高保真音频功率放大器的仿真设计

1、电子技术课程设计报告 高保真音频功率放大器的仿真设计用途 供家庭音乐中心装置中作主放大器用 主要技术指标及要求1、正弦波不失真功率：大于5W在频率1KHZ、负载电阻8 Q、示波器观察不出明显失真的条件下考核，相当于输出电压有效值 6.325V 。2、电源消耗功率：不大于 10W在上述输出功率条件下考核。3、输入信号幅度：当输出功率为5W时，要求输入电压的有效值在200mV到400mV之间。在频率1KH,负载电阻8Q条件下考核，相当于电压放大倍数30 倍到 15倍之间。4、输入电阻：大于10KQ，在频率1KHZ的条件下考核。5、频率响应：50Hz到1KH。在功率5W负载电阻8Q的条件下考核，并要

2、求在频率响应范围内的所有频率点上，放大器都输出5W的功率而观察不到明显的失真。6、温度稳定性：维持 5W输出半小时，电源消耗功率应保持在10W以内。7、放大器应该稳定可靠地工作，在测试时或当输入线、输出线、电源线移动 时放大器不产生寄生振荡。元器件选择范围1 、 二极管2CP12以及以下各种三极管或稳压管改作二极管用。2、稳压管2CW1、 2CW、5 2CW1、1 2DW73、三极管9013,3DX201 ( 3 >80) ,3DG8( 3 >50), 3DG130( 3 >80),3CG23(500Mv, 3 50) , 3AD30( 3 >50) , 2Z730C(

3、f 3 >5KH, 3 >50), 3DD15( 3 >60), D73-50( 3 >50).4、场效应管3DJ6F5、运算放大器卩 A7416、电介电容器2200 卩 f/25V , 470 卩 f/16V , 100 卩 f/25V ,100 卩 f/15V , 10 卩 f/15V。7、金属膜电容器0.47 卩 f , 0.1 卩 f , 0.047 卩 f , 0.01 卩 f8、云母电容器470Pf， 200Pf， 100Pf8、瓷解电容器4700pf ， 2200pf， 1000pf9、电位器470 Q , 4.7K Q , 10KQ , 47KQ, 10

4、0KQ , 470KQ。10、绕线电阻0.5 Q /3W, 1Q /3W, 8Q /10W11、碳膜电阻1/8W及1/4W,从10Q至U 2MQ的各档E6系列标称值。四、 计算过程1、选择电路形式。OTC功率放大器通常是由功率输出级、推动级和输入级三部分组成。功率输出级有互补对称电路和复合管准对称电路之分，前者电路简单易行，但由 于大功率管B不大，故推动极要求有一定的功率，复合管准互补电路优点是大功率管可用同一型号，复核后3较大，推动级只要小功率管就可以了，但复合管饱和压降增大故电源电压要相对高一些，晶体管数目要多一些。 推动级通常是甲类放大，其工作电流应该大于功率管基极推动电流，故有 一定功

5、率要求。由于推动级电压幅度与输出级相同，通常采用自举电路来 达到，一般推动级都是共射极放大电路，具有一定的电压增益。输入级的 目的是为了增大开环增益，以便引入深度负反馈，改进电路的各项指标。 输入级与推动级之间有阻容耦合和直接耦合多种形式。本例采用较简单的 互补对称OTL电路。电路中二极管 D是为消除交越失真而设。Rn1Q电阻是稳定功率管静态电流用的。推动级的偏置由功放级引入电压并联负反馈形 式进行，起稳定工作点的作用。整体交流电压串联负反馈改善放大器各项 指标。2、电源电压的确定。当负载电阻一定时，电源电压的大小直接与输出功率有关。VCc.其中n为考虑各晶体管饱和压降及R11引起的损失而引入

6、的电源电压利用系数，通常n等于0.8左右，本题中Vx .=22V。3、功率级的设计功放管的要求：I cm=VCg/2Rl=1.375A.VCem=1/2Vcc=11V.Pcm=O.2Po=1W.查 3DD15( 50W 50V、5A、3 50), 2Z730C(50W 100V、15A 3 50)。完全 能满足要求而有余，故选用之。功率管需推动电流：I b3M=IcM/ 3 =1.375A/50=27.5mA。耦合电容C6:C6( 35) /2 n f lR 2000 卩 f ,取 2200 卩 f/25V.稳定电阻R1：过大则损失功率太大，过小温度稳定性不良，通常取0.51 Q ,现取 1

7、Q 2W4、推动级设计：IC2>I b3m=27.5mA取 I C2=30mAV cc2=Vc(=22V.Ir8M=V)2MR8=0.01V/470 Q =0.02mA。R7+Rw上反馈电流的峰值I R7M.IR7M= =1.7mA总推动信号交流峰值为：Im=I b2M+I r8m+I R7M=0.5+0.02+1.7=2.22mA5、输入级设计由于推动级需要 2.22mA的交流推动信号，故输入级静态电流应大于2.22mA,取lci=3mA推动级所需电压只0.2V，故输入级电压的配置可较随便。取F3、2、R为 2KQ、2KQ、1KQ .故各降落 6V、6V、3V,Vcc=22V-6V-6

8、V-3V=7V.V cc=Vc(-6V=16V,取 Ti 为 3DG6(100mV 20V、20mA 3 =100). Ibi=l ci/ 3=0.03mA。 3取 I rf4I bi= 0.12mA,贝UR 2= 55.8K 取 R?=47 Q (标称值)R i=沁 60.8K 取 R=47Q (标称值)耦合电容凭经验选取c =G=G=G=I00 f , G=G=I0 卩 f.6、负反馈设计取R5=i0 Q，不要太大以免降低总开环倍数。丫 bei=200+ (I+ 3 i)X 26/I ei=200+866=i066 Q。Ar i=- 3 i (R3/R 8 Y be/ ) /( Y bei

9、 + ( i+ 3 i) R5) -0.74.总开环倍数为：A =Ay iAy2Ay3, 4= (-0.74 ) X( -787 ) X i=582 倍。根据题意要求:Avf=VO/Vi=9V/300mV=30倍。故1+AvFv=582/30=19.4>10.所以是深度负反馈。Avf =1/Fv= ( R11-R5) /R5=30故Ri 2=290 Q,取R 2=100 Q (电阻)+470 Q (电位器)，以便于调试。7、电路指标运算(1 )不失真功率Po设TsT4的Vcer等大约要损失电源电压2V,则实际输出幅度VOm=Vcc/2-2=9V.2 2 F0=Vom/2RL=9 /(2

10、X 8)=5.1W>5W电源消耗功率PePe=VCVoM ( n R-) =9W<20W(3)灵敏度(可不计算闭环增益Avf)Avf(Rf+F5)/2= (290+10) /2=30.Avf=WVi= /Vi V= /Avf=/30=213Mv,满足要求，若不满足可调 R。(4)输入电阻RR=RR2 Y bei+ (1+ 3 1) FS(1+A vFv)=47/47/(2.076 X 19.4)=14.8K Q >10KQ符合指标要求。8、频率响应的分析低频响应取决于各级耦合电容及旁路电容，开环选取已考虑足够大，再加负反馈已无问题。高频响应主要由2Z730决定。因为它的fo=

11、5KHZ，而其他硅NPN晶体管频率都很高，由于深度负反馈，高频响应提高到10 KHz也没问题。图中增加了一只G,是为了消除寄生振荡而设计的，通常用一只不太大的电容即可，现取 100卩f/32V的电容值。五、电路的仿真及调试。1、 总图2、电路仿真及调试(1 )静态调试：直流条件下，改变电位器参数可使功放级中点电压为电源电压的 半，输出级中点电压Vo=1/2Vcc->S5.rrr- nr dwIfllII JE U(2)动态调试：输出功率Po在f=1kHz, FL=8Q，输出波形基本不失真时，测出输出电压值Vo必须大于6.325V，计算出输出功率大于5W上z- 丄<I-上*-HIf#

12、-IM i)rir输入输出波形基本不失真hr7LT* +z-i?J?测出输出电压6.4100V>6.325V，即输出功率大于 5W2）灵敏度测试在f=1KHz,RL=8Q, Po>5W时，测出 Vs的值，必须在 200-400mV之间。方法：使信号略减小 使输出电压V0保持约6.325V。测输入电压的值。亠一一-4亠一一测试结果为207.0mV,符合要求3）电源消耗功率：用电流表测量电源电流，计算电源消耗功率。II5X）5.卄）；如图所示，电源电流为l=414.1mA。P=UI=22VX 0.4141A=9.11W<10W符合要求。4）求输入电阻R。在放大器输入端串一只10K

13、电阻R,保持输出5W功率，分别测出 Ri前端电压Vi与后端电.压V2的值，计算出输入电阻。Qrl-一.I-r kunmjMAiFkdhmincurIOD4C2kC?tinif>».Irim_二 I 77-nitTtffip n如图所示，V=204.9mV, V2=162.7mV,+ -15 “J E( HR=V2R/(Vi-V2)=162.7 X 10/ (204.9-162.7 )=38.5k Q >10k Q。5）频率响应在上述情况下增加或减小输入信号频率（幅度不变），输出电压随之下降，当其下降到原来的0.707倍时，或输出波形产生明显失真，记下放大器的上下限频率值。

14、1L7.45C<33屛帳时11.24101.Z31O4 G.1D71 =.C7G& n.iiiHi33u-±ZKL1 _ * 十 uux 由上图可知，下限频率为17.4509Hz,上限频率为12.2916MHZ。符合要求。小结：本次仿真实验，刚看题目感觉无从下手。然后，上网查询相关资料，参考课程提供的 文件，计算出各元器件的参数，然后草草地在EWB软件中画出了草图，经过长时间的不断调整、调试，最终得出了这个成果。这次课程设计遇到的问题主要有：1、 电路不容易设计， 电路框图的参数不好确定。经过不断地计算、比较、调整最终确定了电路图，这个过程花了较多时间。2、 刚开始做静态、动态时调