功率放大电路设计毕业设计管理资料

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放大倍数输入电阻Ri (3)输出电阻Ro输出电阻Ro通频带失真度频率响应音调控制范围信噪比第二章 功率放大电路概述功率放大电路的特点主要技术指标功率放大电路中的晶体管 功率放大电路的分析方法第三章 功率放大电路的组成 为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路 变压器耦合功率放大电路 无输出变压器的功率电路 无输出电容的功率放大电路 桥式推挽功率放大电路第四章 互补功率放大电路OCL电路的组成及工作原理OCL电路的输出功率及效率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

2、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（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

3、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

4、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

5、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的工作原理。第一章 放大电路的性能指标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

6、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A = V /V(03.01)v o i电流放大倍数定义为A. = I. / I.(03.02)i o i功率放大倍数定义为(03.03)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，R大，放大电路从信号源吸i取的电流则小，反之则大。R的定义见图和式()iR =V /Ii i i(03.04)R =V /Ii i i(03.04)图5-2输入电阻的定义输出电阻Ro输出电阻是表明放大电路带负载的能力，R大，表明放大电

7、路带负载的能力差，反之o则强。R的定义见图和式()。o(03.05)图(a)是从输出端加假想电源求R ,图(b)是通过放大电路负载特性曲线求R。 oo图(a)是从输出端加假想电源求R ,图(b)是通过放大电路负载特性曲线求R。 oo5.3r勺人丰汚?： .Jr?r：.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(b)，在带R时，测得u ,/ ，开路时输出为V。根据式()有L o o oR =A“ /AI = (“ )/1 = (“ )R /“o o o o o o o o L o=(V /P ) 1R(03.06)o o L注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是

8、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。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)A(f)下降到中频电压放大倍数A的0时，即()A(fL)=A(fH)20.7AO()相应的频率f称为下限频率，f称为上限频率，。LHIIIIII扎A图7-1通频带的定义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

9、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。%；%。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。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

10、额定负载上测出互调失真系数。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，如瞬态失真大，则清脆的乐音将变得含混 不清。瞬态互调失真：: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

11、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。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+/。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

12、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

13、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-20Kz音调控制范围声音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

14、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。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60-90dB；专业级功效信噪比要求大于lOOdB。信噪比线路中某一参考点

15、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l10d

16、B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 功率放大电路概述功率放大电路的特点1、主要技术指标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

17、Po = IoUo。 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。直流功率等于电源输出电 流平均值及电压之积。、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、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P = (2)2R二 11 (IRR )0 m v

18、2 L 2 CQ CQ L负载电阻R上所获得的功率P仅为P的一部分。L O Om:共射放大电路输出功率小，效率低(25%),不宜作功放。变压器耦合功率放大电路00319.1.2单管变圧鸟帽合功曝放文电路3电踣 (b)00319.1.2单管变圧鸟帽合功曝放文电路3电踣 (b)區分箭直壷角载蝠 Z c图 13-1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Pv = ICQ Vcc，全部消耗在管子上。Rl等效到原边的电阻为NRR =(十)2 RL N L2P0mIV12 P0mIV12 CQ CC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

19、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：Pv=IcqVcC电路的最大效率为：Pom / Pv =50 %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电路分析：图14-1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。无输出变压器的功率电路Output Tra

20、nsformerless （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:单电源供电。T1和T2特性对称静态时: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：Ti和T2轮流导通，电路为射极跟随状态。OTL工作在乙类工作状态，会出现交越失真。:如何消除？（15-2解决）无输出电容的功率放大电路Output Capacitorless （OCL电路）图15-1 OCL电路电路结构特点：双电源供电,T1和T2特性对称：静态时：“和T2均截止，输出电压为零。工作时：T1和T2交替工作，正

21、、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。桥式推挽功率放大电路Balanced Transformerless （BTL电路）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；当叭2VCCICMVcc/RlPCM =15V,输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES =3V，电P = Uom =勒16 P = Uom =勒16 WO m R 4OmOm =CC CES2R)218W压放大倍数

22、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P 兀 P 兀 V U 耳=声=4.ycv二 0.628CC若输入电压最大有效值为8V,则负载上能够获得的最大功率为多少解(1) (2)因为UUi，所以UQm8V。最大输出功率小结：。分析时应采用图解法。求出功放电路负载上可能获得的交流电压的幅值，求出功放电路负载上可能获得的最大交流功率求出电源提供的直流平均功率求出转换效率，为了消除交越失真，应工作在甲乙类状态。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，另一方面又可

23、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VCE和殆实际只有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。1 功率放大器的输出功率大，因此要求放大器的效率要高

24、。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。2.功放电路的输出功率计算21-1)变压器耦合推挽功率放大器上式中的 V 为输出电压的幅值。由于功放管是工作在极限状态，输出电流很 om大，必须考虑管子的饱和压降 V ，因此最大输出电压幅值为 V -V ，最大输出 CES CC CES功率为功放电路的输出功率P是由直流电源供给的直流工率P转换得到的, oE这种转换不是百分之百的,因此提出电路效率的概念,效率可用式()进行计算(222)可见,效率与输出电压的幅值成正比。但不要错误地认为,为了提高电路效 率,尽量使输出功率大,因为输出功率大,电源供给的功率也大；另一方面功放 电路放大的的信号频率不是单一的频率,而是一个频带,其幅度相差十倍以上, 在实际运用中,为了保证幅度大的信号不失真,应使输出功率小。在不考虑功放管的饱和压降时,最大输出幅度为 V ,功放电路最大效率不CC可能超过p