实用低频功率放大器设计

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 低频功率放大器设计 第二届全国大学生电子设计竞赛题 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8 下 放大通道应满足 额定输出功率POR 10W 带宽BW 50 10000 Hz 在POR下和BW内的非线性失真系数 3 在POR下的效率 55 在前置放大级输入端交流短接到地时 RL 8 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 2 发挥部分 1 放大器的时间响应 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 1 s 峰 峰值电压为200mVpp 用上述方波激励放大通道时 在RL 8 下 放大通道应满足 额定输出功率POR 10W 带宽BW 50 10000 Hz 在POR下输出波形上升时间和下降时间 12 s 在POR下输出波形顶部斜降 2 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 三 评分意见 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8 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 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 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 Po PDC 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 8 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 四 主要技术指标分析 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 五 电路设计 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 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 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 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 AV R10 R7反馈支路并联电容C3可以减小高频自激 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静态时处于微导通状态 输出端对地电压应为0V 从而可克服交越失真 1 末级功率放大电路 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 其特征频率fT 100MHz 耗散功率Pc 500mW 选b 80 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 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 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300K 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 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 4 稳压电源设计 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 稳压电源电路图 可调三端稳压器的输出电压为 Vo 1 25 1 R1 R3 一般R3取200 左右 若取220 Vo 18V 则R1约为3K 取5K 精密电位器 电源变压器的参数计算如下 稳压电源消耗的直流功率为PDC Po 式中稳压电源的输出功率Po应大于功率放大器的额定输出功率10W 取Po 15W 效率 65 则电源消耗的直流功率PDC Po 15W 0 65 23W 通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率 为留有充分余地 电源变压器的功率取40W 变压器副边的电压V2计算如下 设LM317的压差为3V 则LM317的输入端的电压为21V 若取二极管桥式整流器的系数为1 1 则变压器的副边电压V2 21V 1 1 19V 取20V 由以上分析计算 可选用一个功率为40W 输入为220V 输出为2路20V的电源变压器 也可以自制 12V的电压可以由LM317 LM337输出的 18V电压获得 即将LM7812 LM7912接 18V的输出 因数字音量控制和电平指示电路需要 5V的电压供电 所以还要将 12V的输出接一片LM7805 5 数字音量控制和电平指示电路设计 为了满足输入信号的幅度在5mV 700mV的范围内 功率输出级的输出功率POR 10W的额定功率的要求 在前置放大级的第二级A2的输入端采用电位器对放大信号进行衰减 如果电位器不是处在最大的衰减位置 而输入信号又比较大 则这时功率放大器的输出功率会远大于额定功率 很有可能损坏功率放大器 为了避免这种情况的出现 设计一个数字音量控制电路 如图所示 数字音量控制电路 电路中 CD4051是一个8选1的模拟开关 CD4516是一个4位十六进制异步可逆计数器 由555组成单稳态电路 产生计数脉冲 脉冲宽度tp 1 1R13C5 0 1S 电路的工作原理是 接通电源 由C3 R11组成的置数电路给计数器CD4516置数 其输出Q2Q1Q0 000 则8选1开关CD4051接通I O0 这时输入信号经过电阻网络最大的衰减后再由CD4051的I O端输出 从而避免了因输入信号较大而损坏功率放大器的情况 CD4051的输出信号经耦合电容C4和电位器RP1进一步调节后使输出保持Vo1 75mV左右 再送前置放大器第二级A2的输入端 输入信号Vi来自前置放大器第一级A1的输出 Vi的范围为75mV 10 5V 当Vi为75mV时 调节计数脉冲 使计数器的输出Q2Q1Q0 111 则CD4051接通I O7 输出Vo1 75mV 当Vi 10 5V 使计数器的输出Q2Q1Q0 000 则CD4051接通I O0 输出为 10 5 7 5 0 5 700mV 再调节RP1使Vo1 75mV 由此可见 对于7mV 10 5V范围内的输入信号 经过数字音量控制电路后均变为75mV左右 从而满足了额定输出功率的要求 电平指示电路是功率放大器的功能扩展电路 在音量控制电路中 只要增加一只74LS138译码器和8只发光二极管就可以实现电平指示功能 如图所示 因为计数器的输出Q2Q1Q0的状态与CD4051的输入信号Vi的大小是一一对应的 所以 74LS138译码器的输出也与Vi的大小相对应 则8只发光二极管可以将Vi分成8级进行显示 6 电路的安装与调试 功率放大电路的安装方法是 将整机分成4个电路板 即前置放大电路板 功率放大电路板 数字音量控制电路板和稳压电源电路板 各个电路板之间用排线进行连接 每块电路板都可以制成印刷电路板 也可以采用通用的电路板上进行焊接 需要注意的是 功率放大电路板的末级输出晶体管一定要安装特制散热片 三端稳压器上也要安装散热片 功率放大器的电路调试方法是 先调试各个电路板的静态工作点和性能参数 再逐级级联 进行整机联调 为了给功率放大器提供电压 首先应该调试稳压电源 注意调节电位器R1 R2使LM317 LM337的输出电压为 18V 需要注意的是 滤波电容的极性不能接反 电容的耐压值要大于电源电压值 只要 18V输出正常 12V 5V是不需要调节的 前置放大器A1 A2的放大倍数设计为固定值 A1 15倍 A2 20倍 由固定电阻决定 比较器A3的输出可通过电位器进行调节 信号源输出频率为1000Hz 幅度为100mV的正弦波 则A1 A2的输出应该满足放大倍数的要求 再调节R9使A3的输出为200mV的峰 峰值 功率放大级的静态工作点的调整比较繁琐 具体方法如下 先调节功率放大器的电位器 使A B两点间的电压为2 8V O点对地电位为0V 晶体管Q6 Q7的集电极电流约18mA 这时 末级功放应该工作在甲乙类 再调节差分放大级的静态工作点 调节R14 R15使晶体管Q1 Q2的集电极电流约为1mA 其集电极对地的电压约为15V Q1 Q2的参数尽可能对称 电压放大级晶体管Q4的集电极电流约为6mA 以上参数只能作为参考 因为有时这些调节会相互影响 需要反复调节 取比较合适的值 静态工作点调好了 说明电路处于正常工作状态 下面观测动态波形 将信号源输出频率为1000Hz 幅度为1 4V的正弦波接到差分放大器的输入端 这时输出信号应该是幅度为14V 频率为1000Hz的不失真的正弦波 如果出现波形失真 则可调节R17 如果出现高频自激 可在负载两端并联电容 以使输出等效负载呈纯阻 还可以减小晶体管Q3的并联电容 减小电压增益的方法来减小高频自激 数字音量控制电路板主要是调节NE555的脉冲宽度和CD4516可逆计数器的状态 S1接地时减法计数 S1接 5V时为加法计数 下面进行级联调整 将前置放大器的输出端与功率放大器的输入端连接 信号源输出1000Hz 幅度为100mV的正弦波 调节前置放大器的电位器R10 使功率放大级的输出信号Vo的幅度为14V 如果达到要求 说明这两级电路级联后能够正常工作 否则对各级的静态参数进行修改 再接入数字音量控制电路板 即将R10移去 放大器A1的输出端接数字音量电路板的输入端 数字音量电路板的输出端接放大器A2的输