实用低频功率放大器的设计

基本要求 发挥部分
项目 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 实际制作完成情况 完成第一项 完成第二项 特色与创新
得分 50
50 20 10 20
幻灯片 5 四、主要技术指标分析 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 5mV~700mV 的正弦波，输出电压信号 Vo 从 8Ω的等效负载电阻上获得。额定输出功率 Po≥10W，这项指标说明在输入信号 5mV~ 700mV 的范围内，均以 Po≥10W 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 BW≥50Hz~10KHz。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 fL≤50Hz， 最高频率 fH≥10KHz。 (3) 功率放大器在额定输出功率 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：η=Po/PDC。 η≥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=8Ω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 8 2. 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
J2
R1 Key = A 10k
R2
150k
4 NE5532P
2
A1
1
3
8
R3 10k
0
R7 10k
0
J1
R10
50%
LM339 A3
100K _LIΒιβλιοθήκη Baidu Key = C
R8 R9
68k
5K _LIN Key = B
50%
0
0
Vo1
R6
200k
R5
2
10k
3
R4 10k
4 NE5532P
A2
C1
1
10uF-POL
其特征频率 fT ≥100MHz,耗散功率 Pc ≥500mW,选 b>80.
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
幻灯片 20 3. 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 POR≥10W。 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 POR≥10W。 幻灯片 21 4. 稳压电源设计
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
AV =VOP/VIP=14V/5mV=2800
用分贝表示， AV =20lg（VOP/VIP ）=68.9dB
VOP 2PR 2108V 12.6V
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
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（5～700）mV，等效负载电阻 RL 为 8Ω下，放 大通道应满足：
① 额定输出功率 POR≥10W； ② 带宽 BW≥（50～10000）Hz； ③ 在 POR 下和 BW 内的非线性失真系数≤3%； ④ 在 POR 下的效率≥55%； ⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω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 3 2．发挥部分 （1）放大器的时间响应 ① 方波产生：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 1000Hz、上升时间≤ 1μs、峰-峰值电压为 200mVpp。 用上述方波激励放大通道时，在 RL=8Ω下，放大通道应满足： ② 额定输出功率 POR≥10W；带宽 BW≥（50～10000）Hz； ③ 在 POR 下输出波形上升时间和下降时间≤12μs； ④ 在 POR 下输出波形顶部斜降≤2%； ⑤ 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
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。
D1 1N4001
D5
R7 1.0k
C3 10pF
14V
R15 5K _LIN 50%
Key = A
D3 1N4001
R11
D4
200
1N4001
R10 27k
R17 50%
1K _LIN Key = A
R9 4.7k
Q5 2SB647
FU
R13
0.5
RL
8.
Q7 MJ2955
VEE
幻灯片 13
VEE
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
8
0
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 300KΩ． 设前置放大器 A1 的增益为
AV1=R2/R1=150K/10K=15 对于幅度为 5mV~700mV 输入信号，A1 输出幅度为 75mV~10.5V.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
VCC
VCC
R3
R4
27k
2.2k
R8
R16
R5
180
390k
2.7k
Q4
Q3
2SD667
2N5401
D2
C2
1N4001
10pF
18V Q6 2N3055
R12 0.5
Vi R1 100
C1
1.0uF R2
27k
R14
10K _LIN Key = A 50%
Q1
Q2
2N2222 2N2222
R6 12k
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
是为了提高电路的抗干扰能力 。电路的静态工作点由电阻 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 17 2. 前置放大电路的设计 前置放大电路的主要功能是将 5mV~700mV 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 ≥ 50Hz~10KHz 的矛盾；二是对 5mV~700mV 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 1.4V 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
AV2=R6/R5=200K/10K=20 对于 75mV 的信号，不经过电位器 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 Po≥10W 的要求。
VIP= 5mV
VOP=14V 前置放大级增益=280 倍 1.4V 功率放大级增益=10 倍
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
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。 功率放大级电路设计 当功率放大器以 Po≥10W 的满功率不失真输出时，输出电压的幅度为
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 1.2V~37V,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
状态，输出端对地电压应为 0V，从而可克服交越失真。
幻灯片 15
采用双电源供电，因为输出电压幅度为 14V，则 VCC>14V,为留有余地，选
+VCC=+18V,-VEE=-18V.
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 b>50.驱动管 Q4,Q5 也是一对互补对称的晶体管，
-18V
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：