基于场效应管的功率放大器电路

1、基于场效应管的功率放大器电路 摘要：本设计低频功率放大器主要包括前级放大电路、中间放大电路、功率放大电 路以及显示电路四个部分。其中，前级电压放大采用基于运放的反相比例二级放大形 式，能够得到后级输入所需的放大信号值;带阻滤波电路采用二阶有源滤波器，使阻 带频率范围控制在40HZ60HZ之间，并在50HZ频率点输出的衰减n6dB ;功率放 大电路末级采用分立的大功率MOS晶体管，在输入有效值5mV信号下保证了功率 输出大于5W;系统最终通过液晶显示整个电路输出功率、直流电源功率以及系统的 工作效率。设计完成的放大器达到了要求。 关键词：低频功率放大器；功率放大电路；场效应管 目录 1绪论3 2

2、低频功率放大器概述4 2.1低频功率放大器的基本要求4 2. 2低频功率放大器的分类4 2. 3功率放大电路的主要特点5 3基于场效应管的功率放大器电路的设计6 3.1基于场效应管的功率放大器电路的要求和内容6 3. 2系统总体设计方案6 3. 2. 1设计思路7 3. 2. 2各模块方案选择和论证7 3. 2. 3各模块的最终方案确定9 3. 3系统电路设计10 3. 3. 1前置放大电路10 3. 3.2中间放大级10 3. 3. 3功率放大级11 3. 3. 4测量和显示部分12 3. 3. 5测量显示模块软件设计流程图12 3. 4系统测试14 3. 4. 1测试仪器14 3. 4.

3、2指标的测试15 3. 4. 2.1放大倍数的测试15 3. 4.2.2输入电阻的测试15 3. 4.2.3通频带的测试15 3. 4. 2. 4低频放大器效率的测试16 结论17 谢辞17 参考文献18 19 附件 1绪论 在模拟电子线路中信号经过放大后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功 能，例如推动喇叭发出声音，推动继电器实现控制等等。这些执行机构是把电能转换 成其他形式能量的器件，他们正常工作需要从电路中获取较大的能量。所以放大电路 的末级多有功率放大器组成，以便为负载提供足够的信号功率。本次设计就是基于场 效应管的功率放大器电路。随着现代社会电子科技的迅速发展，伴随着人们生活水平

4、 的提高，近年來随着国内外音响技术的迅猛发展，电子管音频放大器以他独特的魅力 重出江湖，各种电子管层出不穷，日新月异，成为广大音响爱好者追求的热点。全球 音频领域的数字化的浪潮以及人们对音频视频节能环保的要求，迫使人们尽快研究來 发高效，节能，数字化的功率放大器。低频功率放大器是一个技术相当成熟的领域， 几十年來人们为之付出不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识 上都取得了长足的进步。 功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了。低频功率放 大器的的设计是有很多意义的：它可将音源器材输入的较微弱信号进行放大，产生足 够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。目前低频

5、功率放大由分立元件组成，或集 电极输出完成，由分立元件组成的功放，电路结构简单，由集电极输出的功放，可减 少信号失真。以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。 在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使 用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业 功放。而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏，AV系统放音，以及卡拉OK娱乐的功放，通 常我们称为家用功放。本期只介绍跟我们家庭息息相关的家用功。 功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器。电子管放大器（俗 称“胆机”）釆用电子管作为放大器，其主要优点是动态范围

6、大、线性好、音色甜美悦耳。 但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性， 二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大、体积大，还会导致失真。 克服电子管功放的两个缺点，晶体管放大器阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性, 在声音的节奏感、力度上要比胆机明快、爽朗、有力；而且无需变压器，不仅节省成 本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。最后一种是集成电路放大器，它 最突出的优点是可靠性高、外围电路简单、组装方便，不足之处是电声指标（功率、 频响、失真度、信噪比等）和音质皆不如前两类放大器。 2低频功率放大器概述 2.1低频功率放大器的基本要求 功率放

7、大器和电压放大器是有区别的，电压放大器的主要任务是把微弱的信号电 压进行放大，一般输入及输出的电压的电流都比较小，是小信号放大器。它消耗能量 少，信号失真小，输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率， 它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器。它消耗能量多，信号容易失真, 输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列儿点基本要 求： 1. 具有足够大的输出功率 为了得到足够大的输出功率，三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参 数。 2. 效率要高 功率放大器是利用晶体管的电流控制作用，把电源的直流功率转换成交流信号功 率输出，由于晶体管有一定的内阻，

8、所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的 功率Po与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率H，用公式表示为: Po H =X100% PE 显然，功率放大电路的转换效率越高越好。 3. 非线性失真要小 功率大、动态范围大，由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与 减少非线性失真是有矛盾的，但是依然要设法尽可能减小非线性失真。 4. 散热性能好 2.2低频功率放大器的分类 2. 2. 1以晶体管的静态工作点位置分类 常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲 类、乙类和甲乙类3种，如图2.1所示。 (a)甲类功放的输出波形 (d) 3种工作状态

9、下对应的工作点位置 图2.1功率放大器的3种工作状态 甲类功率放大器 工作在甲类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在交流负载线的中点附近，如图 2.1 (d)所示。在输入信号的整个周期内，晶体管都处于放大区内，输出的是没有削 波失真的完整信号，如图2. 1 (a)所示它允许输入信号的动态范围较大，但其静态电流 大、损耗大、效率低。 乙类功率放大器 工作在乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界 处，即交流负载线和IB=O的交点处，如图2.1(d)所示。在输入信号的整个周期内， 三极管半个周期工作在放大区，半个周期工作在截止区，放大器只有半波输出，如图 2.1(b)所示。乙

10、类工作状态的静态电流为零，故损耗小、效率高，但非线性失真太大。 如果采用两个不同类型的晶体管组合起來交替工作，则可以放大输出完整的不失真的 全波信号。 甲乙类功率放大器 工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间，如图2. 1 (d) 所示。在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其 输出为单边失真的信号，如图2.1(c)所示。甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较 高。 2. 2. 2以功率放大器输出端特点分类 有输出变压器功放电路。 无输出变压器功放电路(乂称OTL功放电路)o 无输出电容器功放电路（乂称OCL功放电路）o 桥接无输出变压器功放电路

11、（乂称BTL功放电路）o 2. 2. 3功率管的安全使用知识 就功率管而言，为了保证其安全运用，必须做到以下几个方面： 避免发生集电结的击穿。 避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值凡。晶体管的集电极容 许损耗甩不是一个固定不变的值，它和器件的散热情况有关，根据环境温度和器件 的散热装置不同而有所不同。 功率管在工作时不能进入二次击穿区。 2.3功率放大电路的主要特点 2. 3. 1功率放大电路的任务和特点 基于输出较大功率的基本任务，对功率放大电路的讨论主要针对以下儿个方面： 大信号工作状态 为输出足够大的功率，功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大，因此，功 率放大管的动态工作

12、范围很大，功放管中的电压、电流信号都是大信号状态，一般以 不超过晶体管的极限参数为限度。 非线性失真问题 由于功放管的非线性，功率放大电路乂工作在大信号工作状态，必然导致工作过 程中会产生较大的非线性失真。输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非 线性失真就越严重。因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。 提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗 从能量转换的观点來看，功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号 的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而來的。任何电路都只能将直流电能 的一部分转换成交流能量输出，其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功 放管和电

13、阻上，并且主要是功放管的损耗。对于同样功率的直流电能，转换成的交流 输出能量越多，功率放大电路的效率就越高。因为功率大，所以效率的问题就变得十 分重要，否则，不仅会带來能源的浪费，还会引起功放管的发热而损毁。 3基于场效应管的功率放大器电路的设计 3.1基于场效应管的功率放大器电路设计的要求和内容 设计并制作一个基于场效应管的功率放大器电路，要求末级功放管采用分立的 MOS 管。 基本要求： 低频功率放大器可以实现以下功能： 当输入正弦信号电压有效值为5mV时（即峰峰值为7mv时，）在8Q电阻负载 （一端接地）上，输出功率25W,输出波形无明显失真。 通频带为20Hz20kHz o 输入电阻为

14、600 Qo 功率放大器的整机效率尽量提高。 具有测量并显示基于场效应管的功率放大器电路输出功率（正弦信号输入 时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。 在满足输出功率25W、通频带为20Hz20kHz的前提下,输入信号幅度可降。 3.2系统总体设计方案 3.2.1设计思路 根据设计任务与要求，本系统由低频功率放大器、测量电路和显示电路组成。其 中功率放大部分包括：前置放大级、中间放大级和功率放大级。测量显示部分包括： 电压电流的数据釆集，数据分析和显示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的 设计方案并进行了论证。最终确定系统框图如图3.1所示。 低频功率放大器 测量电路

15、 显示电路 图3.1系统结构方框图 3.2.2各模块方案选择和论证 高效率、宽带功率放大器的类型选择 我们知道，为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲 类（0 二360, n 50% ）至1乙类（0二180, H W7 /* P2 口方向0 */ /sfiPlMl=0 x92; /* P2 口方向0 */ /sfi- P2M0=0 xAl; /* P2 口方向0 */ /sfi- P2Ml=0 xA2; /* P2 口方向0 */ /sfi- P3M0=0 xBl; /* P3 口方向0 */ /sfiP3Ml=0 xB2; /* P3 口方向0 */ /sfi- ADC

16、_CONTR =0XC5; /sfi- ADC_DATA=OXC */ sbit ADC1=P1A1; unsigned char aa5=0; xdata unsigned char DisplayBuf5=0; /* * void delay(unsigned mt t)/* 延时函数 */ unsigned mt ij; fbr(i=O;it;i+) forO=0;j10;j-+-t-) void xianppo(unsigned int dvz) aa0=dvz/10; aal=7; aa2=dvz%10; aa3-w!; 21 浙江工商职业技术学院机电工程学院毕业设计 Displav

17、BufO=aa 0+48; DisplavBuf 1 =aa 1; DisplavBuf2=aa2+48; DisplayBuf3=aa3J; void xiandianya(unsigned int dy) aa0=dy/10; aal=7; aa2=dv%10; aa3=V; DisplavBuf0=aa0+48; DisplavBuf 1 =aa 1; DisplavBuf2=aa2+48; DisplayBuf3=aa3; void mam() unsigned mt flag=0; unsigned chai i=0; unsigned int dianya; unsigned in

18、t cliupp; rnitO; EA=1;/开总中断 PlM0=0 x02;/* P2 口方向 0*/ PlMl=0 x02; 22 浙江工商职业技术学院机电工程学院毕业设计 附录D：元件清单 型号 元件名称 封装 39k R27 AXIAL0.3 5.1k R28 AXIAL0.3 O.luF C12 RAD0.2 O.luF CIO RAD0.2 O.luF C5 RAD0.2 O.luF C14 RAD0.2 0.25 R12 AXIAL0.6 0.25 Rll AXIAL0.6 1 R16 AXIAL0.8 1 R17 AXIAL0.8 lk R2 AXIAL0.4 luF C22 RAD0.2 luF C21 RAD0.2 2.2k R5 AXIAL0.3 2.2k R4 AXIAL0.3 2.2uF Cl RAD0.2 2k R23 AXIAL0.3 2k R32 AXIAL0.3 4k R26 AXIAL0.3 4k R25 AXIAL