模擬電子課程設(shè)計---高保真音頻功率放大器的設(shè)計與制作

1、<p>　　高保真音頻功率放大器的設(shè)計與制作</p><p>　　一．設(shè)計題目：高保真音頻功率放大器的設(shè)計與制作</p><p>　　二．設(shè)計要求：要求設(shè)計制作一個高保真音頻功率放大器，輸出功率10W/8Ω，頻率響應(yīng)20~20KHZ，效率>60﹪，失真小。</p><p><b>　　三．題目分析：</b></p>

2、<p>　　音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz～20 kHz，因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。</p><p>　　音頻功率放大器的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。</p><p>　　音頻功率放大器的特點(diǎn)：</p&g

3、t;<p>　　1. 輸出功率足夠大 </p><p>　　為獲得足夠大的輸出功率， 功放管的電壓和電流變化范圍應(yīng)很大。 </p><p><b>　　2. 效率要高</b></p><p>　　功率放大器的效率是指負(fù)載上得到的信號功率與電源供給的直流功率之比。 </p><p>　　3. 非線性

4、失真要小</p><p>　　功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、 電流擺動幅度很大，極易超出管子特性曲線的線性范圍而進(jìn)入非線性區(qū)， 造成輸出波形的非線性失真，因此，功率放大器比小信號的電壓放大器的非線性失真問題嚴(yán)重。 </p><p>　　功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補(bǔ)對稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽電路和變壓器耦合功放電路，等等。我選用

5、的是雙電源供電的OCL互補(bǔ)推挽對稱功放電路。</p><p>　　此推挽功率放大器的工作狀態(tài)為甲乙類。推挽功率放大器的工作狀態(tài)之所以設(shè)為甲乙類而不是乙類，其目的是為了減少“交越失真”。若設(shè)置為乙類狀態(tài)，由于兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)取在晶體管輸入特性曲線的截止點(diǎn)上，因而沒有基極偏流。這時由于管子輸入特性曲線有一段死區(qū)，而且死區(qū)附近非線性又比較嚴(yán)重，因而在有信號輸入、引起兩管交替工作時，在交替點(diǎn)的前后便會出現(xiàn)一段兩管電流均為

6、零或非線性嚴(yán)重的波形；對應(yīng)地，在負(fù)載上便產(chǎn)生了如圖1（a）所示的交越失真。 </p><p>　　將工作狀態(tài)設(shè)置為甲乙類便可大大減少交越失真。這時，由于兩管的工作點(diǎn)稍高于截止點(diǎn)，因而均有一很小的靜態(tài)工作電流ICQ。 這樣，便可克服管子的死區(qū)電壓， 使兩管交替工作處的負(fù)載中電流能按正弦規(guī)律變化，從而克服了交越失真， 波形如圖1（b）所示。 </p><p><b>　　圖1<

7、/b></p><p>　　OCL互補(bǔ)推挽對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負(fù)載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負(fù)載工作。</p><p>　　因此，需要設(shè)計兩部分，即驅(qū)動級和功率輸出級。由于題目是高保真音頻功率放大器的設(shè)計與制作，因此，必須保證其向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。</p>&l

8、t;p><b>　　四．整體構(gòu)思：</b></p><p>　　OCL互補(bǔ)對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負(fù)載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負(fù)載工作。</p><p>　　圖2 設(shè)計電路框圖</p><p>　　驅(qū)動級應(yīng)用運(yùn)算放大器μA741來驅(qū)動互補(bǔ)輸出級功放電路。</p>&l

9、t;p>　　功率輸出級由雙電源供電的OCL互補(bǔ)對稱功放電路構(gòu)成。</p><p>　　為了克服交越失真，由二極管和電阻構(gòu)成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。</p><p>　　為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。</p><p><b>　　五．具體實現(xiàn)：</b></p><p

10、>　?。ㄒ唬?qū)動級電路的一般實現(xiàn)</p><p>　　驅(qū)動級由運(yùn)算放大器組成，并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，帶負(fù)反饋的驅(qū)動級的一般實現(xiàn)圖如下： </p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　在實際電路中加入R1、R2 和電位器Rp1來改變電路的放大倍數(shù)。</p><p>　　（二）復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路的一

11、般實現(xiàn)電路圖</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的對稱性，為了提高功放電路的性能。在實際應(yīng)用中廣泛采用復(fù)合功率管。 如圖3稱準(zhǔn)互補(bǔ)對稱功放電路</p><p>　　圖中：V3，V4同為NPN大功率管，易配對，可以輸出較大的電流；V1，V2采用異型NPN和PNP的小功率管，也

12、容易配對。這樣，既獲得良好的對稱性，又能獲得大電流輸出。R1，R2有利提高V4，V5的耐壓及溫度穩(wěn)定性。電路中Re1、Re1的作用是使V3和V4能有一個合適的工作點(diǎn)。</p><p>　?。ㄈ┹敵霰Ｗo(hù)電路的一般實現(xiàn)</p><p>　　輸出保護(hù)電路如圖4所示是一個三極管式正、負(fù)向直流電壓檢測電路。對其原理作簡要說明。</p><p>　　T3為正向直流電壓檢測器，

13、T1、T4為負(fù)向直流電壓檢測器。正常時，T3基極電位為0V，T1~T4均截止，K1的常閉觸點(diǎn)不動。當(dāng)T3基極電位≥±0.7V時，T1的集電極電位約0.2V。T2飽和導(dǎo)通，K1吸合，斷開揚(yáng)聲器起到保護(hù)作用。</p><p>　?。ㄋ模┱w電路的實際電路原理圖的實現(xiàn)</p><p>　　整體電路的實際電路原理圖用Multisim軟件繪制并仿真通過。具體實現(xiàn)圖見附錄。</p>

14、;<p>　　六．各部分定性說明以及定量計算：</p><p><b>　?。ㄒ唬┐_定電源電壓</b></p><p>　　為了達(dá)到輸出功率10W的設(shè)計要求，同時使電路安全可靠的工作，電路的最大輸出功率Pom應(yīng)比設(shè)計指標(biāo)大些，一般取。即本設(shè)計中電路的最大輸出功率應(yīng)按15W來考慮。</p><p><b>　　由于<

15、/b></p><p>　　因此，最大輸出電壓為</p><p>　　考慮到輸出功率管V2 V4的飽和壓降和發(fā)射極電阻R10 R11的壓降，電源電壓常取</p><p>　?。ǘ?驅(qū)動級的設(shè)計</p><p>　　驅(qū)動級由運(yùn)算放大器組成，其中R1、R2 組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，電位器RP1用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。驅(qū)動級元件參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)輸出級

16、的需要來考慮。C1為耦合電容，在高頻段可視為短路，為滿足下限頻率的需要，一般取</p><p>　　式中，Ri為驅(qū)動級的輸入電阻，Ri=R3=82kΩ</p><p>　　驅(qū)動級采用由運(yùn)算放大器組成的同相輸入放大電路，其電壓放大倍數(shù)（亦整個功放電路的電壓放大倍數(shù)）為</p><p>　?。ㄈ?功率輸出級的設(shè)計</p><p>　　（1）輸出

17、功率管的選擇。</p><p>　　輸出功率管Q2、Q4為同類型的NPN型大功率管，其承受的最大反向電壓 </p><p><b>　　，</b></p><p>　　每管的最大集電極電流為</p><p><b>　　，</b></p><p>　　每管的最大集電極功耗為

18、</p><p><b>　　。</b></p><p>　　因此在選擇Q2、Q4時，除應(yīng)使兩管的β值盡量對稱外，其極限參數(shù)應(yīng)滿足下列關(guān)系：</p><p>　?。?）復(fù)合管的選擇。</p><p>　　Q1、Q3分別與Q2、Q4組成復(fù)合管，它們承受的最大電壓均為2Vcc，考慮到R7、R8的分流作用和晶體管的耗損，在估算

19、Q1、Q3的集電極最大電流和最大管耗時，可近似為</p><p>　　所以選擇Q1、Q3管時，其極限參數(shù)應(yīng)滿足</p><p><b>　　（3）電阻的估算。</b></p><p>　　R7、R8用來減小復(fù)合管的穿透電流，其值太小會影響復(fù)合管的穩(wěn)定性，太大又會影響輸出功率，一般取。Ri2為Q2管輸入端的等效的輸入電阻，其大小為 (大功率管的約

20、為10Ω）.</p><p>　　輸出管Q2、Q4的發(fā)射極電阻R10、R11用于獲得電流負(fù)反饋?zhàn)饔茫闺娐饭ぷ鞲臃€(wěn)定，一般取 .</p><p>　　由于Q1、Q3管的類型不同，接法也不一樣，因此兩管的輸入阻抗不一樣，會使加到Q1、Q3集極輸入端的信號不對稱。為此，加R6、R9作為平橫電阻，使兩管的輸入電阻相等。通常要求</p><p>　　R4、R5的阻值要根

21、據(jù)輸出級輸入信號的幅度和前級運(yùn)算放大器的最大允許輸出電流來考慮。</p><p>　　電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由決定。過小會使晶體管工作在乙類狀態(tài)，產(chǎn)生交越失真。過大會增大靜態(tài)功耗而使功率放大器的效率降低。綜合考慮，取</p><p>　　則取 </p><p>　　計算得 </p>

22、;<p>　　（4）偏置電路的設(shè)計 </p><p>　　為了克服交越失真，二極管D1、D2、D3和R4、R5共同組成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。其中D1、D2、D3選擇與復(fù)合管Q1、Q3相同材料的硅二極管，可獲得較好的溫度補(bǔ)償作用。</p><p>　　七．在實驗室實現(xiàn)過程中遇到的問題及排除措施：</p><p>　　1. 開始設(shè)計

23、時的電路圖的元件選取的不合理，因此設(shè)計的電路沒能達(dá)到設(shè)計要求.后經(jīng)查閱資料修改后通過。主要問題是對元件的認(rèn)識不全，應(yīng)需要加強(qiáng)對電子元件的學(xué)習(xí)。</p><p>　　2.用示波器觀察輸出端的波形，發(fā)現(xiàn)存在交越失真。</p><p>　　用示波器觀察運(yùn)放輸出端的波形，也存在一定的失真，因此先改變運(yùn)放負(fù)反饋，再改變二極管的型號，最后消除交越失真。</p><p>　　3.

24、電路調(diào)試過程中，開始的輸出功率很小，僅2W。用Multisim仿真調(diào)試時，采用分級調(diào)試的辦法，逐級解決問題。最終通過改變電路的負(fù)反饋，增加晶體管的放大倍數(shù)，等辦法解決了這些問題。</p><p><b>　　八．設(shè)計心得體會：</b></p><p>　　通過為期一周的課程設(shè)計，我深刻體會到了自己知識的匱乏。我也深深的感覺到自己所學(xué)的知識的膚淺，自己原來所學(xué)的東西只是

25、一個表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不能夠解決在現(xiàn)實中還存在的很多問題。因此，學(xué)習(xí)中應(yīng)多與實際應(yīng)用相聯(lián)系。</p><p>　　在今后的學(xué)習(xí)中，我要以學(xué)習(xí)理論知識為基礎(chǔ)，盡量多學(xué)實際應(yīng)用知識。特別是動手操作能力，更需要提高。我將多參加實踐活動，以培養(yǎng)自己的動手能力。做一名合格的電子學(xué)畢業(yè)生。</p><p>　　設(shè)計一個很完整的電路，所要考慮的問題，要比考試的時候考慮的多的多。所以

26、，一開始，我遇到了很多麻煩。通過老師和同學(xué)們的幫助，我漸漸的有了眉目。這樣，在很大程度上提高了我考慮問題的全面性。</p><p>　　設(shè)計完整的電路，還要考慮到它的前因后果。什么功能需要什么電路來實現(xiàn)。另外，還要考慮它的可行性，實用性等等。這樣，也提高了我的分析問題的能力。</p><p>　　原來，我們學(xué)習(xí)的電路只是一個理論知識，通過這次實習(xí)。使我的理論知識上升到了一個實踐的過程。同時

27、在實踐中也加深了我們對理論知識的理解。特別是對電路的調(diào)試過程的體會，讓我深刻的明白了實際電路與理想電路的區(qū)別。在實際的電路中存在的問題比理想中多得多，因此我們需要多參加實際動手操作，增強(qiáng)我們的動手能力。</p><p>　　另外，這次實習(xí)不僅使我的電學(xué)知識有一個很大的提高，而且還使我學(xué)到了許多其他方面的知識。比如，在計算機(jī)上制圖，提高了我的動手能力。</p><p>　　總之，通過這次實習(xí)

28、，不僅使我對所學(xué)過的知識有了一個新的認(rèn)識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動手操作能力。使我的綜合能力有了一個很大的提高。</p><p>　　最后，感謝老師和同學(xué)們的輔導(dǎo)和幫助！</p><p><b>　　九．參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 童詩白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京: 高等教育出版社, 2001

29、</p><p>　　[2] 章忠全. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計. 北京：中國電力出版社，1999</p><p>　　[3] 路勇. 電子電路實驗及仿真. 北京：清華大學(xué)出版社，北方交通大學(xué)出版社，2004</p><p>　　[4]陳大欽 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，2000</p><p>　　[5]李萬臣 模擬電子技術(shù)基

30、礎(chǔ) 設(shè)計 仿真 編程與實踐 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[6]邵舒淵, 于海勛編 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000</p><p>　　[7]李萬臣 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001</p><p>　　[8]楊剛 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗 北京：電子工業(yè)出版社，200