功率放大器设计

摘要功大器是一个以输出功率为重点的放大器。在这种放大器中，晶体管主要起的是能量转换的作用：把电源的能量转换为一种由信号控制的能量。此放大器主要解决了如何使得晶体管本身的损耗小但是却使得输出的功率大。从而以以输入信号的较小能量来控制由电源流到负载，使负载得到较大能量在本文中，所设计的功率放大器主要采用的是乙类推挽放大：就是使得两个管子交替工作。这两个管子分别在正，负半周交替工作。最后使得输出的波形进行合成。本设计主由推挽输出变压器，前置放大器、电源模块以及功率放大器组成。由于此设计省去了电源变压器，且电路简单，易调试，从而使得功放体积重量大大减少。关键词：工频信号功率放大器OCL功放，VMOS管第一章引言在电测仪表及其他领域，功放很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个系统正常工作的任务，这时就要在主机负载之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否能正常完成任务。1.1功率放大器的现状目前市场上使用的功率放大器的种类很多，分类方法也比较复杂。最常见的是按照工作方式分为：A型、B型、和AB型。A型指的是放大器每隔一定时间收集一次主机传输过来的音频信号，并将其放大后传输给扬声器，在这一个过程的“缓冲作用”保证了系统能够输出温和、平顺的声音信号。而B型功率放大器则是取消了前面所说的“缓冲作用”，放大器的工作一直处于适时状态，但是音质方面就要差一些。AB型放大器，实际上是A型和B型的结合，每个器件的导通时间在50%100%之间可以称的上是当前比较理想的功率放大器。1.2什么是功率放大功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。1.3常用的功率放大器在日常生活中，处理功率放大的问题时，有一下几种功率放大器可供选择：变压器耦合甲类功率放大器、乙类双管推挽功率放大器、无变压器的功率放大器，而无变压器的功率放大器中又有“OTL“互补对称推挽功率放大器、“OTL”准互补对称推挽功率放大器、“OCL”互补对称功率放大器。变压器耦合甲类功率放大器：级间耦合采用了变压器耦合方式。因为根据分析，为了使功率放大器有最大的不失真功率输出和高的效率，放大器中晶体管集电极回路必须要有个最佳电阻值，而实际的负载电阻值并不等于最佳值，所以需要用变压器进行阻抗变换，将实际负载电阻值变换到最佳值（称为阻抗匹配）。为保证做到这一点，输出变压器初次级圈数之比n应满足下面的关系：n=N初级/N次级=Rfz/Rfz其中Rfz为负载电阻，Rfz为最佳负载电阻。例如，若一功率放大路最佳负载电阻为375欧，所接扬声器音圈电阻为8欧时，变比n=375/87，即应选用初次级匝数比为7:1的输出变压器。类似地，输入变压器将使功率放大器和前级实现阻抗匹配。乙类双管推挽功率放大器：利用两只型号相同、主要参数相同的晶体管，采用变压器耦合组成工作在乙类状态的推挽功率放大器。其主要特点是两管交替工作，并将每管工作时所得半周期输出波形进行合成，完成不失真的放大。电路工作在乙类状态时，两管基极都未设偏置。由于晶休管输入特性曲线上存在一段“死区”，在信号正负半周交接的零值附近，出现没有放大输出的情况，反映到负载上就会出现波形的两半周交界处有不衔接的现象。这种现象叫“交越失真”，推挽放大器如果采用甲乙类放大方式，就可以大大减小交越失真。所以一般的实用电路，在静态时都要给晶休管加上一定的正向偏压。保证晶休管在信号电压较低时，仍处于良好导通状态。“OTL“互补对称推挽功率放大器:“OTL”是无输出变压器推挽功率放大器的意思。实际OTL电路不仅不使用输出变压器，而且还去掉了输入变压器。从推挽和波形合成的角度来讲，电路与变压器耦会推挽放大电路的工作原理是相同的。但这种互补电路利用PNP型晶休管和NPN型晶体管导电极性相反的特点，将两管分别接成射极输出器的形式；两管在作用上互相补偿，在连接上互相对称。它不需要专门的倒相电路就可以完成正负半周的放大，并在负载上合成波形。从理论上讲，这种电路需要使用正负两组电源。但是在实际电路中一般都采用一组电源供电。这时要在Rfz和两管发射极间串联一个大容量电解电容器，利用电容器充电后的直流电压代替一组电源。同时电容器又为交流信号提供了通路。此外，要给两管的基极加一定偏置，以避免产生交越失真。此电路革除了输人、输出变压器，为加深度位反馈、改善失真和提高放大器的性能创造了条件。“OTL”准互补对称推挽功率放大器：在要求输出功率大的场合，可以采用复合管代替互补对称管，构成OTL准互补对称推挽功率放大器。复合管系由两只晶休管采用复合接法构成的高B大功率管。我们选择功放中的复会管时，可以通过搭配，得到特性接近一致的两只管子。这就克服了较大功率的NPN管和NNP管特性难于一致的困难，避免了不对称引起的失真。“OCL”互补对称功率放大器：“OCL”电路是没有输出电容的互补对称电路。它与OTL电路的区别，是取消了单电源供电OTL电路中的输出电容C。这就使得OCL放大器在性能方面优于OTL电路在高保真（HiFi）扩音系统中被广泛采用。OTL电路中输出电容的接入是为了代替一组电源，实现单电源供电。但电容直接影响着放大器频率响应的扩展，带来频率失真。如果采用正负两组电源供电，输出电容就可以去掉了。无变压器功率放大器中还有采用输人变压器或利用推动管集电极、发射极输出相位相反来进行倒相的.1.4率放大的特点及原理由于功率放大器工作时，信号电压和电流的幅度都比较大，因此具有许多不同于小信号放大器的特点。功率放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。当晶体管在大信号工作条件下，工作点会上下大幅度摆动。一旦工作点跳出输入或输出特性曲线的线性区，就会出现非线性失真。所以对声频功率放大器来说，输出功率总要和非线性失真联系在一起考虑。一般声频功率放大器都有两个指标棗最大输出功率和最大不失真输出功率。前者说明放大器的最大负载能力，后者表示不失真放大的能力。例如，两台扩音机最大输出功率都是50瓦，但一台的最大不失真功率是40瓦，另一台的最大不失真功率是30瓦，那么的前者的性能就比后者要好点。此外根据工作状态的不同，可将功率放大器分为甲类、乙类和甲乙类三种。甲类放大器的特点是工作点选在输出特性曲线线性区的中间位置，信号电流在整个周期内都流通，失真小但效率低，输出功率也小。乙类放大器工作点选在基极电流等于零的那条输出特性曲线上，信号电流只在半周期内流通，效率高，输出功率大，但失真严重。而甲乙类放大器工作点既不象乙类放大选得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间小于半周期，工作性能介于甲类和乙类之间。具体情况如下图：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，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。1.5率放大器对元件的要求以及性能指标功率放大器通常工作在大电压、大电流的情况下，所以放大器中的元件要有一定的可靠性和稳定性。.由于功放级输出电流一般比较大，所以输出管的发射级一定要选用功率比较大的电阻。互补对称电路PNP和NPN复合管的最好要有数值相同的偏置电阻，误差不能太大。在OCL、OTL电路中做复合管基极偏置电阻的可调电阻器一旦接触不良。很容易因电流剧增而损坏功率管，所以需要等到调好后用电阻代替。在选择电容器时，一般采用的是电解电容，并且要选用漏电小、耐压高的优质电容器。电解电容的耐压值必须高于实际的工作电压。功率放大器的最终目的是为了获得较大的输出功率，所以在输出信号不失真的前提下，使得功放管的动态集电极电压和电流有最大的幅度。晶体管的主要极限多数是集电极允许电流ICM，反向击穿电压Bvceo，集电极最大允许耗散功率Pcm等，在选择晶体管时，这三项参数都不能超过晶体管手册绘出的数值。若是高保真声频放大器，还要考虑管子的频率特性。功率放大电路的性能指标是指输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数。输出功率指的是功放电路输送给负载的功率。包括额定功率（RMS）、最大输出功率、音乐输出功率（MPO）、峰值音乐输出功率（PMPO）。额定功率：一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率。常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。最大输出功率：在不考虑失真大小的情况，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率。音乐输出功率（MPO）：指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。可以用来衡量瞬间突发性输出功率的能力。峰值音乐输出功率（PMPO）：不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。频率响应：反映了功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力。失真：重放音频信号的波形发生变化的现象。信噪比：指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。输出阻抗和阻尼系数：输出阻抗指的是功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗。阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。1.6功率放大器的防护功率管是功率放大电路中最容易受到损坏的器件，损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值。另外，若功率放大器与扬声器失配或扬声器使用中长期过载，也极易损坏扬声器(或音箱)，因此，在音响设备中，防护的目的是保护昂贵的功放和扬声器，所以对电源、功放、音箱的过载和短路保护是完全必要的。1电源保护：电路中Ri的是过载电流取样电阻，当其电压大于0.7V时V13导通，集电极电位下降，调整管V11断开，限制电源输出电流其电路如下图2功放级晶体管保护：功率放大晶体管除在使用中必须注意环境温度及选用合适的散热器外，主要是考虑过电流和过电压保护问题，目前应用的集成电路都设有限流保护和热切断保护功能(如HAl350、HA2211、LM2879等)，所以在自制功放时须注意过压保护。3音箱扬声器系统保护：音响系统的保护有两种意义：一种是音响扬声器的过载；另一种不是音频功率的过大、而是直流电位的偏移，导致无电容隔离的OCL或BTL电路扬声器烧毁。过载时，功放电路已经有保护无须另外考虑。第二章、总体方案的设计在功率放大电路中，为了能够使晶体管本身的损耗小而输出的功率大，有三种方案供选择：单管甲类放大，OCL功率放大以及无电源变压器的功率放大。2.1方案的论证一、甲类单管功率放大这种方案的设计指出利用变压器耦合可以把管子转换出来的功率有效的传给负载。单管甲类放大利用变压器，通过选择合适的变比，可以把管子所能转换的功率有效的传给负载，因此效率要比把负载直接接到集电极时还高。但是即使这样，它的效率在理想情况下也只有50%，但是实际上由于变压器本身就具有损耗，在大电流时管子的饱和压降Uce和电源电压相比不能忽略，而且将射极电阻短路使Q点工作在额定损耗线上的做法，将引起管子的“热不稳定”，很容易损坏管子，所以射极往往要加一定的电阻，Q点也不能太靠近额定损耗线，这样一来使得实际的效率大概是百分之三十多一些。二、OCL功率放大OCL是英文OutputCapacitorless的缩写，意思是“没有输出电容器”的功放电路。OCL电路是指无输出耦合电容的功率放大电路。由于无输出电容，所以在OCL电路中需要正负电源才能工作。因为功放前置级管子耐压低，正负电源电压也不能太高，因此OCL功放需要通过电源变压器，把200V变成两路2040V交流电压，再经整流滤波后，产生士30士50V的正负直流对称电源供功放工作。这样电源变压器就使得功放体积和重量大大增加,例如,当需要100W功率输出时,则需约150W的电源变压器,一般情况下,电源变压器体积和重量约占整个功放的一半以上。三、无电源变压器的功率放大在无电源变压器的功率放大电路中，由电网220V直接整流，滤波产生300V直流高压，供功放工作，省去；了电源变压器，体积重量比传统的电路减少了一半；此外前后级采用了变压器耦合方式，强弱信号隔离，安全可靠。还有就是电路简单、无前置级、免调试、适合批量生产。电路中采用了VOMS管，功率可作至300W以上。由于管子在静态下基本不取电流，所以损耗很小。由于无电源变压器的功率放大省去了电源变压器，电路简单，易调试，使得功放体积重量大大减小。采用这种方案比较合适。第三章、无电源变压器的功率放大电路的设计此方案可以归于乙类推挽放大，利用几个管子交替工作，最后将输出波形进行合成。为了保证管子能够交替工作，在输入端用了一个具有中心轴头的变压器，而在另一段则用另外一个具有中心抽头的变压器实现波形合成。但是这样容易引起交越失真，所以在电路中，由电阻R1、R2、稳压管VD1(4V)和C3组成栅极偏置电路。其电路图如下：+-Rf10KTC2V3vAB该电路总的来说可以由三大部分组成：放大电路，功率放大电路以及推挽输出变压器。在电路中，T1和T2由两个同型号及特性相同的V沟道VMOS管组成。在静态时,加在T1和T2栅极的电压Vg1和Vg2为4V,T1和T2则处于微导通状态,R1和R2一方面提供静态偏置电流,另一方面则在动态时起负反馈作用,静态时因为Vg1、Vg2、T1、T2特性相同,所以Is1=Is2。同时,输出变压器（或变流器）Tr2的原边两部分绕组绕向一致,匝数相等。所以在静态的时候，Tr2无磁通,负载RL无输出电压(或输出电流)。当有正弦信号Vin输入时,通过运算放大器A1驱动Tr1耦合变压器,（Tr1同时实现强、弱信号隔离）,将使得T1和T2栅极得到一个大小相等,极性相反的电压Vg1和Vg2,若在某一瞬间Vg1为负,Vg2为正,于是T1截止,T2导通,这时Tr2原边的下半边绕组有电流Is2流过,而上半边则没有,同理在Vin的另一半周情况则正好相反,T1导通,T2截止,Tr2的上半边有Is2流动,而下半边则没有,这样T1和T2轮流导通,而且大小相等,方向相反,所以副边Tr2将有一个正弦波的电流流过负载。在电路中C1、C2起到防止振荡作用,三个1欧姆电阻起到稳定工作点的作用。从负载两端输出的信号,经差分放大器A2及Rf,再反馈至A1的输入端与输入信号Vin进行比较,从而实现负反馈以稳定输出幅度,改善波形失真。3.1前置放大器的电路设计前置放大电路主要由运算放大电路以及差分放大电路两部分组成。通过运算放大电路放大输入信号，从而驱动耦合变压器，与此同时实现强、弱信号隔离，最终向T1、T2的栅极提供一个大小相同，但是极性相反的电压。如果Vg1是正的话,那么T1截止，T2导通。则Tr2有电流通过，而上半边没有电流通过。反之，则相反。这样，T1,T2轮流导通且大小相同，方向相反。而从负载两端输出的信号，则经过差分放大器和Rf后反馈到运算放大器的输入端与输入信号进行比较，以保证负反馈的实现和稳定输出幅度，改善波形失真。3.1.1运算放大电路运算放大电路就是采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、电阻、电容等元件以及他们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。运算放大电路广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中。一、运算放大电路的组成运算放大电路主要由输入级，中间级、输出级和偏置电路等四部分组成。它由两个输入端，一个输出端。其运算符号如下图：+-二、运算放大电路的参数计算运算放大电路分为反相闭环放大器和非反相闭环放大器。其中在本设计中的采用的是反相闭环运算放大器：+-A1R09C4Vin相关参数的计算：在反相闭环放大器中，输出/输入=R10/R93.1.2差分放大电路差分放大电路就是将两个输入端电压的差按照一固定增益放大的电路。通常用于功率放大器和发射极耦合逻辑电路。差分放大电路是普通的单端输入放大器的一种推广，只需要将差放的一个输入端接地。很多系统在差分放大器的一个输入端输入反馈信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，稳压电源，测量仪器以及信号放大。一、差分放大电路的计算+-VabA2R74560V0=-(R7/R4)*Ua+(1+R7/R4)*(R6/(R5+R6)*Ub在此系统中：3.2功率放大电路的设计在本系统中，功率放大电路主要采用的是乙类推挽放大电路。这种放大电路的原始设想是使得两个场效应管都工作在乙类放大状态。一个在正半周工作，另一个工作在负半周工作。进而设法将两个输出波形在负载回路合在一起就能得到一个完整的波形。采用这种放大电路具体解决了“两管交替工作”和“输出波形合成”两个特殊问题。适用于低电压大电流的场合，广泛应用于功放电路和开关电源中。其结构简单，导通损耗小其具体电路如下图：.10KTCR2这种功率放大电路主要由大功率的N沟道VMOS管、耦合变压器、稳压管构成。稳压管起栅极偏置作用。防止产生交越失真。电路通过耦合变压器使得VMOS管在某一瞬间处于不同的工作情况。电路成功与否关键在于场效应管的合理选择。3.2.1场效应管所谓的场效应管就是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，由于其不仅具备双极型晶体管体积小，重量轻、寿命长等优点，并且输入回路的内阻高达10000000010000000000欧姆，噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比双极型晶体管耗电省。所以广泛运用于各种电子电路中。场效应管分为结型和绝缘栅型两种不同的结构。在本放大电路中我们所采用的是绝缘栅型场效应管。对于绝缘栅型场效应管而言，栅极与源极、栅极与漏极均被SiO2绝缘层所隔离且栅-源间电阻比结型场效应管大的多。如果在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，P型称底表层在正离子的作用下存在反型层。即漏-源之间存在导电沟道。只要在漏-源间加正向电压，就会产生漏极电流。当Ugs从零减少到一定值的时候，漏-源之间导电沟道消失，Id=0。此时的Ugs称为夹断电压。若MOS管工作在恒流区的时候，管子的耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区以上，并且由于漏极所连接的区域不大，无法散发很多的热量，所以采用MOS管