低频功率放大器的设计与制作

3章低频功率放大器的设计与制作设计任务与要求设计任务设计并制作具有弱信号放大力量的低频功率放大器，其原理框图如图3-1所示：要求

3-1低频功率放大器原理框图120mV，等效负载电阻RL为8Ω条件下，放大通道应满足：〔1〕额定输出功率Pout≥0.5W，输出波形无明显失真；带宽BW50Hz～10kHz；在Pout下的效率≥50%；在Pout下和BW内的非线性失真系数≤5%；前置放大器与功率放大器承受+12V单电源供电。2、在放大通道的输入端接入驻极体，应能放大不失真的语音信号。3、自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。低频功率放大器的总体方案设计依据系统原理框图及要求，低频功率放大器的总体电路构造如图3-2所示：A 200Ω BR

K +12V103 + 1

104μC C100Fμ3 2

C11000μFC132K R26 R4

100K1MR RP11 2μK +μ+4.7μF5.1K+

ICA2 1

μF

C10FR 91C4 R3 LM324+3 4

+6C ICB66 1

9 B74.7μF 1 87外100K供RA正 + 6A

100KR7

LM324 ++5 11 C7

3 6LM386 52 4 7IC2

220μF+C12弦ZL

K Kμ5 5 C10F0 Rμ5 5 1 1 8

K10 RPC18

++ C11

0.1μF BL号源3-2低频功率放大器电路构造图

103

C100.1μF Ω R0100161 3 2 9 5 6 7 7 1 1 电路工作原理：电路共分两级，第一级为前置放大局部，其次级为功率放大局部。电源经C、C、C滤除其中的干扰信号，其中电阻R是将微小信号放大级与功率放大级隔离，避开两级间的相互干扰，R是限流电阻，同时为驻极体供给适宜的静态工作电流。驻极体产生的微小信号经电容C1个运算放大器A的反相输入端，对输入信号进展电压放大，R、R、R、R分压，为运算放大器供给适宜的静态工作点，避开放大信号的失真。信号经C2B的同相输入端，此运放构成电压跟随器，用作前后级的阻抗匹配，抱负运放有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，可以抑制有用信号的衰减。信号经B7脚输出由电容C耦合到电位器RP，RP起到音量调整的作用，信号由RP的中心抽头再LM386318脚之间的电阻61 3 2 9 5 6 7 7 1 1 进而调整功率放大倍数。最终信号从5脚输出，经电容C 连接到扬声器。外围的R

支路构成大环12路电压并联负反响电路，稳定输出端的电压信号，减小非线性失真。3-1所示：

11 2序号标称名称规格9C序号标称名称规格9C8电容器103序号标称名称规格22RP1可调电阻器10K/0.125W1ZL驻极体3V14R1电阻器200Ω/0.125W2BL喇叭8Ω/0.5W15R2可调电阻器100K/0.125W3C1电解电容器1000uF/25V16R3电阻器5.1K/0.125W4C2电解电容器100uF/25V17R4电阻器51K/0.125W5C3电容器10318R~R5 8电阻器100K/0.125W6C4电解电容器4.7uF/25V19R9可调电阻器100K/0.125W7C5电解电容器10uF/25V20R10电阻器100Ω/0.125W8C~C6 7电解电容器4.7uF/25V21R11电阻器1M/0.125W10C9电解电容器10uF/25V23RP2可调电阻器100K/0.125W11C~C10 11电解电容器0.1uF/25V24ICA1集成运放LM32412C12电解电容器220uF/25V25ICB1集成运放LM32413C13电容器10426IC2集成运放LM386功能电路的设计、制作与调试前置放大电路的设计一、前置放大电路的方案比较方案一：利用三极管实现前置放大。三极管是一个电流掌握型器件，具有电流放大作用，利用其电流的放大力量来实现电压放大，调试工作量大，放大器性能参数受环境温度影响大，所用元器件较多，设计较简单。方案二：利用集成运放实现前置放大。运算放大器的内部实际上是经过优化设计后的三极管或者场效应管电路，它的开环增益格外高，可以通过在外围增加少量器件实现信号放大，使用便利，调试简洁，对噪声和干扰的抑制力量也很强，频率特性也得到改善。经比较，应选择方案二。二、主要元器件参数选择依据1、运算放大器选择型号：LM3242.3.3关于LM324简介。2LM324构成的前置放大器外围元器件的选择反相比例放大电路的根本关系式前置放大电路第一级承受反相比例放大电路，其根本电路如图3-5所示：RfV+ui Ri _uuo+R V-p3-5根本反相比例放大电路RRR被称为平衡电阻。f i p该电路根本关系式为：A u/uuf o i

R /Rf

(3.1)Auf

为闭环放大倍数，有时用20lgAuf

表示，记为分贝d；ui

uo

为输出信号。F1/(1Auf

)Ri

/(Ri

R) (3.2)f式中，F为反响系数。

R [R Rf ID

/(2F)]1/2 (3.3)式中，R 为集成运放开环差模输入电阻，通用集成运放R 一般在〔20KΩ~10MΩ〕之间；R为集成运ID ID o放开环输出电阻，通用集成运放R在数十欧姆至数百欧之间。R 为考虑R 、R、F影响的反响电阻最o f ID o佳值。R Rp f

//Ri

(3.4)Rsi

为放大电路的输入电阻。

R Rsi i

(3.5)R Rso o

(1FA) (3.6)Rso

为放大电路的输出电阻；A为集成运放的开环放大倍数。f GBWF/(2) (3.7)F式中，f 为闭环带宽；GBW为开环增益带宽积，其值等于单位增益带宽。F单电源反相比例放大电路+12V单电源供电。承受单电源供电时，需在同相输入端参加UCC

/2即6V的中点偏置电压，其静态〔ui

0〕输出电压Ujo

U /26V。当uCC

0时，输出电压在U

/26V的根底上随uCC

反相变化而不失真的放大。实际设计的单电源供电反相放大器构造如图3-6所示：R4R4i+C2111+uo4R3LM324+34C6R+6CRAUCC55V

3-6单电源反相比例放大电路CCU2CCP

≥0.5WR

=8ΩP

有效得out

L out RLU 有效

=2p-p

U =5.6V；输出沟通信号的峰值U 2有效 op2

U有效

222.8V，静态时输出电压U Ujo CC

/2，输出最大值Uom

U Ujo

。设计要求取UCC

12V，则Uom

LM324集成运放，当UCC

12V时饱和输出电压UB

U CC

U ，输出波形om不会产生饱和失真，满足要求。R5R6、C5RR的分压阻值的选择综合两方面因素考虑：5 6①稳定性：R、R5 6能耗增大；RR阻值越大，该支路的电流就会越小，在其上的能量损耗就越小，但阻值太大，其中5 6点偏置电压受负载电阻的影响就越大，即稳定性变差。由于本例中偏置电路的负载为集成运放的差模输入电阻，其值很大，故为耗电小，应使R5

R支路6RR5 6

100k，C5

为高频滤波电容，取C5

10uF/25V的电解电容。选择电压放大倍数A 、反响电阻R、输入电阻R、输入耦合电容C、输出耦合电容Cuf1 4 3 4 6①电压放大倍数A 的选择uf1由于放大通道的最小输入正弦信号电压的峰峰值U 20mV，则系统整机放大倍数ippUA pu Uipp

5.6V20mV

280，考虑到后级功放电压放大倍数可在20~200倍调整，故本级电压放大倍数取Auf1

F1/(1Auf

)1/(110)0.0909由式〔3.7〕得闭环带宽fF

GBWF/(2)，查LM324集成运放产品手册得GBW1106Hz，则f 11060.0909/(23.14)14.5KHz10KHz故AF

Auf

越大，反响系数FAuf

的取值范围在0.1~100为宜。R的选择4〔3.R4

[R RID

/(2F)]1/2LM324集成运放手册得RID

o

100，则R5106100/(2090)1/25，取系列值51k。4R的选择3由式〔3.1〕得，输入电阻R3

R/A4 uf1

51/105.1k，通常输入电阻R3

R4

的取值为1kΩ~1MΩ，并尽可能通过选择小阻值R3

Auf

1MΩ且阻值确实定误差较大。从提高Auf

R3

R1kΩ~100kΩ为宜。4④输入耦合电容C和输出耦合电容C的选择4 6输入输出耦合电容的主要作用是隔直通交，使前后级静态工作点不相互影响。输入耦合电容值由下式打算C1/[2f(Ri n

R)] (3.8)i式中，f10Hz；Rn

100Ωi

R3

5.1kC4

1/[210(05100)]3.12uF，取系列值4.7uF/25V，选用铝电解电容。通常放大电路输出耦合与输入耦合取全都，故C6铝电解电容。单电源同相电压跟随器

选用4.7uF/25V3-7所示：ACAC6R+54LM324117+C77R8RP1i uoA3-7单电源同相电压跟随器其输出电压等于输入电压，且跟随输入电压变化相位全都，故称为同相电压跟随器。利用其输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使前级放大电路和后级功放电路阻抗匹配。由于承受单电源供电，RR串联7 8支路供给U

/2RRR

RR

R R

CC 7 8

5 6

8 5 6C为前置放大电路的输出电容，亦可看作同相电压跟随器的输入电容，故其值由式〔 3.8〕得6C 1/[210(0R6

//R8

0.31uF；同理C7

为本级放大电路的输出电容，亦可看作下一级功放电路的输入电容，故其值由式〔3.8〕得C7

1/[210(0RP1

//Ri2

)]RP

为电压输出幅度调整电1位器，一般取值为10kRi2

为功放输入电阻，查LM386 集成功放手册Ri2

50kC 1/[210(010//501.91uFC7

、C、C4 6

4.7uF/25V铝电解电容。电源退耦电路3-8所示：A+C C3

BR1 +C C1

+UCC+12V3-8电源退耦电路其主要作用是滤除由电源引入的高、低频干扰信号。其中，C、C1 13

为功放电源退耦电容，C1

滤除低C1

220uF~1000uF1000uF/25V电解电容通常电解电容的耐压要大于电源电压的2倍以上故本例全部电解电容的耐压都取25V。C 滤13除高频干扰，一般取0.01~0.uF的瓷介电容为宜，本例取0.u〔即10，一般瓷介电容的耐压都在63V以上，故在图3-2104。注：C、C1 13

在焊接时距离LM3866脚尽可能近，这样退耦效果好。C、C2 3

为前置放大电路电源退耦电容，C2

滤除低频干扰，由于前置放大电路电源输出电流较小，故C47uF~220uF为宜，本例取100uF/25V电解电容。C2

滤除高频干扰，一般取0.01~0.1uF的瓷介电容为宜，本例取0.0u〔即10。注：C、C2 3效果好。

LM3244脚尽可能近，这样退耦R1

R1

200R1两端的压降U=0.2V，则流过R1

的电流I1

/2001mA ，则R1

的功耗PI2R1062000.2mWR200/0.125WR

1 1 1 1 11/8W的标准电阻。3、驻极体及其负载电阻值的选择驻极体话筒体积小，构造简洁，电声性能好，价格低廉，应用格外广泛。驻极体话筒必需供给直流电压才能工作，由于其内部有场效应管。具体内部构造如图3-9所示：3-9驻极体话筒内部构造VCC2D4VCC2D4S3-10驻极体典型外围电路R R2的大小可由下式算得：2

V UCC DSIDS

(3.9)式中：U —场效应管漏源极两端的电压U 必需大于话筒的工作电压〔通常在1.～12V之间，小DS DS于最大工作电压U 。太小将影响话筒的动态范围，故一般应取电源电压的1/2较为适宜。MDSI ——场效应管漏源电流I 等于驻极体的工作电流I，指静态时流过话筒的电流工作电流的离散性DS DS0.1～1mA之间。R2不仅是场效应管的负载电阻，在电路中它还与后续放大电路的输入电阻并联后共同构成话筒的负R

RL

3～5R2阻值过小常常会引起放大电路输入阻抗的降低，从而破坏前后级之间的阻抗匹配，使放大器的效率降低。在本电路中，V =12V，则V =V /2=6V，取I =0.1mA，依据式〔3.9〕计算可得R 60k，电路CC DS CC DS 2100k的滑动变阻器进展调整。三、主要元器件装配前的检测2.3.3。2、电容的检测2.3.2。3、驻极体的检测3-11所示：DDS3-11驻极体底部外观图从底部外观上看，与外壳〔地〕短路的半圆是源极S，而另外的半圆是漏极D。可以用数字万用表的蜂鸣档检测，将红黑表笔分别任意接触两个半圆和外壳，有蜂鸣声的一个半圆，说明与外壳〔地〕是短路的，则该半圆就是源极S。在图3-9中，在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。具体方法：将数字万用表拨至二极管蜂鸣档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，当测得电压为1.08V左右时，则红表笔接的是源极S，黑表笔接的是漏极D；当测得电压溢出时〔”，则红表笔接的是漏极D，黑表笔接的是源极S。20kΩ档，用红表笔接漏极DS1.62kΩ的阻值，1.3~3kΩ的阻值变化，并且吹气越强，变化幅度越大。四、前置放大电路的焊接与功能调试1、检查各元器件的好坏将前置放大电路的元器件依据上述检测方法进展检测，并将检测结果填入表3-3中：3-3前置放大电路元器件检查状况元器件识别及检测内容标称元器件识别及检测内容标称标称值(含误差) 测量值测量档位R1R2R电阻器3R4R5R6R7R8元器件识别及检测内容标称标称值(µF)介质C1C2C电容器3C4C5C6C7C13RP1驻极体 RP1驻极体 ZL质量好坏IC1LM324质量好坏3-2的前置放大电路构造，依次进展焊接；上电前检查，检查LM324的4、11脚是否与电源和地连接好，检查电路焊接质量，是否存在虚焊、漏焊的状况并准时改正；通电调试，通过直流稳压电源，产生+12V电压，将其接入到电路中，测试LM324各管脚直流3-4：3-4LM324各管脚直流电位管脚管脚123456711电压〔V〕由低频信号发生器产生频率为1KHz，电压10mV〔有效值，可用沟通毫伏表进展测量〕的正弦波信号ui送入C4电容的负极端用数字示波器在LM324的1脚可以观看到电压uo1与输入信号，电压有效值为mV，且放大倍数满足倍关系的正弦波，此运放满足 设计要求；在LM324的7脚可观测到uo2电压有效值为mV，与1脚波形方向的正弦信号，此运放满足设计要求。将波形绘制在表3-5中。3-5输入、输出电压波形输入电压输入电压ui波形周期幅度量程范围量程范围输出电压uo1波形周期幅度量程范围量程范围输出电压uo2波形周期幅度量程范围量程范围功率放大电路的设计一、功率放大电路的方案比较方案一：利用三极管实现功率放大。利用三极管可以构成OTL甲乙类互补对称功率放大电路，可以减小交越失真，改善输出波形；但此假设此电路静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大电流长时间流过负载，可能造成电路损坏，而且电路设计较简单，所用元器件较多，受温度影响明显。方案二：集成功放芯片，具有自身功耗低、更内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。经比较，应选择方案二。二、主要元器件参数选择依据1、功率放大器选择型号：LM386功率放大电路通常处于电子设备的最终一级，能供给足够大、不失真的信号功率，驱动功率负载如扬LM386外围元件少、电压增益可调、低失真度等优点。其内部电路如图3-12所示：3-12内部构造图LM386内部电路由输入级、中间级和输出级等组成。输入级由V2、V4组成双端输入单端输出差分放大电路，V3、V5是其恒流源负载，V1、V6是为了提高输入电阻而设置的输入端射极跟随器，R1、R7为偏置电阻，该级的输出取自V4、V5的集电极。R5是差分放大电路的放射极负反响电阻，管脚1、8开路201、8间外接旁路电容，以短路R5两端的沟通200。LM3868脚双列直插式塑料封装，管脚排列如图3-13所示：增益设定反相输入同相输入地

增益设定旁路电容12312348765输出3-13引脚排列LM3864～12V660mW300kHz〔1、8开路〕；50kΩ。LM3863-14所示：3-14典型应用电路1、83-14RPC2RP即可使集成功20～20073-10C5，C5可与R2组成直流电源去耦电路。中间级是本集成功放的主要增益级，它由V7和其集电极恒流源(I0)负载构成共放射极放大电路，作为驱动级。输出级由V8、V10复合等效为PNP管与NPN管V9组成准互补对称功放电路，二极管V11、V12为V8、V9供给静态偏置，以消退交越失真，R6是级间电压串联负反响电阻。3-14中，5脚外接电容C3为功放输出电容，以便构成OTL电路，R1、C4是频率补偿电路，用以抵消扬声器音圈电感在高频时产生的不良影响，改善功率放大电路的高频特性和防止高频自激。输入信号C132脚接地，故构成单端输入方式。2、功率放大倍数确实定依据前面的计算，系统总放大倍数应当为280倍，前置放大级选择放大倍数A 为-10倍，则功率放uf1281、8之间串接阻容电路的R9=50K，C9=10uF。三、主要元器件装配前的检测1、LM386的检测在万用表电池充分的状况下，利用数字万用表的二极管蜂鸣档，可快速检测LM386芯片的好坏。将数字万用表拨至蜂鸣档，用黑表笔接触11脚，红表笔依次接触其他管脚，假设测得的电压范围满足表3-6所示的电压，则说明LM386芯片电路完好。3-6LM386各管脚静态电压管脚1234578电压(V)0.85~0.860.63~0.651.39~1.450.63~0.650.77~0.780.840.82、扬声器的检测扬声器又称“喇叭”。是一种格外常用的电声换能器件，在发声的电子电气设备中都能见到它。扬声器有两个接线柱〔两根引线，当单只扬声器使用时两根引脚不分正负极性，多只扬声器同时使用时两个引脚有极性之分。一般试验室用的喇叭的正常电阻值是4、8、12或16200“喀喇”〔小喇叭能不会发声〔数字表输出电流太小喀喇”声即为正常。四、功率放大电路的功能调试1、检查各元器件的好坏将功率放大电路的元器件依据上述检测方法进展检测，并将检测结果填入表3-7中：3-7前置放大电路元器件检查状况元器件识别及检测内容标称元器件识别及检测内容标称标称值(含误差) 测量值测量档位电阻器R9R10R11RP2喇叭BL质量好坏元器件识别及检测内容标称标称值(µF)介质C8电容器C9C10C11C12IC2LM386质量好坏23-2的功率放大电路构造，依次进展焊接3、上电前检查检查LM386的64、通电调试接入+12V直流电源，测试LM3863-8：管脚12345管脚12345678电压〔V〕5、功能调试由低频信号发生器产生频率为1kHz，电压有效值为10mV的正弦波信号送入LM386的3脚，同时接入8Ω喇叭通过数字示波器在LM386的5脚则可观看到与输入信号电压有效值为mV，且放大倍数满足倍关系的正弦波，此电路满足 设计要求。6、负载对功率放大倍数的影响接入负载电阻R=8Ω，使输入信号电压Ui=10mV、f=1kHz，用沟通毫伏表测量输出电压U，计L oAu3-9中。R

=∞，重复上述步骤。L总结负载对功率放大倍数的影响。3-9负载对放大倍数的影响负载状况负载状况Ui/mVUo/mVA U/Uu o iRR=8ΩLR=∞L结论整机电路调试及测试结果分析1、两级联调，不加反响设置滑动变阻器RP=5〔101KH，110mV〔有效值，可用沟通毫伏表进