音频功率放大器的设计与制作.doc

毕业设计论文 课题名称 音频小信号功率放大电路设计与制作音频小信号功率放大电路设计与制作 学生姓名 欧大连 学 号 0501100219 学院 系 机械与电子工程学院 专 业 应用电子技术 班 级 10 应电 2 班 指导教师 陈明芳 起讫时间 2011 年 11 月 14 日 2012 年 01 月 06 日 广东科学技术职业学院 I 音频小信号功率放大电路设计与制作 摘摘 要要 音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域 几十年来 人们为之付出 了不懈的努力 无论从线路技术还是元器件方面 乃至于思想认识上都取得了长 足的进步 本设计主要描述了音频功率放大器的设计思路 硬件电路的调试过 程及测试结果 本设计采用 OTL 功率放大电路用于音频信号的放大 是本电路 设计的重要组成部分 OTL 功放电路由于它不需要变压器就减少了体积和信号 的失真 本设计主要由前级电路和功率放大电路两部分组成 前级电路用于音 频信号的一级放大 功率放大电路用于音频信号的二级放大 保证信号有足够 的功率可以从扬声器输出 关键词 关键词 OTL 功率放大电路 前级电路 音频功率放大器 音频信号 广东科学技术职业学院 i 目目 录录 摘摘 要要 I 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 音频功率放大器的发展 2 1 3 本课题设计意义 3 第第 2 章章 系统总体设计方案系统总体设计方案 4 2 1 设计要求 4 2 1 1 设计依据 4 2 1 2 基本要求 4 2 2 设计思路 4 2 3 整体框图 5 2 4 方案比较与论证 5 2 4 1 方案一 5 2 4 2 方案二 7 2 4 3 方案三 9 第第 3 章章 单元电路设计单元电路设计 11 3 1 前级放大电路的设计 11 3 1 1 负反馈的概念 11 3 1 2 负反馈对放大电路的影响 12 3 1 3 前级放大电路对负反馈的应用 13 3 2 功率放大电路的设计 13 3 2 1 OTL 电路的概念 13 3 2 2 OTL 功率放大电路的工作原理 14 3 2 3 OTL 电路的主要性能指标 15 3 2 4 复合管的概念 16 3 2 5 复合管在本设计中的应用 17 3 3 总电路的设计 18 第第 4 章章 硬件电路的制作与调试硬件电路的制作与调试 21 4 1 硬件设计 21 4 2 系统调试主要测量仪器 21 4 3 系统调试 22 4 4 误差分析 22 第第 5 章章 结论结论 24 参考文献参考文献 25 致谢致谢 26 附件附件 1 1 元器件清单元器件清单 27 附件附件 2 2 硬件电路板硬件电路板 28 广东科学技术职业学院 1 第 1 章 绪论 1 1 引言 随着社会和技术的不断发展 音频功率放大器已经达到一个成熟的阶段 音频功率放大器简称音频功放 它主要用于推动扬声器发声 凡发声的电子产 品中都要用到音频功放 比如手机 MP4 播放器 笔记本电脑 电视机 音响 设备等 给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转 换为按照输入信号变化的电流 因为声音是不同振幅和不同频率的波 即交 流信号电流 三极管的集电极电流永远是基极电流的 倍 是三极管的 交流放大倍数 应用这一点 若将小信号注入基极 则集电极流过的电流会 等于基极电流的 倍 然后将这个信号用隔直电容隔离出来 就得到了电流 或电压 是原先的 倍的大信号 这现象 称为三极管的放大作用 经过不断 的电流放大 就完成了功率放大 常见的功率放大器工作方式有以下几种 A 类放大器的主要特点是 放大器的工作点 Q 设定在负载线的中点附近 晶体管在输入信号的整个周 期内均导通 放大器可单管工作 也可以推挽工作 由于放大器工作在特性 曲线的线性范围内 所以瞬态失真和交替失真较小 电路简单 调试方便 但效率较低 晶体管功耗大 功率的理论最大值仅有25 且有较大 的非 线性失真 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用 B 类放大器的主要特点是 放大器的静态点在 VCC 0 处 当没有信 号输入时 输出端几乎不消耗功率 在Vi 的正半周期内 Q1 导通 Q2 截止 输出端正半周正弦波 所以必须用两管推挽工作 其特点是效率较高 78 但是因放大器有一段工作在非线性区域内 故其缺点是 交越失真 较大 即当信号在 0 6V 0 6V 之间时 Q1 Q2 都无法导通而引起的 所以这类放 大器也逐渐被设计师摒弃 AB 类放大器的主要特点是 晶体管的导通时间稍大于半周期 必须用两 管推挽工作 可以避免交越失真 交替失真较大 可以抵消偶次谐波失真 有效率较高 晶体管功耗较小的特点 D 类 数字音频功率 放大器是一种将输 入模拟音频信号 或 PCM 数字信 息变换成 PWM 脉冲宽度调制 或 PDM 脉冲密度调制 的脉冲信号 然后用 广东科学技术职业学院 2 PWM 或 PDM 的脉冲信号去控制大功 率开关器件通 断音频功率放大器 也称 为开关放大器 具有效率高的突出优点 T 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D 类功率放大器相同 功率 晶体管也是工作在开关状态 效率和D 类功率放大器相当 音频功率放大器的出现让我们的生活充满了活力与色彩 它是音响技术 领域无法或缺的一部分 有了它 把我们带进了电子产品的有声世界 1 2 音频功率放大器的发展 回顾一下功率放大器的发展历程 对我们广大音响爱好者来说也许是一件 饶有趣味的事情 音频功率放大器的应用主要是音响技术领域 音响技术的发展历史可以分为电子管 晶体管 集成电路 场效应管四个 阶段 1906 年美国人德福雷斯特发明了真空三极管 开创了人类电声技术的先河 1927 年贝尔实验室发明了负反馈技术后 使音响技术的发展进入了一个崭新的 时代 比较有代表性的如 威廉逊 放大器 较成功地运用了负反馈技术 使放 大器的失真度大大降低 至 50 年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期 各种电子管放大器层出不穷 由于电子管放大器音色甜美 圆润 至今仍为发 烧友所偏爱 60 年代晶体管的出现 使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地 晶体管放大器具有细腻动人的音色 较低的失真 较宽的频响及动态范围等特 点 在 60 年代初 美国首先推出音响技术中的新成员 集成电路 到了 70 年 代初 集成电路以其质优价廉 体积小 功能多等特点 逐步被音响界所认识 发展至今 厚膜音响集成电路 运算放大集成电路被广泛用于音响电路 70 年代的中期 日本生产出第一只场效应功率管 由于场效应功率管同时 具有电子管纯厚 甜美的音色 以及动态范围达 90dB THD 0 01 100kHz 时 的特点 很快在音响界流行 现今的许多放大器中都采用了场效应管作为 末级输出 80 年代 数字功放成为了新一代的宠儿 广东科学技术职业学院 3 1 3 本课题设计意义 随着电子技术的迅速发展 音频小信号功率放大器的用途也越来越广泛 许多电子产品都要用到音频功率放大器 诸如音响 电视机 收音机等 均要 求放大电路的末级有足够的功率去推动扬声器 喇叭 音圈振动发出声音 这 种用于向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路 简称功放 音 频功率放大器的作用是将微弱的声音电信号放大为功率或幅度足够大 且与原 来信号变化规律一致的信号 即进行不失真的放大 音频功率放大器应用最广 的是音响技术领域 用于扬声器的发声 是音响设计与制作中必不可少的一部 分 本设计音频功率放大器是如今使用非常广泛的一类器件 为电子产品的发 声提供了许多的解决方案 本文设计的是一种音频小信号功率放大器 设计中 采用了 OTL 功放作为本课题的主要组成部分 通过前级放大电路与音频功率放 大电路的结合 利用两次放大 从而实现音频信号的输出 本设计制作的基本 技术指标要求 1 当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时 在 8 电阻负载 一端接地 上 输出功率 8w 输出波形无明显失真 2 通频带为 20Hz 150kHz 3 输入电阻为 600 4 尽可能提高功率放大器的整机 效率 本设计音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大 使其 功率增加 然后输出 前级放大主要完成对小信号的放大 使用一个由电阻 和电容组成的电路对输入的音频小信号的电压进行放大 得到后一级所需要 的输入 后一级主要是对音频进行功率放大 使其能够驱动电阻而得到需要 的音频 本设计用到了两个晶体管 NPN PNP 各一支 两管特性一致 组成互补对称式射极输出器 还用到了OTL 功率放大器 这些是本设计的 核心部分 新的技术飞跃往往是新材料 新理论 新方法的出现之后产生的 音频功 率放大器同样也不会例外 在科技日新月异的时代 我们有理由期待更完美的 功率放大器的出现 广东科学技术职业学院 4 第 2 章 系统总体设计方案 2 1 设计要求 2 1 1 设计依据 1 与电子电路设计有关的国家和行业法规 技术标准与规范等 2 本音频功率放大器设计任务书要求的技术范围 2 1 2 基本要求 1 当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时 在 8 电阻负载 一端接地 上 输出功率 8w 输出波形无明显失真 2 通频带为 20Hz 150kHz 3 输入电阻为 600 4 尽可能提高功率放大器的整机效率 2 2 设计思路 本课题要求设计并制作一个音频功率放大器 要求当输入正弦信号电压有 效值为 5mv 时 在 8 电阻负载上 输出功率要大于等于8w 输出波形无 明显的失真 通频带在 20Hz 到 150kHz 之间 输入电阻要求为 600 尽 可能的提高功率放大器的整机工作效率 根据这些要求 本设计最好采用 二级放大来实现音频信号的输出 前级放大主要作用于电压信号的放大 二级放大主要作用于功率的放大 这样的设计能保证音频信号有足够的功率 能从扬声器输出 本课题要求设计一种音频功率放大器 在 8 电阻负载上输出波形为无明 显失真的正弦波 设计中采用分立元件组成音频功率放大器 采用三极管构 成一级放大电路 利用 NPN 和 PNP 管构成二级放大电路 采用滑动变阻 器改变输入电压 广东科学技术职业学院 5 2 3 整体框图 本设计主要通过输入信号源 在一级电路将音频信号的电压放大后 传给 二级电路进行音频信号功率的放大 最后通过扬声器输出 本设计要求在 8 电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波 当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时 输出功率 8w 尽可能提高功率放大器的整机效率 电路通过改变 滑动变阻器的阻值来调节电压 使输出功率随着电压的变化而变化 从而达到 本设计的设计指标 系统整体设计框图如图 1 1 所示 图 2 1 系统整体设计框图示意图 2 4 前级放大设计方案比较与论证 2 4 1 方案一 用 LM386 组成的 OTL 功放电路如图 1 2 所示 信号从 脚同相输入端输 入 从 脚经耦合电容 220 F 输出 图 1 3 为 LM386 芯片的管脚图 脚可以接电容 作用是作为去耦滤波电 容 脚与 脚之间可以接电阻 电容用于调节电路的闭环电压增益 脚与 脚之间接滑动变阻器的话 可以通过改变电阻值 使集成功放的电压放大倍 前级放大 电路 输入音频 信号 功率放大 电路 输出级 负反馈电 路 电源电路 广东科学技术职业学院 6 数发生变化 R 值越小 电压增益越大 当需要高增益时 可取变阻器阻值 0 图 1 2 输出端 脚所接 10 电阻和 47nF 电容组成阻抗校正网络 抵消 负载中的感抗分量 防止电路自激 有时也可省去不用 图 2 2 LM386 构成的音频功率放大器 图 2 3 LM386 管脚图 方案一电路的优点 LM386 是一种低电压通用型音频集成功率放大器 应 用广泛 大大减少了分立元件的使用 供电电压要求比较低 4 12V 都可以驱 动 方案一电路的缺点 使用 LM386 集成块之后 设计要求无法达到 不能 通过二级放大来实现音频信号的输出 可调范围减小 整机效率都可能小降 广东科学技术职业学院 7 2 4 2方案二采采 NE5532 运算放大器作为前级放大运算放大器作为前级放大 NE5532NE5532 中文资料中文资料 引脚图引脚图 特点及电气参数介绍特点及电气参数介绍 NE5532NE5532 功能特点简介功能特点简介 NE5532 SE5532 SA5532 NE5532A SE5532A SA5532A 是一种双运放高性能低噪声运算放 大器 相比较大多数标准运算放大器 如 1458 它显示出更好的噪声性能 提高输 出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽 这使该器件特别适合应用在高品质和专业 音响设备 仪器和控制电路和电话通道放大器 如果噪音非常最重要的 因此建议使 用 5532A 版 因为它能保证噪声电压指标 NE5532NE5532 特点 特点 小信号带宽 10MHZ 输出驱动能力 600 10V 有效值 输入噪声电压 5nV Hz 典型值 直流 电压增益 50000 交流电压增益 2200 10KHZ 功率带宽 140KHZ 转换速率 9V s 大的电源电压范围 3V 20V 单位增益补偿 NE5532NE5532 引脚图 引脚图 广东科学技术职业学院 8 图 1 NE5532 8 脚引脚图 图 2 NE5532 16 脚封装引脚功能 图 NE5532NE5532 内部原理图内部原理图 图 3 5532 内部电路图 NE5532NE5532 电气参数电气参数 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 绝对最大额定值 SYMBOLSYMBOL 符号符号 PARAMETERPARAMETER 参数参数RATINGRATING 数值数值 UNIUNI T T 单单 位位 VS Supply voltage 电源电压 22 V 广东科学技术职业学院 9 VIN Input voltage 输入电压 VSUPPLY V VDIFF Differential input voltage1 差分输入电压 0 5 V NE5532 A 0 to 70 SA5532 40 to 85 Tamb Operating temperature range 工作温度范围 SE5532 A 55 to 125 Tstg Storage temperature 存储温度 65 to 150 Tj Junction temperature 结温 150 D8 package 780 mW 8 N package 1200 mWPD Maximum power dissipation Tamb 25 still air 最大功耗 Tamb 25 空气 16 D package 1200 mW Tsld Lead soldering temperature 10sec max 焊接温度 10 秒最大值 230 DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS 直流电气特性 Tamb 25 VS 15 V unless otherwise specified SE5532 A 数值 NE5532 A SA5532 数 值 SYMBOLSYMBOL 符号符号 PARAMETER 参数 TEST CONDITIONS 测 试条件 最小 典型 最大最小典型 最大 UNIT 单单 位位 Vos VOS T Offset voltage 偏移电压 在整个工作温度范围 0 5 5 2 3 0 5 5 4 5 mV mV V IOS IOS T Offset current 失调电流 在整个工作温度范围 200 100 200 10 200 150 200 nA nA pA IB IB T Input current 输入电流 在整个工作温度范围 200 5 400 700 200 5 800 1000 nA nA nA Icc Supply current 电源电流 Over temperature 8 10 5 13 8 16 mA mA VCM Common mode input range 共模输入范围 12 13 12 13 V CMRR Common mode rejection ratio 共模抑制比 80 100 70 100 dB PSRR Power supply rejection ratio 电源抑制比 10 50 10 100 V V 广东科学技术职业学院 10 AVOL Large signal voltage gain 大信号电压增益 RL 2k VO 10V Over temperature RL 600 VO 10V Over temperature 50 25 40 20 100 50 25 15 15 10 100 50 V mV V mV V mV V mV VOUT Output swing Out ut swing 输出摆幅电压 RL 600 Over temperature RL 600 VS 18V Over temperature RL 2 k Over temperature 12 10 15 12 13 12 13 12 16 14 13 5 12 5 12 10 15 12 13 10 13 12 16 14 13 5 12 5 V RIN InputResistance 输入电阻 30 300 30 300 k Isc Output short circuit current 输出短路电流 10 38 60 10 38 60 mA AC ELECTRICAL CHARACTERISTICS 交流电气特性 Tamb 25 VS 15 V unless otherwise specified NE SE5532 A NE SE5532 A SA5532SA5532 SYMBOLSYMBOL 符号符号 PARAMETERPARAMETER 参数参数TESTTEST CONDITIONSCONDITIONS 测试条件测试条件 最小值 典 型 最大值 UNITUNIT 单位单位 ROUT Output resistance 输出电阻 AV 30dB Closed loop f 10kHz RL 600 0 3 W Overshoot 上冲电压 Voltage follower VIN 100 mVP P CL 100pF RL 600 10 Av Gain 增益 f 10kHz 2 2 V mV GBW Gain bandwidth product 带宽增 益 CL 100 pF RL 600 10 MHz SR Slew rate 转换率 9 V s VOUT 10V 140 kHz Power bandwidth 功率带宽 VOUT 14V RL 600 VCC 18V 100 kHz ELECTRICAL CHARACTERISTICS 电气特性电气特性 Tamb 25 VS 15 V unless otherwise specified NE SE5532 NE SA SE5532A SYMBOL 符符 号号 PARAMETER 参数参数 TEST CONDITIONS 测测 试条件试条件 最小值 典型 最大值最小值 典值 最大值 UNITUNIT 单单 位位 广东科学技术职业学院 11 fO 30Hz 8 8 12 nV Hz VNOISE Input noise voltage 输 入噪声电压 fO 1kHz 5 5 6 nV Hz fO 30Hz 2 7 2 7 pA Hz INOISE Input noise current 输 入噪声电流 fO 1kHz 0 7 0 7 pA Hz Channel separation 声道 隔离 f 1kHz RS 5k 110 110 dB EN5532 前级放大应用电路前级放大应用电路 方案二电路的优点 EN5532 是一种低电压通用型音频集成功率放大器 应用广泛 大大减少了分立元件的使用 供电电压要求比较宽 3V 20V都 可以驱动 通频带较宽 2 4 3 方案三 采用一些晶体管 电阻和电容构成的音频功率放大器 电路图如图 1 5 所 示 本电路图主要有前置放大电路和功率放大电路两部分组成 前置放大电路 由一些电阻 电容 滑动变阻器 晶体管等元件构成 前置放大电路主要应用 了负反馈 负反馈具有提高电路及其增益的稳定性 减少非线性失真 扩展通 频带 改变输入电阻和输出电阻等功能 反馈在电子电路中得到广泛应用 正反馈应用于各种振荡电路 用作产生 广东科学技术职业学院 12 各种波形的信号源 负反馈则是用来改善放大器的性能 将放大器输出信号 电压或电流 的一部分 或全部 经过一定的电路 称为反馈网络 送回到输入回路 与原来的输入信号 电压或电流 共同控 制放大器 这样的作用过程称为反馈 电路中的负反馈属于电压并联负反馈 R5 是反馈元件 它构成反馈网络 在此电路中负反馈的主要作用是改善放大电路的性能 放大音频信号的电压 功率放大电路主要由各种晶体管 电阻和电容等构成 功率放大电路用的 是 OTL 功放电路 还有 NPN 复合管和 PNP 复合管 OTL 电路具有线路简单 效率高等特点 但要采用双电源供电 给使用和 维修带来不便 为了克服这一缺点 可采用单电源供电的互补对称电路 这种 电路又称为无输出变压器的功放电路 简称 OTL 电路 NPN PNP 复合管可 以对音频信号进行放大 获得很强的信号 图 2 5 分立元件构成的音频功率放大器 广东科学技术职业学院 13 方案三电路的优点 此电路全部采用分立元件构成音频功率放大器 应用 到了许多模拟电子的知识 能很好的让我回顾学过的知识 锻炼我们分析电路 的能力 元器件的价格相对集成块来说比较便宜 方案三电路的缺点 使用的是 30V 电源 要求的电压相对较高 具有一定 的危险性 综合以上三种设计方案 方案一不符合设计要求 方案二和方案三都符合 设计要求 从各各方面考虑 我决定采用方案三 方案二适用于电子初学者 元器件较少 容易焊接 设计简单 容易弄懂其工作原理 方案三适用于有一 定电子基础的人 能很好的培养人对电路的分析能力 工作原理具有多样性 元件价格也便宜 很适合本次设计 最后 我决定采用方案三的电路作为本课题的研究对象 第 3 章 单元电路设计 3 1 前级放大电路的设计 3 1 1 负反馈的概念 本设计的前级放大电路主要运用到了负反馈电路 负反馈放大器的方框图 如图 3 1 所示 反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成 图中 A 表示开环放大器 也叫基本放大器 F 表示反馈网络 Xi表示输 入信号 电压或电流 X0表示输出信号 Xf表示反馈信号 Xid表示净输入信 号 由图可知 净输入信号为 Xid Xi Xf 方程一 开环放大倍数 或开环增益 为 A X0 Xid 方程二 反馈系数为 F Xf X0 方程三 放大器闭环后的闭环增益为 广东科学技术职业学院 14 Af X0 Xi 方程四 将方程一 方程二 方程三代入方程四 得 Af A 1 A F 方程五 方程五表明了反馈放大器的增益与开环放大器的放大倍数 反馈系数的关 系 方程五中 若 1 A F 1 则 Af A 说明加入反馈后闭环放大倍数变 小了 这类反馈属于负反馈 图 3 1 负反馈放大器的组成框图 3 1 2 负反馈对放大电路的影响 一 提高电路及其增益的稳定性 直流负反馈稳定直流量 能起到稳定静态 直流 工作点的作用 假如由于某种原因 放大器增益加大 输入信号不变 使输出信号加大 从 而使反馈信号加大 由于负反馈的原因 使净输入信号减小 结果输出信号减 小 这样就抑制了输出信号的加大 实际上使得增益保持稳定 电流负反馈稳 定输出电流 电压负反馈稳定输出电压 二 减少非线性失真 由于三极管特性的非线性 当输入信号较大时 就会出现失真 在其输出 端得到了正负半周不对称的失真信号 当加入负反馈以后 这种失真可得到改 善 其过程如图 3 2 所示 输出失真波形反馈到输入端与输入信号合成得到上 半周小下半周大的失真波形 经放大后恰好补偿输出失真波形 广东科学技术职业学院 15 图 3 2 负反馈减小非线性失真示意图 三 扩展通频带 负反馈电路能扩展通频带 引入负反馈后增益下降 但通频带扩展 对于 单 RC 电路 系统通频带扩展 1 A F 倍 通频带的扩展 意味着频率失真的 减少 因此负反馈能减少频率失真 3 1 3 前级放大电路对负反馈的应用 本设计的前级放大电路应用到的负反馈 电路图如图 3 3 所示 广东科学技术职业学院 16 图 3 3 前级放大电路对负反馈的应用 3 2 功率放大电路的设计 3 2 1 OTL 电路的概念 省去输出变压器的功率放大电路通常称为OTL 电路 其中 OTL 为 Output Transformer Less 的缩写 OTL 电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路 通常采用电源供电 从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号 OTL Output transformerless 电路是一种没有输出变压器的功率放大电 路 过去大功率的功率放大器多采用变压器耦合方式 以解决阻抗变换问题 使电路得到最佳负载值 但是 这种电路有体积大 笨重 频率特性不好等缺点 目前已较少使 广东科学技术职业学院 17 用 OTL 电路不再用输出变压器 而采用输出电容与负载连接的互补对称功 率放大电路 使电路轻便 适于电路的集成化 只要输出电容的容量足够大 电路的频率特性也能保证 是目前常见的一种功率放大电路 它的特点是 采用互补对称电路 NPN PNP 参数一致 互补对称 均 为射随组态 串联 中间两管子的射极作为输出 有输出电容 单电源供 电 电路轻便可靠 两组串联的输出中点 可理解为采用互补对称电路 NPN PNP 参数一 致 互补对称 均为射随组态 串联 中间两管子的射极作为输出 OTL 电路的优点是只需要一组电源供电 缺点是需要能把一组电源变成 了两组对称正 负电源的大电容 低频特性差 3 2 2 OTL 功率放大电路的工作原理 如图 3 4 所示为 OTL 低频功率放大器 其中由晶体三极管 T1组成推动级 T2 T3是一对参数对称的 NPN 和 PNP 型晶体三极管 他们组成互补推挽 OTL 功放电路 由于每一个管子都接成射极输出器形式 因此具有输出电阻低 负载能力强等优点 适合于作功率输出级 T1 管工作于甲类状态 它的集电极 电流 Ic1的一部分流经电位器 RW2及二极管 D 给 T2 T3提供偏压 调节 RW2 可以使 T2 T3得到适合的静态电流而工作于甲 乙类状态 以克服交越 失真 静态时要求输出端中点 A 的电位 UA 1 2UCC 可以通过调节 RW1来实现 又由于 RW1的一端接在 A 点 因此在电路中引入直流电压并联负反馈 一方面 能够稳定放大器的静态工作点 同时也改善了非线性失真 广东科学技术职业学院 18 图 3 4 OTL 低频功率放大器 当输入正弦交流信号 ui时 经 T1放大 倒相后同时作用于 T2 T3的基极 ui的负半周使 T2管导通 T3管截止 有电流通过负载 RL 同时向电容 C0充电 在 ui的正半周 T3导通 T2截止 则已充好电的电容器 C0起着电源的作用 通过负载 RL放电 这样在 RL上就得到完整的正弦波 C2和 R 构成自举电路 用于提高输出电压正半周的幅度 以得到大的动 态范围 3 2 3 OTL 电路的主要性能指标 OTL 电路的主要性能指标 1 最大不失真输出功率 Pom 理想情况下 Pom UCC2 8RL 在实验中可通过测量 RL两端的电压有效值 来求得实际的 POm UO2 RL 2 效率 广东科学技术职业学院 19 POm PE 100 PE 直流电源供给的平均功率 理想情况下 功率 Max 78 5 在实验中 可测量电源供给的平均电流 Idc 从而求得 PE UCC Idc 负载上的交流功率已用上述方法求出 因而也就可 以计算实际效率了 3 频率响应 当声音功率比正常功率低 3dB 时 这个功率点称为频率响应的高频截止点 和低频截止点 高频截止点与低频截止点之间的频率 即为该设备的频率响应 4 输入灵敏度 输入灵敏度是指输出最大不失真功率时 输入信号 Ui之值 3 2 4 复合管的概念 输出功率较大的电路 应采用较大功率的功率管 大功率管的电流放大系 数 往往较小 且选用特性一致的互补管也比较困难 在实际应用中 往往 采用复合管来解决这两个问题 在一个电子管的壳内装有两个以上电极系统 每个电极系统各自独立通 过电子流 实现各自的功能 这种电子管称为复合管 复合管是指用两只或 多只三极管按一定规律进行组合 等效成一只三极管 复合管又称达林顿管 复合管的组合方式如图 3 5 所示 复合管具有如下特点 1 复合管的类型取决于前一只管子 即iB向管内流者等效为 NPN 管 如图 3 5 中的 a d 所示 iB向管外流者等效为 PNP 管 如图 3 5 b c 所示 2 复合管的电流放大系数约等于各个管子电流放大系数之积 即 1 2 3 复合管的各管各级电流必须符合电流一致性原则 即各级电流流 向必须一致 串接点处电流方向一致 并接点处必须保证总电流为两管输出 电流之和 广东科学技术职业学院 20 图 3 5 复合管的组合方式 a NPN 管 b PNP 管 c PNP 管 d NPN 管 3 2 5 复合管在本设计中的应用 本设计的功率放大电路应用到了复合管 电路图如图 3 6 所示 广东科学技术职业学院 21 图 3 6 复合管在本设计中的应用 3 3 总电路的设计 总电路主要由前置放大电路和功率放大电路两部分组成 电路图如图 3 7 所示 广东科学技术职业学院 22 图 3 7 总电路电路图 总电路的工作原理如下 根据图 3 7 V1组成激励级 它的基极偏压取自 于中点电位 1 2VCC Rp引入交直流电压并联负反馈 V2 V4复合成 NPN 管 V3 V5复合成 PNP 管 V6给两只复合管提供偏压 以消除交越失真 V6还具 有温度补偿作用 R3为 V1集电极负载电阻 R7用于减小复合管穿透电流 R9 R10为负反馈电阻 用于稳定工作点和减小失真 C7为输出耦合电容 充 当另一组电源 当 V1集电极输出正半周信号电压时 V2 V4导通 V3 V5截止 被放大 的正半周信号电流经 C7送到负载喇叭上 形成正半周输出电压 同时 C7上 被充上 VCC 2 的电压 当 V1集电极输出负半周信号电压时 V2 V4截止 V3 V5导通 此时 电源 VCC不供电 由 C7放电提供 V3 V5工作所需直流功率 在负载上形成负 半周输出电压 它与正半周输出电压合成一个完整的正弦波 电路中的 C2 R6组成具有升压功能的 自举电路 不接 C2时 信号越强 V2 V4导通越充分 K R9和 C7的交点位置 点电位上升越多 将使 V2 V4 广东科学技术职业学院 23 的正偏电压 UBE减小 输出电流也减小 限制了输出功率的提高 在电路中加 入 C2后 其两端被充上一定的电压值 当正半周信号通过 V2 V4使 K 点电位 上升时 G R3和 R6的交点 点电位跟着升高 UG UK U C2 UG可高于 Vcc 使 V2 V4基极电位升高 保证了 V2 V4的大电流输出 提高了输出功率 R6 为隔离电阻 防止输出信号经电容 C2短路到地 这种因 C2的作用使 G 点电位 随 K 点电位升高而上升的方式叫 自举 具有自举功能的电路叫做自举电路 广东科学技术职业学院 24 第 4 章 硬件电路的制作与调试 4 1 硬件设计 本设计硬件电路板采用手工焊接 按照图 3 7 总电路图焊接对应的元器件 在焊接时 将运用到电烙铁 焊锡丝 斜口钳等工具 焊接时 掌握好电烙铁 的温度很重要 看清楚元器件的管脚后在进行焊接 做到不漏焊 虚焊 硬件制作的目的是在原有的理论基础上通过示波器等一些常规的实验仪器 来验证电路原理的过程 实现电路设计要求 本设计由前级放大电路和功率放 大电路两部分组成 电路板采用单面板 一面用来放置元器件 另一面用于焊 接 整个系统的硬件部分调试可分为各个模块调试和逐级联成整体调试 这样 确保了调试的成功率 在音频功率放大器中主要是通过调节滑动变阻器的阻值 输出不同频率的 正弦波来满足设计要求 前级电路的调试较为简单 只要测量一下输出电压是 否符合驱动要求 功率放大电路的测量较为复杂 含有较多的三极管 对整个 电路的影响较大 需要多次测量来获得较为正确的数据 4 2 系统调试主要测量仪器 如图表 4 1 是本设计中涉及的硬件调试仪器 仪器名称型号用途数量 直流稳压电源 HG6333 提供电流源电压1 数字式万用表 DT9205N 测量重要位置的电流 电压 1 数字双踪示波器 DS5042M 测量波形1 函数信号发生器FGI617信号的输入1 表 4 1 硬件调试仪器 广东科学技术职业学院 25 4 3 系统调试 电路板焊接完成后 先进行全面的检查 检查无误后 开始进行电路板的 有源调试 调试步骤如下 1 输出波形的调试 先利用函数信号发生器 将信号设置成电压有效 值为 5mv 正弦波信号 然后连接到 i 将信号送入音频功率放大器 在喇叭 的两端通过测试线连接到数字双踪示波器 接通电源后 观察示波器的波形 并记录输出功率的大小 画出波形图 完成数据的记录后 与设计中要求的数据进行比较 确定硬件电路是否符 合设计要求 2 通频带的调试 测量放大器通频带 测的是放大器增益随频率变化 的情况 在改变输入信号频率时 保持输入信号幅值不变 输出信号幅值的变 化正比于增益的变化 两级放大器的增益是各级放大器增益的乘积 因此两级放大器的通频带比 单级放大器的通频带要窄 在调试时 将函数信号发生器与 i相连 数字双踪示波器接到喇叭的两 端 改变输入信号的频率 保持输入信号幅度不变 通过示波器记录下输出信 号幅度值 多次测量后 与设计要求数据进行比较 电路调试完成后 现断开电源 然后整理好仪器 最后对数据进行归纳总 结 4 4 误差分析 本系统涉及的模拟硬件电路较多 前级放大模块和功率放大模块纯属于硬 件部分 又属于高频部分 这就导致管脚分布时电容对电路的影响极大 因晶 体管的特性参数存在较大差别 所以实际测试结果与理论数据值存在一定的误 差 不过在测试硬件电路时反复调整滑动变阻器和电容的具体数值 也可达到 理想的结果 在设计电路时 选用元器件也要有所考虑 尽量减小误差值 当然在焊接 广东科学技术职业学院 26 电路的过程中 由于焊接工艺的好坏 也会间接影响电路的输出 在焊接电路 时避免虚焊 漏焊等状况 在音频功率放大器的调试中 还会受到外界信号的干扰 这种干扰通常是 无法消除的 只能尽可能的较小 广东科学技术职业学院 27 第 5 章 结论 在为期 2 个月的毕业设计后 本课题音频功率放大器的设计与制作终于完 成 在这次毕业设计的课题一种音频功率放大器的设计中运用了很多我学过的 知识 比如模拟电子 高频电子等专业知识 这次的毕业设计是对我这三年来 所学知识的综合考察 通过这次的毕业设计不仅让我对许多知识有了更深的了 解 还锻炼了我的独立思考问题的能力 这为我以后步入社会工作奠定了一个 基础 在设计过程中我遇到了很多问题 一开始的设计使自己感到很迷茫不知道 该从何入手 甚至都觉得这个课题比想象中的更难 但是后来通过在网上搜索 电子资料 且在学校图书馆借到的书本参考资料使我对本设计逐渐有了信心 不过在之后的设计中 即使有了丰富的参考资料 但是还是遇到了许多问题 通过各类方案的比较最终得出了最适合的方案 本设计音频功率放大器的制作采用的是二级放大然后输出音频信号 电路 主要由前级放大电路和功率放大电路两部分组成 本电路的设计综合了模拟电 子和高频电子的相关知识 其中有用到负反馈 OTL 功放 复合管等专业知识 本设计的要求是输入一定要求的正弦波信号 然后从 8 负载上输出基本不失 真的正弦波音频信号 在老师的指导和与同学的互相交流下 我得到了很多的帮助 在选择电路 图方面花的时间较长 通过各类音频功放电路图的不断比较和计算最终得出了 想要的电路图实现了设计的各种功能 达到了设计的要求 确定了音频功放的 电路 就可以做之后的一系列的事情了 当然 在之后的设计中 遇到的问题 也是很多 例如 参数的计算 元器件的选择 电路的焊接以及电路的调试等 等 不过 这些问题也并不构成阻碍 最终都在我的努力和老师的指导下都得 到了解决 不知不觉中 八周的毕业设计