功率放大实验报告

一、实验题目

集成运放音频功率放大电路分析 二、设计要求

音频功率放大电路的设计不仅要求对音频信号进行功率放大以有足够的功率驱动扬声器发声，同时要求音质效果良好。

要实现功率放大，不仅要求对电流进行放大，而且要求有足够的电压放大倍数。 利用集成运放对电压信号进行放大，不仅可减小元器件的数量，而且会使电路更加稳定。 三、设计原理

根据设计要求，在输入电压幅度为（5~10）mV 、等效负载电阻RL 为8Ω时，放大通道应满足额定输出功率Po ≥2W 。

设输出电压有效值为Ursm ，输出功率为Po ，则

所以，总体电路要求的电压放大倍数为预期的输出电压有效值除以输出电压有效值再加上一定的设计余量，电压放大倍数约为400~1000倍。

单级电路不易实现如此大的放大倍数同时保持电路性能，所以需要采用多级放大电路。考虑到多级放大电路虽然可以提高电路的增益，但级数太多也会使通频带变窄，所以，下面采用三级放大设计。 四、基本思路 一级、二级电路组合以实现电压放大（各提供约20倍的放大倍数），同时加入改善音质的设计（滤波器）；第三级功放放大电流，同时对电压倍数进行调节。

为了保证电路安全可靠，通常使电路最大输出功率POM 比额定输出功率Po 要大一些，则一般取

所以，最大输出电压VOM 应根据最大输出功率POM 来计算：

考虑晶体管饱和压降等因素，放大器VOM 总是小于电源电压。令电源电压利用率：

一般为：0.6 ~ 0.8

考虑功放的供电电源大小，最后选择电源VCC 为15V 。 一、设计步骤

（1）前置放大电路设计

前置放大电路的作用是对微弱输入信号进行放大，如图所示电路，为一个反相比例放大器，其电压放大倍数为20。

电路的输入信号约为10mV 、20Hz~30kHz 的交流信号。

V R P U L o rsm 4≥=()O

OM P P 2~5.1=L

OM OM R P V 2=CC OM

V V =η3

.1382226

.01211=⨯⨯⨯===L OM OM CC R P V V ηη

音频功率放大器的设计要求电路有足够的带宽，噪声足够小，以及谐波失真足够小，这就要求选择各级电路中合适的运算放大器。

电压放大倍数为20的前置放大器电路

电路性能分析：

1、交流分析

截止频率为4.667MHz，截止频率处的相位差为135.534°。

2、瞬态分析

输入信号为10mV、30kHz的交流信号，结果如下图。

3、电路稳定性分析

4、电路的直流小信号增益和输入、输出阻抗分析

直流工作点分析：

输入端串联一2kΩ小电阻，设置信号源频率30kHz，幅度10mV，测得电路的输入阻抗为2.04kΩ。

在R3支路上接一开关，设置信号源频率30kHz，幅度10mV，测出开关闭合及断开时R3两端电压，得到电路输出阻抗为3.315MΩ。

（2）二级放大电路设计

二级放大电路的作用是进一步提供放大倍数，同时加入音色处理电路，并可对输出的幅度进行调节，如图所示电路，为一个电压放大倍数约为20倍的反相比例放大器。

要求二级放大电路的输入信号约为200mV、通带为30Hz~130kHz。

电压放大倍数为20的二级放大器电路

电路性能分析：

1、交流分析

截止频率为4.667MHz，截止频率处的相位差为135.505°。

2、瞬态分析

输入信号为200mV、30kHz的交流信号，结果如下图。

3、电路稳定性分析

4、 电路的直流小信号增益和输入、输出阻抗分析 直流工作点分析：

输入端串联一2k Ω小电阻，设置信号源频率30kHz ，幅度200mV ，测得电路的输入阻抗为721.1Ω。

在R4支路上接一开关，设置信号源频率30kHz ，幅度200mV ，测出开关闭合及断开时R4两端电压，得到电路输出阻抗为71.75k Ω。

（3）功率放大电路设计 选择甲乙类（OCL ）电路为输出功率放大器，其前端接一同相运算放大器作为推动电路。

同相运算放大器的电压放大倍数为 ，调节R3的阻值，可控制输出电压的大小， ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+921

R RV

电阻RV2连接到输出端，引入了负反馈，稳定电路系统。为了不使电阻上消耗太大的功率，R12和R13的阻值应小于0.5Ω。输出端的扬声器阻值为8 Ω。

功率放大器电路

电路性能分析：

1、交流分析

截止频率为50.7MHz，截止频率处的相位差为-48.8°。

2、瞬态分析

输入信号为4.0V、30kHz的交流信号，结果如下图。

3、电路稳定性分析

3、电路的直流小信号增益和输入、输出阻抗分析

直流工作点分析：

输入端串联一2kΩ小电阻，设置信号源频率30kHz，幅度4.0V，测得电路的输入阻抗为4.83kΩ。

在R7支路上接一开关，设置信号源频率30kHz，幅度4.0V，测出开关闭合及断开时R7两端电压，得到电路输出阻抗为10.21kΩ。

（4）综合放大电路分析

集成运放功率放大器综合电路电路性能分析：

1、瞬态分析

输入信号为10mV、20kHz的交流信号，结果如下图。

放大倍数约400倍。

截止频率为3.019MHz，截止频率处的相位差为-68.385°。

3、静态工作点分析

5、电路稳定性分析

二、回答问题

1、前置放大电路中，如何选合适的运算放大器？

答：音频功率放大器的设计要求电路有足够的带宽，噪声足够小，以及谐波失真足够小，因此，在最好的AD625、较差的LM324和中等的LF347之间，考虑到经济问题，可选择中等条件的LF347。

2、前置放大电路中的R1和R3电阻如何选择？

答：R3阻值上应为R1的20倍，才能达到放大倍数为20的要求。

3、功率放大电路中，如何选择合适的运算放大器，说明选择的理由。

答：从带宽、噪声、谐波失真和经济角度综合考虑，选择LF347。

4、功率放大电路中，同相运算放大器的放大倍数如何选择？说明理由。

答：同相比例放大器放大倍数为1+R7/R2,前两级放大约20×20=400倍,要求放大400~1000倍,所以可用电位器作为R7使功率放大电路放大倍数为1~2.5倍。