音频放大器的设计.doc

第二章 高保真电路的组成及基本原理2.1电路整体方案的确定音频功率放大器的基本功能是把前级送来的声频信号不失真地加以放大，输出足够的功率去驱动负载（扬声器）发出优美的声音。放大器一般包括前置放大和功率放大两部分，前者以放大信号振幅为目的，因而又称电压放大器；后者的任务是放大信号功率，使其足以推动扬声器系统。功率放大电路是一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内，高效地为负载提供尽可能大的功率，功放管的工作电流、电压的变化范围很大，那么三极管常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态，有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。为了提高效率，将放大电路做成推挽式电路，功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真。常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL（无输出电容）、单电源互补推挽功率放大器OTL（无输出变压器）、平衡（桥式）无变压器功率放大器BTL等。由于功放管承受大电流、高电压，因此功放管的保护问题和散热问题也必须要重视。OCL电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。本课题输出级选用OCL功率放大器，偏置电路选用甲乙类功放电路。为了使电路简单，信号失真小，本电路选用反馈型音调控制电路。为了不影响音调控制电路，要求前置输入阻抗比较高，输出阻抗低，本级电路选用场效应管共源放大器和源级跟随器组成。高保真音频放大器组成框图信号Ui前置放大电路音调控制电路OCL功率放大器喇叭RL2.2 OCL功率放大器的原理OCL功率放大器电路通常可分成：功率输出级、推动级和输入级三部分。根据给定技术指标，选择下图所示电路功率输出级是由四个三极管组成的复合管准互补对称电路，可以得到较大的输出功率。再用一些电阻来减小复合管的穿透电流，增加电路的稳定性。前置电路用NPN型三极管组成恒压电路，保证功率输出管有合适的初始电流，以克服交越失真。推动级采用普通共射放大电路。输入级部分由三极管组成差动放大电路，减小电路直流漂移。2.3音调控制电路的原理常用的音调控制电路有三种：一种是衰减式RC音调控制电路，其调节范围较宽，但容易产生失真；另一种是反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级电子设备中。为了使电路简单、信号失真又小，本次设计采用反馈型音调控制电路。2.4前置放大电路的原理前置级放大电路要求输入阻抗高，输出阻抗低，以便不影响音调控制网络正常工作。为后级提供一定比的信号电压。为此，电路选用场效应管共源放大器和场效应管源级跟随器组成。电路输入阻抗高，并引入电流串联负反馈，提高了电路的稳定性。通过选取适当的电阻，可得到满意的增益。第二级源极跟随器，可以得到较小的输出阻抗，同时其输入阻抗高，对前级影响很小第三章 高保真音频放大器的设计3.1各级电压放大倍数的分配根据额定输出功率Po和RL,求出输出电压为UO=(UO为有效值)整机中频电压增益为：Aum= 前置级队输出的噪声电压影响最大，一般增益不宜太高，通常该选该级增益为：Aum1 =510 （Aum1 为前置级增益）对音调控制电路无中频增益要求，一般选：Aum2=1 （Aum2 为音调控制电路增益）功率输出电压增益则可按总增益来确定，若其中频电压增益为Aum3，则要求：Aum1 Aum2 Aum3 Aum33.2电源电压的确定为了保证电路安全可靠地工作，通常使电路的最大输出功率Pom比额定输出Po要大一些，一般取： Pom(1.52)Po所以，最大输出电压应根据Pom来计算，为：Uom= 电源电压必须大于Uom，因为输出电压为最大值时，VT1和VT2已经接近饱和。考虑到管子的饱和压降，以及发射极电阻的压降作用，我用下式表示电源电压和输出电压最大值的关系：Uom=UccUcc=Uom 其中称为电源利用效率，一般取： 0.8根据管子的材料、发射极电阻值和扬声器阻抗来选定值。如果上述因素是输出电压降低很多时，可选低一些，反之可选高一些。3.3OCL功率放大器的设计3.3.1电路形式的选择 OCL功率放大器电路通常可分为：功率输出级、推动级(激励级)和输入级三部分。为了完成给定技术指标，本课题选用如1-1所示电路。功率输出级是由VTI、VT2、VT3、VT4、组成的复合管准互补对称电路，可以得到较大的输出功率。电阻R2、R3、R4 和R5用来减小复合管的床头电流，增加电路的稳定性。偏置电路用三极管VT6组成的恒压电路，保证功率输出管有合适的初始电流，以克服交越失真。推动级采用VT5组成的普通共射放大电路。为了扩大输出管的动态范围，本级加了自举电容C1在信号负半周期内，通过C2反馈，可为VT4提供足够的基流，保证VT4、VT2充分导通。图1-1 OCL功率放大电路输出级是由VT7、VT8 、VT9组成带恒流源的差分放大电路，减小了电路直流漂移，并且深度直流负反馈，进一步稳定输出点的静态零电平。对于交流信号，因为足C2够大，可视为短路，所以其反馈系数F3.3.2功率输出电路的设计（1）选择大功率管VT1和VT2：主要考虑三个参数，即晶体管c-e结承受的最大反向电压，集电极最大电流和集电极最大功耗。VT1和VT2承受的最大反压：UCEmax2Ucc单管最大集电极电流，忽略管压降： IcEmax VT1和VT2的发射极电阻R1和R2选得过小，复合管稳定性差；过大又会损耗较多的输出功率。一般取 R1=RL=(0.050.1)RL若 若取R1=R2=0.5,及取R1 UBEnaxIC I c3maxPcM PC3maxVT3为NPN型，VT4为PNP型，并使3 =4。3.3.4偏置电路的设计因为 UB3 -UB4 UBE3 + UBE1 + UBE4设： UBE3=UBE1 =UBE4 =0.7VUB3 -UB4 2.1V又因为VT9接成电压并联负反馈型，所以其给出的偏置电压稳定，输出电阻很小，并具有温度补偿作用。UCE9 = UB3 -UB4 UBE9( UBE9=0.7V)=3R8 = 2R9为了保证VT9基极电压稳定，取IR8=（510）(其中ICQ9为VT9静态工作电流，它要根据VT9的工作电流来确定，若忽略IR8和 IB3的分流作用，可以近似认为ICQ9 ICQ5)， 则 R9= R8=2R9为了调节偏置电压的数值，R8可以改用一固定电阻和可调电阻并联，使其并联值等于R8.VT9管因为最大电流和耐压要求不高，可以选普通3DG型管。3.3.5推动级电路的设计（1）确定VT5的工作电流：为保证信号不失真，VT5工作在甲类放大状态，要求ICQ53IB3max一般取：ICQ5=210mA（2） R6、R7的设计与计算公式因为VT9偏置电路输出阻抗很小、VT5的直流负载主要是（R6=R7），又因为UB40.7v所以 R6+R7= 从交流通路来说，R7实际与负载RL并联。其阻值太小会损耗信号输出功率，太大又必然使R6减小。R6为共射电路有效负载，R6太小将会使推动级的增益下降。一般取： （R6+R7） R7 20RL确定R7，则可求出R6。（3） 自举电容C1的设计:自举电容是为了提高放大器增益或扩大电路的动态范围，为了在最低工作频率时C1的容抗远小于R7，一般取：C1=（310）其中：fL为下限截止频率。（4）选择VT5管：因为VT5是工作在甲类放大状态，一般要求：UCCEO VcEmax = 2Ucc(最大反向电压)PcMUccIcQ5（一般取：5UccIcQ5）3.3.6输入级电路的设计（1）确定差分管工作电流：差分管VT6、VT7的集电极电流太大，会增加管耗，并使失调电压和漂移增大；太小又会降低电路的开环增益，一般选：IC6 = IC7 （0.52）mAIC8 = IC6 + IC7（2） R10、R11和R12的设计与计算公式：R10=（UBE50.7V） 为了使恒流源VT8的工作点稳定，应使流过D1、D2的电流IDIB8。IB8=一般取ID3mA则 R11= R12（3）选择VT6、VT7和VT8管：为是差分放大电路能稳定可靠地工作，要求VT6、VT7满足：BUCEO1.2UccPCM5PC=5(IC8Ucc)6 = 7,并且反向电流越小越好。VT8管亦可选用同类型的晶体管。3.3.7反馈支路设计（1）差分电路引入电压串联反馈，使其输入电阻提高，因此，基极电阻R15对该机输入阻抗影响很大。一般取R15=1547k之间。另外，要使电路对称，要求：R13=R15又因为 Auf 1+所以 R14反馈电容C2应保证在低频截止频率时，其容抗远小于R14，一般取：C2（310）耦合电容一般取：C3（310）（2）补偿元件的选取为了使负载在高频时仍为纯电阻，需要加补偿电阻R10和补偿电容C6。一般取：R16=RLC6=(fH为放大器的高频上限频率)。为了消除电路高频自激，通常在VT5的b、c极之间，R13两端加消振电容，一般取100200p3.4 音调控制电路的设计3.4.1电路形式的选择常用的音调控制电路有三种：一是衰减式RC音调控制电路，其调节范围较宽，但容易失真；另一种是反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级收音机中。为使电路简单、信号失真又小，本级采用反馈型音调控制电路。其原理电路图如1-2所示。1-2负反馈型音调控制电路Z1和Zf是由RC组成的网络，放大单元为集成运放A1。因为A1开环增益高，所以：AUf=当信号频率不同时，Z1和Zf的阻抗值也不同，所以Auf随着频率的改变而变化。假设Z1和Zf包含的RC元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如图1-3所示。例图（1）：若C1取值较大，只在频率很低时起作用。则当信号频率在低频区，f时，则=,所以=因此可以得到低音提升。在如图（2）：若C3较小，只在高频时起作用。当信号频率在高频区，f时，=所以，因此可得到高音提升。同理，图（3）、（4）分别可得到高低音、低音衰减。 1-3四种不同电路形式将四种形式的电路组合起来，即可得到反馈型音调控制电路，如图1-4所示1-4反馈型音调控制电路为了分析方便，先假设：R1=R2=R3=RW1=W2=9RC1=C2C3（1）信号在低频区：因为C3很小，C3、R4支路可视为开路。反馈网络主要由上半边起作用。又因为A1开滦增益很高，放大器输入阻抗又很高，所以UE UE （虚地），因此R3的影响可以忽略。当电位器W2的滑动端移动到A点时，C1被短路，其等效电路如图1-5所示，它和1-4很相似，可以得到低频提升。1-5低频提升等效电路该电路的分频特性分析： Z1=R1 Zf=R2+(W2/ Auf= -令： L1 =2FL1=L2=2FL1=则： Auf=-根据前边假设条件， 。当,即信号接近中频时， ( 20lg)时， ( 20lg) 时，7.07 ( 20lg)时，10 ( 20lg)综上所述，可以画出1-6所示的幅频特性。1-6 低频提升幅频特性在f=fL2和fL1，（提升量3dB和17dB）曲线变化较大，称 fL2 和fL1转折频率。在两转折频率之间曲线斜率为-6Db/倍频程。则fL1 和fL2 折现的拐点。此时，低音最大提升量为20dB。表示为:AuB=10(20dB) 同样分析法可知，在W2滑动端至B点时，低频衰减。 转折频率为:fL1=fL1fL2=fL2最大衰减量：Auc=(-20dB)（2）信号在高频区：C1和C2对高频可视为短路。此时C3和R4支路已起作用，等效电路如图1-7所示。为分析方便将电路中Y型接法的R1、R2和R3，变换成型接法的Ra、Rb、Rc， 1-7音调控制电路其中：Ra=R1+R3 +=3R ()Rb=R2 + R3 + =3RRc=R1+R2+=3R因为前级输出电阻很小（1mAUP1Vgm0.5mA/V适当选取UGS，使IDQ小一些（保证NF小）。根据公式：IDQ= IDSS(1-)2又因为US=-UGS通常取： UDS=（12）US UD = UDS +US（1）电阻R4 R3 R2 和R1的设计与计算公式：R4=R2 + R3 = 因为RL = ri2 R5(ri2 为次级输出电阻，选R5 =1M)RD =R4/RLR4场效应管共源放大器中频电压增益为：Aum1=-当gmR31时，AUm1R3=R2 为了保证输入500k,选取R1=1M（2）电容C1和C2的设计与计算公式：C1和C2主要影响低频响应，要求：C1C2（fL为低频截止频率）3.5.2源级跟随器的设计 为了得到较大的动态范围，一般把静态管子点选在移动特性的中点。UGS =IDQ= IDSS(1-)2US=-UGSRS 即R6 源级跟随器传输特性为：Aum2=-其中：RS =RS /RL ，Aum2为传输系数输入阻抗： ri2R25输出阻抗r0 =RS /R24 /3.5.3射极跟随器的设计 射级跟随器的特点是输入阻抗高、输出阻抗低，在电子线路中的应用极为广泛要减小NF，并希望不产生非线性失真，工作电流ICQ应选小一些，（但又要保证有合适的动态范围）一般取：ICQ=(1.52)IOmRe=(12RL)UCCUCEQUom+(23)V其中，Iom为输出电流幅值，Uom为输出电压幅值。根据指标可知Ui(输入电压)，前级以求出电压放大倍数Aum1,本级输入电压幅值为： Ui2m=有因为射级跟随器电压传输系数进似为1，本级输出电压：Uo2m=根据上边给出经验公式确定射级静态工作点，取：ICQ=2Io2mUEQ=UCC-UCEQR24=Re取： IR=(510)IBQ (IBQ=)为提高本级输入阻抗，IR可选小一些，但是太小又影响偏置电路的稳定性。R25=输出阻抗： ro=Re/3.6电路元件参数的选择与计算3.6.1 OCL功率放大电路的参数计算已知： 最大不输出功率：Pom8W负载阻抗（扬声器）：RL=8；失真度（主要是非线性失真） 3%（1）确定电源电压根据公式 Ucc= Uom = （取=0.8）Ucc14V则选定电源电压为15V。（2） 大功率管VT1、VT2:：BUCEO2UCC=30VICMIC1max1.88APCMPC1max0.2Pom+UCCIO取IO = 20mA时，PCM1.90W按以上极限参数选择3DD57A（NPN型），并测得：=60（3）选择VT3.VT4，计算 R2、R3、R4、R5、R6： UCEO2UCC=30ICMPCM根据以上参数选VT3为3DG69A （NPN型） 、VT4为3CG8E（PNP型） 测得 =60根据 R2=R3=(0.050.1)RL选： R2、R3为0.5电阻（电阻丝绕制，功率1W）ri1=rbe1 +(1+1)R2 =40.5R4=R6=5 ri1=202.5 (取R4、R6为200)R5=R4/ ri1 =40 (取R5为39)（4）计算推动级电路： 计算偏置电路：ICQ5=3IC3max/2.5mA选取VT6为3DG6A,9=50忽略VT6、VT3基极的分流作用，ICQ ICQ5 则流过VT8基极偏置电阻的电流IR10 =0.5mAR11=1.4k（取R11为1.5k) R9/R10=2R11=3k(取R9为6.2 k电阻，R10为6.2 k的电位器) 计算R7、R8R7+R8=5.75 k 要求： 1.9 kR8160 取 R8为1 k R7 4.7 k 选择VT5管PCM5UCCICQ5=187mWBUCEO2UCC=30V选择3CG型管PNP型自举电容：C2=32uF (取C2为33uF)（5）计算输入级电路 取差分管工作电流：IC7=IC8=0.8mAIC9=2IC8=1.6mA计算R13、R14、R15、R16R13=4.5k（取4.3 k）R14=440 (取470)R15+R16=900取R15为470电阻 R16为1k电位器选取VT7、VT8、VT9管要求差分管VT7、VT8：PCM5PC8=5PC7=5UCCIC8=60MwBUCEO1.2UCC=18V选择3DG型管，并使。反向电流小VT9选同类型管。（6） 计算反馈支路：取： R17=R10=47 kR12=2.35 k（取2.4 k）C4=33uF(取47uF)C6=1.7pF(取10uF)（7）计算补偿元件取： R1=20C1=0.4uFC3=C5=100pF3.6.2音调控制电路的计算已知： 低音：100Hz12dB 高音：10kHz12dB（1）芯片的选择放大单元选用集成运放F007，调零端各接22k电阻，再接负电源（-15V）。管脚见图1-9所示。1-9 F007管脚图（2）根据公式计算转折频率：fL2=fLx=400HzfH1=fHx2.5kHz（3）选择电位器W2、W3:选用线性电位器，并使W2=W3=150 k。（4）计算各元件参数C12=0.02uF (取C12=C10=0.22uF)R20=21 k。(取R2O=R21=R23=20 k)R22=8.5 k (Ra=3R1) (取R22 8.2 kC11= (取C11为1000pF)（5）计算耦合电容在低频时音调控制电路输入电阻近似等于R22=20 k.C13（310） (C13为10uF)C7=10uF转折频率：fL1=fL2= fH1=fH2=提升量： AuB=8.5 (18.6dB)Auc=0.118 (-18.6dB)AUT=8.3 (18.4dB)AUC=0.12 (-18.4dB)3.6.3前置级参数计算已知：输入阻抗ri500k时，Vi100mV频率响应：f=20Hz20kHz(3dB)（1）源级跟随器的计算 选VT10为3DJ6型晶体管，参数为：IDSS=5mAUP=-3VgmUGS=-1.5VIDQ=IDSS(1-)21.2mAUS=-UGS=1.5VR24=1.25k （取R26为1.2 k）（2）场效应管共源放大电路的计算选取VT11为晶体管3DJ6,IDSS1mA=5mAUP1V=-4Vgm0.5mA/V=1mA/V取： UGS=-3VUS=3VIDQ= IDSS(1-)2=0.31ARS=R27+R28=取： UDS=US=3VUD=UDS+US=6VR26= （取UCC为10V R26 为15k）R27=R26/Aum1=1.5k (取 Aum1 为10)R28=RS-R27=8.5 k因为riR29,保证ri500k,取R29为1MC16=0.08uF (取1uF)C15（取47uF）C14（取10uF）取 R25=1M第四章 电路板调试4.1不通电检测检查单路元件焊接是否正确、可靠，注意元件的位置、管子型号、管脚是否接对，电解电容极性正确无误。用万用表电阻档检测电源 Ucc及-Ucc到输出中点间的电阻值，以及对地的电阻值。其余各管在路简易测试Be、Bc、Be极间是否存在短路现象，无论何时都必须排除短路故障和烧保险丝故障才能开机。为确保安全，可以选用断开基极的检测方法试之。4.2通电测试界限要对直观检查是否烧保险丝，线路板上的电容、晶体管是否炸裂，电阻是否烧焦。通电检查时，可将电源开关打开，用手控制插头与插座的接触，测输出中点电位，如接近0，则接插头，然后手摸电路中各晶体管、电阻等是否有迅速发热的情况。若有，先要排除故障再开机。正常情况下，中点电压为0或稍偏正或负值，用交流档检测输出中点有电压摆动4.3静态测试（1）为保护功率管，首先负载开路测试。接通电源，粗测各级管子静态工作情况，逐级检查各管UBE和UCE。若发现UBE=0（管子截止）或UBE0（管子饱和）均属不正常。检查场效应管UGS和UDS是否符合设计值。首先排除故障，在逐级调整工作点。输出级：输出重中点电位应为0V。若偏离0V，调节R15。注意在调整时，R15 应由小到大，使VT5始终工作在放大区，防止R15过大烧毁VT8。前置级：调节R30，使VT11管VSI为设计数值。在调整R26 ，使VS2=。（2）输出端接假负载（8，8W电阻），量测静态工作情况。要求输出端电压为0V，电源在允许范围内变化，偏移电压不应超过100mV。若偏移过大，说明互补对称管参数相差太大，或者差分对管不对称。4.4动态测试（1）测试电路需用仪器:信号发生器XFD-6型低频信号发生器；电压及使真度测量仪SZ-1型失真度测量仪；波形监视SR8二踪波器；万用表和交流毫伏表。（2）调试输出功率管静态电流：信号源频率f=1kHz，Ui=20mV，W3、W2置于中点，W1置于最大，由示波器观察输出信号波形。调整电阻R10,使输出波形刚好不产生交越失真。量测输出管静态电流（不加输入信号）IO2030mA即为正常。（3）量测输出最大功率：按图1-10接线，W1、W2、W3位置同上，输入信号f=1kHz,逐渐加大输出入信号电压Ui，示波器显示的波形刚好不产生削波失真，失真度3%，此时输出电压值Uom为最大输出电压（有效值）。音频信号发生器OCL音频放大器电路示波器失真度仪1-10测试电路根据 Pom=若Pom大于指标要求即可。（4）测量输入灵敏度：接线，W1、W2、W3、的位置同上。输入信号频率f=1kHz，在输入阻抗ri 500k时，测得此时输入信号电压Ui的数值。若Ui100mV即满足要求。（5）测量频率响应：接线同上。因为电路在单音频信号下工作，长时间输出最大功率容易烧毁功率管，为此，可现在低电压下测试，一般使输出电压约为50%的额定值。测试时，W3、W2置于中点，W1不动，保持输入电压Ui恒定，改变信号频率f从20kHz至20kHz，测出对应的输出电压Uo。注意测试过程中波形不应失真，不能有振荡产生。若以上测试均能正常工作，可加大Ui，是输出在额定值范围进行测试，步骤方法同上。注意测试应迅速、准确。（6）测试音调控制电路和整机的高低音控制特性。整机高低音控制特性的测试接线同上，输入电压Ui=50mV，W1不动，改变信号频率f从20Hz20kHz,按下述W2和W3的位置测试：高音提升和低音提升特性：W2、W3滑动端置于左端A、C点，测得对应的Uo。高音衰减和低音衰减特性：W2、 W3滑动端置于