大器

一、主要电路的设计与计算

1、输出额定功率及增益分配

考虑到功率要求，初步选定输出功率P0=12W，由于负载为8Ω，则要求输出正弦波幅度值为

V om=8

12

2

2⨯

⨯

=

⨯R

Po≈14V

考虑到管压降等因素，电源取±15V。

由于输入正弦波幅度最小为5mV，故整个放大通道的电压增益为

A VO=20lg(14/5×103)≈69dB

功率放大仍采用大环电压并联负反馈，电压增益为

A V2=20lg(R3/R1)≈20lg(270K/22K)≈22dB

所以，前置放大器电压增益为：A V1 =A VO- A V2=69-22=47dB。确定前级采用两级。

2、前置放大级器设计

前置放大级器主要完成小信号的电压放大任务，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。据此两级放大器都设计为带有并联负反馈的放大器，因电压并联负反馈具有良好的抗共模干扰能力。

第一级前置级增益为

A V11= (R2/R1)=(150K/10K)=15≈24dB

第二级前置级增益为

A V12= (R5/R4)=(150K/10K)=15≈24dB

考虑到输入信号得变化范围很大，用Rp1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，前置级与功放级之间采用钽电容耦合。

3、功率放大器设计

（1）选择功率末级的两对对管一般推动管T1、T3的电流增益β

1

在100左右，输出管

T2、T4的电流增益β

2在40左右。这两类管子的两个关键参数为特征频率f

T

与集电极最大允

许耗散功率P

CM

。

特征频率f

T

与放大器上限（下降3dB）频率f h有如下关系：

f T≈f h×βh

系统阶跃响应的上升时间t r与放大器电路上限频率f h有如下关系：t r×f h≈0.35

推动管T1、T3的特征频率

f

T ≥（0.35/ t r）β

h

=(0.35/12×10-5) ×100≈3MHz （t r取12×10-5）

推动管T2、T4的特征频率

f

T ≥（0.35/ t r）β

h

=(0.35/12×10-5) ×40100≈1MHz （t r取12×10-5）

对乙类OCL放大器来说，P TM≈0.2P

OM 。P TM为单管最大管耗，P

OM

为最大不失真输出功率，

甲乙类OCL应大于此。因此输出管P

CM

＞0.2×12W≈3W。

根据以上计算，并考虑到指标提高及工程实际，输出前级管T1、T3选用对管2SD669、

2SB649，其参数为f

T =140MHz，P

CM

=15W,V

ceo

=180V。输出末级管T2、T4选用对管2SA1941、

2SC5198，其参数为f

T =30MHz，P

CM

=100W,V

ceo

=140V。

（2）功率放大器各管的工作原理及静态工作点设置

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P T为输出功率之30%。

P T=2V CC×I CQ=0.3P O（V CC≈15V）

I CQ =（0.3P

O

/2V CC）=（0.3×12/30）=0.12A

V R14=0.7+ I

CQ

×R

14

=0.726V