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1、摘要:低频功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了。低频功率放大器的的设计是有很多意义的：它可将音源器材输入的较微弱信号进行放大，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。目前低频功率放大由分立元件组成，或集电极输出完成，由分立元件组成的功放，电路结构简单，由集电极输出的功放，可减少信号失真。关键词: 低频功率放大器; 分立元件; 集电极输出；Design of Practical Low Frequency Power AmplifierAuthorizer:Gong Sheng-hao Tutor:zhang shengguang(Xinjiang agricultur
2、al college science and technology institute)Abstract: PA short amplifier can be said that the various types of audio equipment in one of the biggest of the family. Practical low-frequency power amplifier design is a lot of significance: it can be imported audio equipment for a weak signal amplificat
3、ion, to generate enough current to drive the speakers to voice playback. At present power amplification by discrete components, or complete collector output from the amplifier composed of discrete components, circuit structure is simple, from the collector output amplifier can reduce the signal dist
4、ortion. Key words: Low-frequency power amplifier; discrete components; collector output;目录第一章 绪论3第二章低频功率放大器概述4低频功率放大器的基本要求4低频功率放大器的分类42.3 功率放大电路的主要特点6第三章 低频功率放大器的设计73.1 低频功率放大器设计的要求和内容7系统总体设计方案73.2.1 设计思路7各模块方案选择和论证8各模块的最终方案确定11理论分析与计算113.3 系统电路设计113.3.1 前置放大电路113.3.2 中间放大级123.3.3 功率放大级133.3.4 测量部分1
5、43.3.5 显示部分153.4 系统软件设计153.4.1 测量显示模块软件设计流程图15系统测试173.5.1 测试仪器173.5.2 指标的测试183.5.2.1 放大倍数的测试183.5.2.2 输入电阻的测试183.5.2.3 通频带的测试183.5.2.4 低频放大器效率的测试19结论20参考文献20第一章 绪论在模拟电子线路中信号经过放大后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例如推动喇叭发出声音，推动继电器实现控制等等。这些执行机构是把电能转换成其他形式能量的器件，他们正常工作需要从电路中获取较大的能量。所以放大电路的末级多有功率放大器组成，以便为负载提供足够的信号功率。
6、本次课程设计就是简易低频功率放大器。随着现代社会电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，电子技术课程设计的进行使我们有了这个非常重要的机会，通过这种综合性训练，要求我们达到以下目的和要求：1、结合课程中所学到的理论知识，独立设计方案。2、学会查阅相关手册于资料，通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析于解决问题的能力。这次课程设计是对我们所学习的电子技术的一次实际应用,也是对我们所学知识的一次练习和提高。第二章低频功率放大器概述2.1低频功率放大器的基本要求功率放大器和电压放大器是有区别的，电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大，
7、一般输入及输出的电压的电流都比较小，是小信号放大器。它消耗能量少，信号失真小，输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器。它消耗能量多，信号容易失真，输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求：为了得到足够大的输出功率，三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。功率放大器是利用晶体管的电流控制作用，把电源的直流功率转换成交流信号功率输出，由于晶体管有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的功率Po与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率，用公式表示为：100%显然，功率放
8、大电路的转换效率越高越好。功率大、动态范围大，由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的，但是依然要设法尽可能减小非线性失真。2.2低频功率放大器的分类一、以晶体管的静态工作点位置分类常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类3种，如图2.2.1所示。(a)3种工作状态下对应的工作点位置(b)甲类功放的输出波形 (c)乙类功放的输出波形(d)甲乙类功放的输出波形图2.2.1功率放大器的3种工作状态工作在甲类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在交流负载线的中点附近，如图2.2.1(a)所示。在输入信号的整个周期内，晶体管都
9、处于放大区内，输出的是没有削波失真的完整信号，如图2.2.1(b)所示它允许输入信号的动态范围较大，但其静态电流大、损耗大、效率低。工作在乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处，即交流负载线和IB0的交点处，如图2.2.1(a)所示。在输入信号的整个周期内，三极管半个周期工作在放大区，半个周期工作在截止区，放大器只有半波输出，如图2.2.1(c)所示。乙类工作状态的静态电流为零，故损耗小、效率高，但非线性失真太大。如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的不失真的全波信号。工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间，如图2.
10、2.1(a)所示。在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其输出为单边失真的信号，如图2.2.1(d)所示。甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高。二、以功率放大器输出端特点分类(1)有输出变压器功放电路。(2)无输出变压器功放电路(又称OTL功放电路)。(3)无输出电容器功放电路(又称OCL功放电路)。(4)桥接无输出变压器功放电路(又称BTL功放电路)。三、功率管的安全使用知识就功率管而言，为了保证其安全运用，必须做到以下几个方面：(1)避免发生集电结的击穿。(2)避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。晶体管的集电极容许损耗PCM不是一个固定不变
11、的值，它和器件的散热情况有关，根据环境温度和器件的散热装置不同而有所不同。(3)功率管在工作时不能进入二次击穿区。2.3 功率放大电路的主要特点 1功率放大电路的任务和特点 基于输出较大功率的基本任务， 对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面： 1）大信号工作状态 为输出足够大的功率， 功率放大电路的输出电压、 电流幅度都比较大， 因此， 功率放大管的动态工作范围很大， 功放管中的电压、 电流信号都是大信号状态， 一般以不超过晶体管的极限参数为限度。 2）非线性失真问题 由于功放管的非线性， 功率放大电路又工作在大信号工作状态， 必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。 输出功率越大， 电
12、压和电流的幅度就越大， 信号的非线性失真就越严重。 因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。 3）提高功率放大电路的效率、 降低功放管的管耗 从能量转换的观点来看， 功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。 任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出， 其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上， 并且主要是功放管的损耗。 对于同样功率的直流电能， 转换成的交流输出能量越多， 功率放大电路的效率就越高。 因为功率大， 所以效率的问题就变得十分重要， 否则， 不仅会带来能源的浪费， 还会引起功放管的发热
13、而损毁。 第三章 低频功率放大器的设计3.1 低频功率放大器设计的要求和内容设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的MOS管。基本要求：低频功率放大器可以实现以下功能： 当输入正弦信号电压有效值为5mV时（即峰峰值为7mv时，）在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。 通频带为20Hz20kHz。 输入电阻为600。 功率放大器的整机效率尽量提高。 具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。 在满足输出功率5W、通频带为20Hz20kHz的前提下,输入信号幅度可降到。系统总体设计方案3.2.
14、1 设计思路 根据设计任务与要求,本系统由低频功率放大器、测量电路和显示电路组成。其中功率放大部分包括：前置放大级、中间放大级和功率放大级。测量显示部分包括：电压电流的数据采集，数据分析和显示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。最终确定系统框图如图.1.1所示。低频功率放大器测量电路显示电路 图.1.1 系统结构方框图各模块方案选择和论证（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，）到乙类（=180，），丙类（），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
15、乙类状态会产生交越失真。D类放大器效率虽高，但在制作上有几个技术难点，如脉宽调制，考虑到时间因素，我们采用甲乙类双电源互补对称功率放大电路。甲乙类放大电路管耗小、效率高、可克服交越失真，虽然其效率比D类、乙类低，但其能满足题目要求且较D类易制作。（2）信号前置放大级方案一： 采用分立元件组成放大电路。用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。该电路的优点是：共模抑制比高、性价比高。 方案二： 采用集成电路构成。该电路的优点是：电压增益易调且高、电路简单。 根据题目要求需要低输入电阻，高增益的前置放大级。方案一要求的性能相同的小功率三极管电路设计、计算相对复杂。而方案二具有更大的优越性和灵活性，
16、因此选用方案二。最终确定集成芯片采用低失调电压、高开环增益的OP07。 （3）中间放大级方案一：采用分立元件组成多级放大。用功率小三极管组成多级共射放大电路，性价比好。方案二：采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。根据题目要求，放大器的通频带要宽，放大倍数大。方案一各放大级如直接耦合，各级的静态工作点相互影响，难以设置；如采用电容耦合，通频带将受影响，放大倍数要达到要求，放大级数多，难以达到要求。方案二采用集成芯片做一级放大，放大倍数易达到要求，设计易于实现，价比高。因此选方案二。（4）功率放大级输出级的关键问题是放大功率、提高效率和减小波形失真。方案一：直接采用配对的Mos管组成甲乙类功
17、率输出级。如图.2.1。图.2.1 甲乙类功率放大输出级方案二：甲乙类双电源互补对称放大电路。采用复合管构成MOS配对管，增大输出电流。如图.2.2。输出输入图.2 甲乙类双电源互补对称放大电路方案相比较，方案二输出电流大，故而使输出功率也增大了，故采用方案二。（5）测量模块方案一：输出电压经分压后用A/D直接采集计算，由于输出电压较大，但A/D的基准电压是5 V，所以必须利用分压将电压降到5V以内进行测量。方案二：采用小阻值的采样电阻如图.3 我们知道，如果R2的阻值远小于R1的阻值时，那R2对图.3 ADC0804是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，转换时
18、间100us，输入电压范围为05V。增加某些外部电路后，输入模拟电压为5V。 该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无需附加逻辑接口电路。 ADC0804的外围电路比ADC0832复杂，但是ADC0832的体积比ADC0804小，并且ADC0832使用的是串口，节省了IO口，ADC0804使用的是并口，但是使得程序编写简单。（6）显示模块根据设计要求，需要显示输出电压、电源供给功率、输出功率和效率。 方案一： 使用液晶屏显示。液晶显示屏具有低耗电量、无辐射危险，可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。方案二：使用传统的数码管显示
19、。 数码管具有低能耗、低损耗、耐老化、防晒防潮、易于维护、操作简单的特点。 本设计要显示的数据较多，方案二要求数码管位数多、硬件焊接繁琐、且显示的数据易混淆。方案一使硬件电路简单、数据显示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用1602液晶屏显示。各模块的最终方案确定 经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）、前置放大级：采用OP07组成反相比例运算放大电路；（2）、中间放大级：采用OP07组成同相比例运算放大电路做第二级放大、差分放大做第三级放大、共射电路做第四极放大；（3）、功率放大级：采用配对管TIP41C、TIP42C分别与IRF250组成复合管，采用甲乙类双电源互补对称功
20、率放大电路。（4）、测量模块：A/D采集数据、单片机控制；（5）、显示模块：1602液晶显示。理论分析与计算（1）求输出最小电压 根据题意，输出功率，负载,则故 （2）、求放大器最小放大倍数 根据题意，输入最小电压为5mv，则3.3 系统电路设计 前置放大电路 为了减小外界信号对输入信号的影响，前置放大电路加上带通滤波。根据题目要求，为了使输出电阻为600，采用了输入电阻低，共模信号为零的反相放大电路。令放大倍数为12，则平衡电阻 平衡电阻电阻值为600的电阻，反馈电阻接阻值为100K的可调电位器。电路图如图3.图.1 前置放大电路 中间放大级中间放大电路的放大倍数设为30.为了使整个电路的性
21、能优越，采用了2级放大。第一级为有源负载差分放大电路，提高电压放大倍数。第二级采用共射击放大电路。在中间放大级的前面，我们还加了一个带通滤波，以提高整个放大器的性能。电路如见图3。通过初步计算，仿真软件仿真，得到各电阻值和电容值如图示。图.2 中间放大级 功率放大级根据设计要求，放大电路的通频带至少为20HZ-20KHZ，在这里采用两只互补中功率对管TIP41C、TIP42C构成射随器缓冲驱动级，即能够满足频率要求。 TIP41C与MOS管IRF250复合成NPN三极管，TIP42C与IRF250复合成PNP三极管，两复合后的功率管组成输出级。见图。由于采用的是MOS管，IRF250的开启电压
22、为2到4V，所以该电路在输入信号较小时（1000结束将最大值送变量图.3 ADC0832流程图系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统的关键部分进行了实际测试。.1 测试仪器 测试使用的仪器设备如表.1所示。表.1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1YB1602信号发生器12DS1022C双踪示波器13UNI-T数字万用表1胜利公司3.5.2 指标的测试3.5.2.1 放大倍数的测试放大倍数测量：使用信号发生器接入输入端，将示波器的两个探头分别接输入和输出端。测试数据如表3.5.2.1。表3.5.2.1 放大倍数的测定输入信号前置放大级输出功率放大级输出电压放大倍数6
23、mv12177mv8V114210mv112020mv23V1150测试结果分析：测试结果跟计算值相差不大，满足输出大于或等于5W的要求。.2.2 输入电阻的测试测试方法：给系统输入端加不同的直流电压，分别测输入电流，按 计算输出电阻。测试数据如表3.5.2.2。表.2.2 输入电阻的测定输入直流电压输入直流电流输入电阻5V8mA6259V14mA64312V198mA606测试结果分析：实际测量值和理论有一定差距，这可能是由于电阻的值有一定，这是不可避免的。从测试结果分析，满足输入电阻为600的要求。.2.3 通频带的测试 时的低端频率和高端频率范围称为放大电路通频带。即：BW=fH-fL.
24、测试方法：输入一个正弦波，改变频率，测量输出电压，按计算放大倍数。测试数据见表.2.3.表.2.3 通频带的测试输入信号峰值信号频率输出信号峰值放大倍数3.5.2.4 低频放大器效率的测试电源供给的功率按公式 计算，输出功率按公式计算，效率按公式。为最大不失真输出信号的峰值。测试结果见表3.4。表.4 低频放大器输出功率测试供给直流电源电压电源供给功率实际测量输出功率理论测量功率理论效率测量效率测量精度测试结果分析：结论低频功率放大器可以实现以下功能： 当输入正弦信号电压有效值为5mV时（即峰峰值为7mv时，）在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。 通频带为20Hz20
25、kHz。 输入电阻为600。 功率放大器的整机效率尽量提高。 具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。 在满足输出功率5W、通频带为20Hz20kHz的前提下,输入信号幅度可降到。参考文献1 胡宴如，耿苏燕 .模拟电子技术（第二版）. 北京：高等教育出版社2 董少明，付维亚，夏东盛 .单片机原理与应用 .北京：中国铁道出版社3 高吉祥，唐朝京 .模拟电子线路设计 .北京：电子工业出版社4 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程 .北京：电子工业出版社5 林红，周鑫霞 .模拟电路基础 .北京：清华大学出版社6 于枫 宋占伟 李海富 电子工程师制图与制版技术protel 99 SE 应用 科学出版社19