功率放大电路设计毕业设计

1、毕 业 论 文功率放大电路设计目录摘要前言第一章 放大电路的性能指标1.1 放大倍数1.2 输入电阻ri (3) 输出电阻ro1.3 输出电阻ro1.4 通频带1.5 失真度1.6 频率响应1.7 音调控制范围1.8 信噪比第二章 功率放大电路概述2.1 功率放大电路的特点2.2 主要技术指标2.3 功率放大电路中的晶体管2.4 功率放大电路的分析方法第三章 功率放大电路的组成3.1 为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路3.2 变压器耦合功率放大电路3.3 无输出变压器的功率电路3.4 无输出电容的功率放大电路3.5 桥式推挽功率放大电路 第四章 互补功率放大电路 4.1 ocl电路的组成及

2、工作原理 4.2 ocl电路的输出功率及效率 4.3 ocl电路中晶体管的选择致谢参考文献 摘要 该课题主要讲述了：功率放大电路的发展过程，功率放大电路的原理，组成，分类，性能指标及对性能指标的分析，各个类型放大电路的特点及使用场合，整个放大电路的分析，设计，以及对在设计放大电路过程中出现的一些相关问题的解决方案，功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率输出。根据高频功率放大器输出功率不同，有便携式毫瓦级小功率，还有千瓦或兆瓦级的大功率高频功放。无论是小功率还是大功率，其输出高频信号的功率都是由直流电源的能量经功率放大器转化而来，实践证明，功率放大器工作在甲类（a）状态效率最低；乙类（

3、b）状态效率比甲类高；丙类（c）状态效率更高。为了获得高效率，高频功率放大器通常工作在丙类状态关键词：放大电路、前言 在无线电广播和通信的发射机中，高频载波信号由振荡器产生，一般情况下，高频振荡信号的功率很小，不能满足天线对发射功率的要求，需要对高频信号进行功率放大。在发射机中完成功率放大的电路称作高频功率放大电路。高频信号的基本特征是其频率高，能以无线电波的形式发射，因此，高频功率放大电路也称射频功率放大电路。高频功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率输出。根据高频功率放大器输出功率不同，有便携式毫瓦级小功率，还有千瓦或兆瓦级的大功率高频功放。无论是小功率还是大功率，其输出高频信号

4、的功率都是由直流电源的能量经功率放大器转化而来。根据采用的负载不同，高频功率放大器可分为窄带功率放大器和宽带功率放大器。窄带功率放大器是以选频网络为负载。因此又把它称为谐振功率放大器。宽带功率放大器是以宽带传输线变压器为负载。因此又把它称为非谐振功率放大器。宽带功率放大器可解决窄带功率放大器难于迅速变换选频网络中心频率的问题。宽带功率放大器的负载不具有滤波能力。所谓窄带信号是指带宽远小于中心频率的信号。例如，中波广播电台的带宽为10khz,如果中心频率为1000khz，则它的相对频带宽度只有1。按功率放大管导通角的不同，高频功率放大器可分为甲类、乙类、丙类、丁类等；所谓功率放大管导通角，是指放

5、大管在一个信号周期内导通时间的长短。如果在信号的正负半周，功放管始终处于导通状态，则称功放管处于甲类工作状态，所组成的功放电路也就称为甲类功放电路；如果功放管在信号的半个周期内截止，半个周期内导通，称电路为乙类功放电路。如果功放管只在正半周的一小部分时间内导通，即只有正半周的信号超过一定的幅度以后功放管才导通，信号在负半周及正半周输入信号幅度较小时均不导通，称电路为丙类功放电路。实践证明，功率放大器工作在甲类（a）状态效率最低；乙类（b）状态效率比甲类高；丙类（c）状态效率更高。为了获得高效率，高频功率放大器通常工作在丙类状态。本章首先讨论工作在丙类状态的谐振功率放大器，然后讨论宽带功率放大器

6、的工作原理。第一章 放大电路的性能指标1.1 放大倍数输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图所示。图5-1放大倍数的定义电压放大倍数定义为电流放大倍数定义为功率放大倍数定义为1.2 输入电阻ri输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，ri大，放大电路从信号源吸取的电流则小，反之则大。ri的定义见图和式(03.04)图5-2输入电阻的定义1.3 输出电阻ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，ro大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。ro的定义

7、见图和式(03.05)。图(a)是从输出端加假想电源求ro，图(b)是通过放大电路负载特性曲线求ro。 图6-1 图6-2(a) 从输出端求vo (b) 从负载特性曲线求输出电阻的定义根据图03.04(b)，在带rl时，测得 ，开路时输出为 。根据式（03.05）有 注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。1.4 通频带 放大电路的增益a(f) 是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数通常都要下降。当a(f)下降到中频电压放大倍数a0的时，即 a(fl)=a(fh)= (03.07)相应的频率fl称为下限频率，fh

8、称为上限频率，如图03.05所示。 图7-1通频带的定义1.5 失真度 通过功率放大器放大在、输出信号应该同输入信号内容完全相同，只是幅度（电压）不同而已。也训是说，功率放大器推动扬声器发出的声音应该同讲话人的声音完全一样，只是音量大小不同而已。事实上，通过扬声器放出的声音同讲话人的声音多少会有一些区别。质量低劣的功率放大器发出的声音甚至同讲话人的声音相差很远，有时还产生闷塞、沙哑的声音。我们把功率放大器输出信号同输入信号不同，产生畸变的这种现象叫做失真。 音频信号通过功率放大器后，由于非线性元件所引起的各种谐波成份，新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。普通功放约1.2%；

9、优质功放约0.010.003%。由于测量失真度的现行方法是单一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标。故高质量的放大器有时还注明互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。( l)互调失真(imd)：将互调失真仪输出的125hz与lkhz的简谐信号合成波，按4:1的幅值输入到被测量的放大器中，从额定负载上测出互调失真系数。(2)瞬态失真(tim)：将方波信号输入到放大器后，其输出波形包络的保持能力来表达。如放大器的转换速率不够，则方波信号即会产生变形，而产生瞬态失真。主要反映在快速的音乐突变信号中，如打击乐器、钢琴、木琴等，如瞬

10、态失真大，则清脆的乐音将变得含混不清。(3)瞬态互调失真：将3.15khz的方波信号与15khz的正弦波信号按峰值振幅比4:1混合，经放大器后，新增加全部互调失真的产物有效值与原来正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回环负反馈，瞬态互调失真一般较大，具体反映出声音呆滞、生硬、无临场感；反之，则声音圆滑、细腻、自然。 为了定量表示失真的大小，我们把输出信号各次谐波电压有效值的总和同基次波电压有效值的比，用百分数表示，叫做功率放大器的谐波失真，或失真度，它可以通过失真度测量议直接测量出来，一般功率放大器的失真在7%以下，高传真功率放大器的失真度在1%以下，10%以上的失真，人耳可以分辨出来。1.6

11、 频率响应 在振幅允许的范围内l放大器能重放声音的频率范围。在额定的频率范围内，输出电压幅度的最大值与最小值之比，以分贝数(db)来表示其不均匀度。普通功放的频率响应为20hz-20khz约(+/-)l-3db；优质功放的频率响应为20hz-20khz约+/-0.1db。 我们知道不同乐器或不同的人发出的声音都不是由单一频率信号组成，而是由各种频率成分构成的频谱所组成的，一个乐队既有发声频率较低的乐器，又有发声频率较高的乐器，演奏起来占有很宽的频谱，听起来是十分悦耳的，这一频谱范围可以接近整个音频范围，即20hz-20khz,如果用功率放大器来放音，那就要求功率放大器对每一频率成份的信号都具有

12、相同的放大倍数，这时听起来才同真正乐队演奏具有同样的效果，如果高音频的放大倍数小了，听起来就会感觉到声音发闷，含混不清;如果低音频的放大倍数小了，听起来就显得单调，缺乏浑厚的感觉。 我们用频率响应（简称频响）这个指标来衡量功率放大器对不同信号放大倍数的均匀程度，当然我们希望功率放大器对整个音频信号的放大倍数完全相同，事实上，由于晶体管高频特性、耦合电容等的影响，功率放大器只对一般频率的音频信号的放大倍数才是相同的，对频率很低或很高的放大倍数都会减少，一般功率放大器的频率响应在100hz-10kz 加减2db 范围内，高传真功率放大器的频率响应可以达到20hz-20kz1.7 音调控制范围 声音

13、中最强与最弱的比值，用 db表示。例如一个乐队的动态范围为90db，这意味着最弱部分的功率比最响部分的低90db。动态范围是功率之比，与声音的绝对水平无关。如前所述，人耳的动态范围从0到130db。自然界各种声音的动态范围的变化也是很大的。一般语言信号大约只有2045db，有些交响乐的动态范围可达30130db或更高。但由于一些因素的限制，音响系统的动态范围很少能达到乐队的动态范围。录音装置的内在噪音决定了可能录制的最弱音，而系统的最大信号容量(失真水平)限制了最强的音。一般把声音信号的动态范围定为100db， 有音调控制的功率放大器，能对高、低音进行提升或衰减，为衡量提升的能力引入了音调控制

14、范围的概念，低音控制范围一般指在输入100hz信号时，低音控制电位器对这个信号输出电压的控制范围，并用分贝表示，在输入5khz或10khz信号时高音控制电位器对这个信号输出电压的控制范围。1.8 信噪比 功率放大器额定输出电压与无信号输入时实测噪声电压比称为信号噪声比，简称信噪比，通常以分贝数来表示。信噪比：301og(额定输出电压噪声电压)普通功效的信噪比约6o-90db；专业级功效信噪比要求大于100db。信噪比线路中某一参考点的信号功率与无信号时固有的噪音功率之比值，用 db表示。例如，某磁带录音座的信噪比为50db，即输出信号功率比噪音功率大50db。信噪比数值越高，噪音越小。国际电工

15、委员会对信噪比的最低要求是前置放大器大于等于63db，后级放大器大于等于86db，合并式放大器大于等于63db。合并式放大器信噪比的最佳值应大于90db；收音头：调频立体声之50db，实际上以达到70db以上为佳；磁带录音座之56db(普通带)，但经杜比降噪后信噪比有很大提高。如经杜比 b降噪后的信噪比可达65db，经杜比 c降噪后其信噪比可达72db(以上均指普通带)；激光唱机的信噪比可达90db以上，高档的更可达l10db以上。 功率放大器接通电源，不输入信号，距离功率放大器较近的时候，可以听到轻微的噪声，功率放大器的噪声有两类：一类是有规律的低频哼哼声，这是交流电源引起的交流声;还有一类

16、是沙沙声，这是晶体管本身的噪声引起的。 当有输出信号的时候，噪声就被信号掩盖了，在功率功率放大器输出功率大收听者一般距扬声器远一些，所以噪声大一些也影响不大，小功率功率放大器输出功率小，收听者距扬声器较近，所以要求噪声小，用信号噪声比（简称信噪比或信杂比）来衡量功率放大器噪声的实际效果是很有效的。第二章 功率放大电路概述2.1 功率放大电路的特点1、主要技术指标1.最大输出功率pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为poiouo。最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率2.转换效率 功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直

17、流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。3.最大输出电压uom2.2、功率放大电路中的晶体管在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。晶体管集电极电流最大时接近icm晶体管管压降最大时接近u（br）ceo晶体管耗散功率最大时接近pcm如何选择功放管？要注意极限参数的选择，还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施2.3、功率放大电路的分析方法采用图解法第三章 功率放大电路的组成3.1为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路图12-1小功率共射放大电路的输出功率和效率分析1. 无输入信号作用时：2.直流电源提供的直流功率为icq vcc，即图中矩形ab

18、co的面积。集电极电阻rc的功率损耗为i2cqrc 即图中矩形qbcd的面积。晶体管集电极耗散功率为icq uceq即图中矩形aqdo的面积。2.在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波：3.直流电源提供的直流功率不变r/l(=rc/rl)上获得的最大交流功率p/om为即图9.1.1中三角形qde的面积负载电阻rl上所获得的功率po仅为pom的一部分。3.结论：共射放大电路输出功率小，效率低（25），不宜作功放。3.2 变压器耦合功率放大电路1.电路图13-12.工作原理：变压器原边线圈电阻可忽略不计，直流负载线 垂直于横轴且过(vcc ，0)。电源提供的功率为pvicq vcc ，全部消

19、耗在管子上。rl等效到原边的电阻为则可作出交流负载线在理想变压器的情况下，最大输出功率为在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波直流电源提供的功率不变：pvicq vcc 电路的最大效率为: pom / pv =50 3.实用的变压器功率放大电路希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供的功率也随之增大，从而提高效率。变压器耦合乙类推挽功率放大电路图14-1电路分析：无输入信号，二管截止有输入信号，二管交替导通重要概念：推挽同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。重要概念：功率放大电路的分类在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在

20、信号整个周期内导通情况分类三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。图14-23.3 无输出变压器的功率电路output transformerless（otl电路）用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百几千微法的电解电容器)，如图15-1。图15-1 otl电路1.电路结构特点：单电源供电。t1和t2特性对称2.工作原理分析：静态时：前级电路应使基极电位为vcc/2，发射结电位为vcc/2 ，故电容上的电压也vcc/2。工作时：t1和t2轮流导通，电路为射极跟随状态。3.otl乙类功放电路存在的问题：otl工作在乙类工作状态，会出现交越失真。4.问题：如何消除？（15-2解决）3.4

21、 无输出电容的功率放大电路output capacitorless（ocl电路）1.电路图图15-1 ocl电路2. 电路结构特点：双电源供电,t1和t2特性对称3.工作原理分析：静态时: t1和t2均截止，输出电压为零。工作时: t1和t2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。重要概念：互补不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。3.5 桥式推挽功率放大电路 balanced transformerless（btl电路）图16-1btl电路1.电路结构特点：单电源供电，四只管子特性对称2.工作原

22、理分析：静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。工作时，当ui0时 ，t1和t4导通，t2和t3 截止，负载上获得正半周电压；当ui0时 ，t2和t3导通，t1和t4 截止，负载上获得负半周电压。因而负载上获得交流功率小结：1.功率放大电路是在电源电压确定的情况下，以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常常工作在尽限应用状态。2.低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、otl电路、ocl电路和btl电路。复习：1.功放电路的性能指标：最大输出电压、最大输出功率和效率 2.功放电路的分类：甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类 变压器耦合、otl、ocl和btl第四章 互补功

23、率放大电路4.1 ocl电路的组成及工作原理4.1.1、电路组成1.电路结构特点：乙类互补功率放大电路如图9.2.1所示。它由一对npn、pnp特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为ocl互补功率放大电路。图9.2.1 乙类互补功率放大电路2.工作原理分析：当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时npn型三极管导电，有电流通过负载rl，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。 当输入信号处于负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时pnp型三极管导电，有电流通过负载rl，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。 于是两个三极管一个正半周、一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和

24、负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。如图9.2.2所示。(a) 波形图(动画17-1) (b) 交越失真(动画17-2)图9.2.2乙类互补功率放大电路波形的合成 严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。3.如何消除交越失真可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图9.2.3所示。 (a)利用二极管提供偏置电压 (b)利用三极管恒压源提供偏置图18-1甲乙类互补功率放大电路4.2 ocl电路的输出功率及效率1最大不失真输出功率pomax设互补功率放大电路为乙类工作状态

25、，输入为正弦波。忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为 2电源功率pv直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。显然pv 近似与电源电压的平方成比例。 3三极管的管耗pt电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然 （19-1） 将pt画成曲线，如图9.2.4所示。显然，管耗与输出幅度有关，显然管耗与输出幅度有关，图17.05中画阴影线的部分即代表管耗，pt与vom成非线性关系，有一个最大值。可用pt对vom求导的办法找出这个最大值。ptmax发生在vom=0.64vcc处，将vom=0.6

26、4vcc代入pt表达式，可得ptmax为 （19-2）对一只三极管 图19-1乙类互补功率放大电路的管耗4效率当vom = vcc 时效率最大，=/4 =78.5。 （19-3）4.3 ocl电路中晶体管的选择一、最大管压降 ucemax=2vcc 二、集电极最大电流三、集电极最大功耗在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数buceo2vccicmvcc/rlpcm0.2pom 例9.2.1在图9.2.2所示电路中已知vcc 15v，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降uces 3v，电压放大倍数约为1，负载电阻rl 4欧，（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8v，

27、则负载上能够获得的最大功率为多少解（1）（2）因为uoui，所以uom8v。最大输出功率小结：1.功放的输入信号幅值较大。分析时应采用图解法。（1）求出功放电路负载上可能获得的交流电压的幅值，（2）求出功放电路负载上可能获得的最大交流功率（3）求出电源提供的直流平均功率（4）求出转换效率2.ocl电路为直接耦合功率电路，为了消除交越失真，应工作在甲乙类状态。9.3功率放大电路的安全运行（略）9.3.1功放管的二次击穿9.3.2功放管的散热问题结论 功率放大器是在大信号状态下工作，不能用微变等效电路分析，只能用图解法分析。由于输出功率大，提高电路效率是关键，它一方面是能充分利用直流电源功率，另一

28、方面又可以减小管耗。 对于甲类变压器耦合功率放大电路静态功耗大，它的理想的最大效率约50%，如考虑vces和 实际只有30%左右，现在基本上已不用。对于乙类变压器耦合功放，h比甲类高，还可充分利用直流电源，但频率特性差，体积大，不利于小型化、集成化。互补对称电路属于直接耦合放大，频率特性好，体积小，易于集成，但要求电源电压高，负载不能太大。 大信号状态下工作的晶体管，不可避免地存在非线性失真较大的矛盾，解决方法可在电路中加负反馈(第六章介绍)。 功放电路的效率不可能达到100%，消耗在功放管上的电功率转换成热能的形式，因此，功放管都必须加散热片。 .功率放大器的输出功率大，因此要求放大器的效率要高。对电压放大器，由于静态电流小，输出功率很小，效率不是主要的。为了提高功放电路的效率，功放管应尽量工作在接近乙类状态，并要注意功放管的散热。 .功放电路的输出功率计算 （21-1）图4.2.2变压器耦合推挽功率放大器 上式中