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1、（低频功率放大路设计）摘要介绍一种具有小信号放大能力的低频率放大器的设计和制作，论述了系统的设计原理、理论依据、工作流程、程序流程、程序设计、测试方法和实验数据等。系统主要由电压放大电路、输出级电路、带阻滤波器和显示电路等组成，电路结构简捷，技术合理、器件成本低、节电省能、性价比高。实验结果表明，该功率放大器在功率、通频带、失真度和效率等方面有较好的指标、较高的实用性和节能性，并很好地实现了对低平信号的功率放大作用，符合技术规范和设计要求。关键词：低频；功率放大器；频率；失真；效率开题报告的内容一、 选题背景和意义功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论
2、从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都去的了长足的进步。半导体技术的进步使得晶体管放大器从前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器早期的放大器几乎全用锗管来制作，但是由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所使用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高。伴随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。最初的大功率PNP管是锗管，而PNP管是硅管，两者的特别差非常明显，人民更多采用的准互补电路。到了六十年代末，大功率PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。最初采用对称设计的例子
3、要算互补对称电路了，一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出，不仅可以免除笨重的输出变压器，而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了，保真度有了很大的提高。后来，人们从运算放大器的设计中得到了启迪，将左右对称的差动式电路用于功率放大器的输入级，电路的稳定性和线性都得到改善，这一结构至今都还有人采用。典型的OCL放大器外，单管放大的过载能力也很差，这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。围绕着改进电压推动级的性能，人们相继提出了多种结构，共射-共基电路就是一个典型的例子。共射-共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结构，但用于音频电路中同样可以发挥出色的性能。首先是它的宽频响，
4、由于共基放大器Qs非常低的输入阻抗，使Q丧失了电压增益，米勒效应的影响就非常脆弱。宽频响的推动级拉开了与输入级极点的距离，相位补偿变得很容易，而且电容C的容量可以大大减少，这对于改善TIM失真是很有利的。第二个优点是电路的高度线性；共基极电路的输出特性也可以清楚地显示出这点。另一种电压推动级的形式，电压推动级也采用对称的差动放大，这不仅可以改善输入级的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同样可以降低推动级的失真，因为差动放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的传输特性。Q2和Qd构成镜像电流源，把Q的集电极电流转移到Qz上，所以尽量是单端输出，电流推动能力却比原来增大了一倍。功率放大器就是采
5、用这种电路结构，取得非常好的结构，对称和平衡不仅体现在电路的结构上，还表现在元件的参数上。差动电路是集成运放中广泛采用的结构，其特性是建立在两只差分管精确的基础上。同样，推挽电路中，如果两只异极性的晶体管特性不一致时，对波形的两个半周就不能做到一直同仁地放大，这将增大电路的失真度。本课题设计的低频率放大器具有电路简单、功率小、耗电量小，节约成本。从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路都是能量转换电路，都是电源的直流功率转换成放大信号的交流功率。但是它们具有各自的特点：低频电压放大电路工作在小信号状态，动态工作点摆动范围小，非线性失真小，可用微变等效电路法分析、计算电压放大倍数、输入电
6、阻、输出电阻等。从学习的观点来看，在实习中自己设计制作，可以激发学习的兴趣，还可以加深对所学知识的理解，通过实践，把平时自己所学的与设计有关的灵活运用。二、研究的基本内容、基本思路（方案）及解决的主要问题2.1设计方案设计一个低频功率放大器，能放大功率，当输入正弦信号电压有效值为5mV和输入电阻为600时，在8电阻负载（一端接地）上，同时电路使输出功率大于等于5W，输出波形无明显失真。输出信号的通频带范围为20Hz20kHz。2.1.1设计思路设计一个低频放大器，通过计算得到需要电压增益2040dB,因此需要设置二级放大器；弱信号前置放大器和末级功率放大器；带宽要求可以通过选择适当的器件来满足
7、，如图2-1.设计中采用差分放大电路，再放大输出后加上偏置电阻，达到输出波形无明显交越失真；在使用功率放大电路，使之功率达到额定的功率，以及制作一个多路输出直流稳压电源为用电回路供电。2.1.2 方案论证与比较（1）高效率、宽带功率放大器的类型选择我们知道，为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类(=360，50）到乙类（=180，78.5），丙类（180，78.5），甚至D类（=100）。但丙类放大器不适宜宽带放大器，原因是失真太大。工作在乙类状态会产生交越失真。D类放大器虽高，但在制作上有几个技术难点，如脉宽调制，考虑到时间因素，我采用复合管的互补对称功率放大电路。互
8、补功率放大电路管耗小、效率高、可克服交越失真。（2）方案一：采用分立元件组成放大电路。用小功率三级管组成查分放大电路作为输入级。电路优点是：共模抑制比、性价比高。方案二：采用集成电路构成。电路的优点是：电压增益易调且高、电路简单。根据要求输入电阻600和2040dB的增益，所以选择方案一。（3）功率放大级方案一:乙类互补功率放大电路如图所示。它由一对NPN/PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称作OCL互补功率放大器。 方案二：单电源互补功率放大器如图所示。当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。这种功率放大器也称为O
9、TL互补功率放大器。 方案三：复合管的互补功率放大电路，当输出功率较大时，输出级的推动级，即末前级也应该是一个功率放大级。此时往往采用复合管，复合管有四种，如图所示，复合管的极性由前面的一个三级管决定。由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。因为方案三的=输出电流大，所以输出功率也增大，故采用方案三。2.3理论分析和计算（1）求输出最小电压Uomin输出功率Po5W，负载RL=8，则 （2）求放大器最小放大倍数根据输入最小电压为5mv，则 3系统电路设计3.1弱信号前置放大级前置放大电路的放大倍数设为30dB，为了使整个电路的性能优越，采用了有源负载查分电路，提高放大倍数。
10、如图所示。3.1.1工作原理（1）当vil=vi2=0时，即静态时，由于电路完全对称：Ic1=Ic2=10/2,Rc1Ic1=Rc2Ic2,Vo=Vc1-Vc2=0即输入为0，输出也为0。（2）加入差模信号时，即vs1=-vs2=vsd/2，从电路看vB1增大使得iB1增大，使ic1增大，使得vc1减小vB2减小使得iB2减小，又是个vc2减小，使得vc2增大，由此退出：vo=vc1-vc2=2vc1，每个变化量v不等于0，所有有信号输出。若在输端共模信号，即vs1=vs2,由于电路的对称性和恒流源偏置，理想情况下vo=0，无输出。3.2功率放大器根据设计要求，放大电路的通频带至少为20Hz2
11、0kHz，在这里采用两只互补功率对管2SD667管、2SB647管构成缓冲驱动级，能够满足频率要求。2SD667管与2N3055管复合成NPN三极管、2SB647管与MJ2966管复合成PNP三极管，两复合后的功率管组成输出级，如图 3.2.1工作原理输入信号电压为负半周，经T3倒想放大，T3集电极电压瞬时极为“正”，T4与T6组成的NPN复合管正偏导通，T5与T7组成的PNP复合管反偏截止。经NPN复合管放大后的电流送给负载电阻RL。负载RL上得到正版周电压。输入信号电压为正半周，经T3倒想放大，T3集电极电压瞬时极为“负”，T4与T6组成的NPN复合管反偏截止，T5与T7组成的PNP复合管
12、正偏导通。经PNP复合管放大的电流由PNP复合管集电极经负载电阻RL流回发射极，负载RL上得到负半周电压。输出电压Uo的最大幅值约为VCC/24制作与调试4.1 整体电路调试在完成电路的排板、焊接、连线之后。先用万用表检查电路是否会有短路、虚焊，电源地，确定后开始调试。4.1.1主要测试仪器示波器、函数信号发生器、数字式万用表、高频频率计等。4.1.2产品的调试测量工具：示波器。测量方法:将制作的成品接地接电源进行运行，再用示波器接在产品的信号发生管脚，在示波器上调整查看波形。5.1进度安排于2013年12月2日或12月3日进行开题报告答辩，请准备好答辩稿件。3.方案选定及验证1)2013年1
13、2月10日 在前期资料收集基础上确定系统实施方案并设计系统框图。2)2014年1月10日前根据设计要求，选择其中一种思路展开具体设计，选择明确线路，计算相关技术参数 ，说明选择依据。3)2014年2月20日前绘制电原理图列出元件表。4)2014年4月10日前模拟仿真设计线路。4.毕业设计说明书撰写1)2013年12月15日 阐述设计目的、意义、分析国内外研究现状与发展趋势。2)2014年1月10日 说明设计的思路、原理，形成系统框图。说明采用路线的先进性。3)2014年2月25日 详细分析采用的线路。分析各种线路优、缺点，选择适合的线路实施。4)2014年3月15日 具体说明使用的主要芯片的原
14、理。5)2014年4月1日 结合验证结果分析系统设计优点，有待提高部分。得出结论。6)2014年4月10日 设计总结，完善设计报告。7)2014年4月25日 师生互动修改设计说明书。四、主要参考文献(需有外文文献)1.胡萍。四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点。2.郭荣祥，李亦群，高工。高速运算放大器应用技术。电子技术应用，1998年第4期。3.郑宏军，黎昕，杨少卿。集中典型运算放大器的应用技术。电子技术应用，1999年第9期。4.金爱华，张翠萍。高速运算放大器在视频线路中的应用/电大理工，2000年8月第3期。5.（美）桑森（Willy M.C.Sansen)著，模拟集成电路设计精粹。陈
15、莹梅等译。北京，清华大学出版社，2008.36.（美）格雷（Gray,P.E)等著，模拟集成电路的分析与设计；第4版，北京，高等教育出版社，2005.67.李建中；汤小虎；魏同立 一种低电压CMOS折叠-共源共栅跨导放大器的设计期刊论文-微电子学 2005（04）8.（美）艾伦（Allen,P.E)等著，冯军等译。CMOS模拟集成电路设计，第2版，北京，电子工业出版社，2005.39.唐长文等著，全查分运算放大器设计。通信系统混合信号VLSI设计，课程社设计报告，2003.12.3110.期刊论文：卢明。尹风雨。基于电流反馈运算放大器的R-L和C-D阻抗的实现和应用-现代电子技术.2007.3
16、011.学位论文：杜曦.伴随运算放大器200112.学位论文： 尚佳彬.CMOS电流运算放大器的设计和应用200213.Alfredo Saab.运算放大器共模抑制比的测量方法。电子产品世界。2004.11:60-6414.学位论文：马晓龙。新型Rail-to-Rail运算放大器的研究与设计15.Debbie Brandenburg.运算放大器的进展.今日电子.2005.9（3）：69-8616.Erroll Diefz运算放大技术几大趋势.EDN电子设计技术.2006.10（2):84-8617.王晋，仇玉林，雨泽.全差分增益提高运算放大器的分析与设计J.电子器件，2005，（02）.18.程剑平，魏同立.低电压全差分运算放大器的优化设计J.固体电子学研究与发展，2005，（02）.19.柳逊，闫娜，吴晓铁，程君侠.一种高性能运算放大器的设计J.微电子学与计算机，2005，（06）.20.杨银堂，李晓娟，朱樟明，韩茹.低压低功耗运算放大器结构设计技术J.电路与系统学报，2005，（04）.21.葛维维，刘佑宝.一种宽带、高速运算放大器的设计J.现代电子技术，2005，（22）.