实用功率放大器.doc

1、 任务 设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如图1所示。外供正弦信号源 变换 电路弱信号前置放大级功 率放大级 自制稳压电源 等效负载 电阻 正 、负极性对称方波 220V 50 图1 设计任务示意图2、 要求1、基本要求（1）在放大器通道的正弦信号输入电压幅度为5700mV，等效负载电阻为8条件下，放大通道应满足： 额定输出功率。 带宽5010000。 在下和内的非线性失真系数 3%。 在下的效率55%。 在前置放大级输入端交流短接到地时，上的交流声功率10mV。（2） 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2、发挥部分（1）放大器的时间响应 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1000、上升和下降时间 1us、电压峰峰值为200mV。用上述方波激励放大通道时，在条件下，放大通道应满足：额定输出功率。 在下输出波形上升和下降时间 12us。 在下输出波形顶部斜降2%。 在下输出波形过冲量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、减少非线性失真等）。题目分析1. 求输出最大电压根据题意，输出功率，负载。则 于是 故 2. 求系统最大电压放大倍数根据题意，输入电压为5700mV，则 3. 脉冲参数定义脉冲矩形波形如图2所示，具体脉冲参数定义如下： 脉冲幅度； T脉冲周期； 脉冲宽度； 占空系数；上升时间；下降时间；顶部斜降；波形过冲量。方案论证系统原理方框图如图3所示。它由波形变换电路、弱信号前置放大电路、功率放大电路、功率指示与保护电路、自制稳压电源五个部分组成。 变换 电路弱信号前置放大级功 率放大级 自制稳压 电源功率显示 与保护外供正弦信号源 220V 50 该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频率、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。1、 波形变换电路 方案一：采用过零的比较器进行波形变换，将1000的正弦波变换成同频率的方波信号，然后经过施密特触发器进行整形。 方案二：直接采用施密特触发器进行变换与整形。而施密特电路可采用高精度、高速运算电路搭接而成，也可采用专用施密特触发器构成，还可以选用NE555电路构成。 本系统采用方案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。2、 弱信号前置放大级弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：M5212L、M5213、TA7120P、TA7322P、TA7668APBP、NE5532、TDA2040A、LM1875、TDA1514等。设计选用ME5532低噪声、高保真集成芯片。3、 功率放大级 方案一：采用专用的音箱集成芯片。符合题目要求的集成芯片有许多。例如以TA7240AP/7241AP、TA7270P/7271P为代表的音响芯片，近30多年来，在我国的音响设备中非常流行。它的主要特点是：失真小、噪音小、音质纯且价格便宜。若要进一步提高输出功率到50W左右，采用原膜集成电路STK4181II、STK4191II等。输出80W的有STK8280II、输出100W的有STK0100II等。该方案的优点：技术成熟，外围元器件少，调试简单，便于扩充等。 方案二：功率放大输出级采用分立元器件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点，由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。 这两种方案均可行，经过综合分析，最终选择方案一。4、 功率显示及保护电路 本系统采用TA7336集成芯片构成的功率电平显示及保护电路。5、 自制稳压电源 本系统采用三端稳压电路。硬件设计 由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分立元件相结合的方案，另一种方案是全采用集成芯片的方案。现分别说明如下： 方案设计一：采用集成电路与分立元件相结合的设计方案。具体电路由图1、 增益分配 因系统总的电压放大倍数为： 令末级功率放大器放大倍数为22dB，则前置放大器的放大倍数应。2、 前置放大器的设计 如图9.2.4所示，前置放大器由两级组成，它的任务是完成小信号的电压放大，其失真度和噪声对系统的影响最大，故采用用了低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532,均采用电压并联负反馈电路，因电压并联负反馈具有良好的抗共模干扰能力，且具有改善波形失真的作用。 第一级前置级增益为 第二级前置级增益为 考虑到输入信号的变化范围很大（5700mV），用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，前置级和功放级之间采用但电容耦合。 在图9.2.4中，由LF357构成的施密特触发器。主要起波形变换的作用。根据题目要求，变换后的方波要正负对称，频率为1000上升和下降时间 1us、电压的峰峰值为200mV。LF357属于FET管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点。完全可以满足技术指标要求。3、 功率放大器设计 功率放大器如图9.2.5所示。与、与组成复合管，末级属于典型OCL电路。本电路功率推动级选择NE5534，主要承担电压放大任务，由于在其噪声、转换速率、增益带宽积等方面优异的指标，而且具有一定的输出电流，做功率推动级很合适。1） 选择功率末级的两对对管 一般推动管、的电流增益在100左右，输出管、的电流增益在40左右。这两类管子的两个关键参数为特征频率与集电极最大允许耗散功率。 特征频率与放大电路上限（下降3dB）频率的关系为 系统阶跃响应的上升时间与放大电路上限频率的关系为 推动管、的特征频率 输出管特征频率为 对乙类OCL放大器来说，。为单管最大管耗，为最大不失真输出功率，甲乙类OCL应大于此。因此，输出管。 根据以上计算，并考虑到指标提高及工程实际，推动管选用对管2SB649、2SD669，其参数为，。输出管选用对管2SA6114,2SC2707,其中参数为，可以满足设计要求。2） 功率放大级各管的工作点考虑到本电路工作于甲乙类，若设效率为70%，则允许末级管耗为输出功率的30%. 所以，都采用精密电位器。3） 要做到尽量小的失真 由于采用OCL电路，首先要保证正、负两边放大电路的对称，包括电源值的对称，与，与的放大倍数相等，对应电阻值、二极管压降相等；第二为了减小交越失真，应把的工作点适当提高。实际上前者很难达到，尤其是两对对管值很难做到对称相等。补偿方法一是通过调节、使输出点TP2-2的静态电位尽量接近零伏，二是为了补偿由于管结温的升高其值的增加，采用具有负温度系数的二极管、（1N4148）对其进行补偿。同理具有负温度系数的热敏电阻也具有相同的作用（见图9.2.4)。 功率放大器采用两级电压并联负反馈，其电压放大倍数为 4. 电源电路的设计 如前所述，本电路输出正弦波幅值为12.6V，从提高效率考虑，功放级电源电压越接近12.6V越好，但考虑到管压降因数，选用了一个双18V变压器。经整流滤波可得约的电压。在这种情况下，若本电路工作于乙类，则效率为 考虑系统既存在大信号（功放级），也存在小信号（前置级），所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干扰。因此要采取单点接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上（见图9.2.6）. 5.功率指示和保护电路设计 本电路附加了一功率指示和功率保护电路，其原理简述如下：从图9.2.5中F点输出的信号经一电阻采样，送入TA7366（5位电平指示器，见图9.2.7），适当调整采样电阻的值，使电平指示的最高位对准本功放的临界失真功率。当最高位LED点亮时，其压降约1.8V，以此电压触发单向晶闸管，再推动继电器，将功放通道的电源断开。不需要保护时只需将晶闸管的阳极断开。 6.各部件的安放位置 变压器远离前置板和输入点；散热片靠外，远离前置板；1N4148，尽量靠近散热片。设计方案二，采用集成电路作输出级的设计方案。该设计方案系统原理框图如图9.2.8所示。前置放大器原理图如图9.2.9所示，波形变换器原理图如图9.2.10，功率放大器原理图如图9.211所示，保护电路如图9.2.12所示。输入缓冲信号放大波形变换输出限幅方波整形功率放大弱信号放大I信号放大II增益控制I增益控制II过载保护开机延时 稳 压 电 源负载 方波 +12V +15V 12V +15V +5V 图9.2.8 设计方案二系统原理框图测试结果及结果分析对设计方案一进行测试，并将测试结果整理如下。1） 额定功率、带宽、非线性失真系数的测试测试仪器：函数发生器，失真度测试仪，示波器。测试结果：见表1、表2表1 （峰峰值）10008101001000050000800001000000.22%0.22%0.22%0.22%0.22%0.22%0.22%0.22%0.25%0.4%0.35%0.28%0.8%2.6%2.9%3.4%0.12%0.33%0.27%0.17%0.77%2.59%2.89%3.39%17.012.013.517.017.015.413.312.0表2 （峰峰值）1000505110010000500001000000.34%0.36%4.02%不稳定0.37%0.35%0.5%0.48%0.35%0.36%0.45%不稳定0.375%0.8%2.0%3.0%0.083%0.083%2.1%/0.061%0.72%1.94%2.96%17.017.014.512.517.017.016.012.02） 噪声功率的测量测量设备：示波器20M测量结果：交流噪声有效值为2mV。3） 功率测试 测试设备：数字万用表，函数发生器，示波器测试结果：在输出额定功率的前提下，测得，则 故功率为 。实际上，功率级本身的功耗小于26.3W，故稍大于60%。 4） 波形变换电路的测量 测试设备：函数发生器，示波器。 测试方法和步骤：增益调至最小，把输入信号切换开关打到方波产生的位置。系统加电，信号发生器产生频率为1、幅度为150200mV的正弦波，再把示波器接到波变电路输入点。观察输出波形，记录各值。再把示波器接到波变电路输入点，调节增益使输出方波幅度为12V(单峰值)，观察输出信号，记录各值。测试结果：见表3。表3 测试结果测试项幅度上升时间下降时间TP12200mV()0.5us0.5usTP1216V()4.2us5.3us测试结果分析：由测试