功率放大器设计课程设计

《功率放大器设计课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功率放大器设计课程设计（16页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、河质院2006级机电职业课程设计 电子技术课程设计 题 目： 功 率 放 大 器 的 设 计 系 别： 机 电 工 程 系 专 业： 机 电 一 体 化 班 级： 三 班 学生姓名： 王林柯 指导老师： 蒋 晓 燕 完成日期： 河南质量工程职业学院目 录第一章 设计的基础知识.31.1选题的意义.31.2设计方案.31.3功率放大电路的设计.4 1.3.1功率放大电路工作状态的选择.4 1.3.2所选的工作状态.6 1.3.3功率BJT选择9第二章 设计的电路.10 2.1.1所设计电路的原理10 2.1.2所设计的电路图12 2.1.3电路的调试12 2.1.4常见故障及原因13第三章 设计

2、总结.14参考文献.15河南质量工程职业学院电子技术课程设计任务书班级机电一体化三班学生姓名李光照指导教师蒋晓燕课程设计题目功率放大器的设计主要设计内容 1.功率放大电路工作状态的选择 2.功率放大电路的设计 3.功率放大电路的故障与排除主要技术指标和设计要求1设计指标 输出功率尽可能的大； 失真尽可能的小； 效率要高； 要有散热措施；2设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）； 元器件及参数选择； 电路仿真与调试； PCB文件生成与打印输出。3编写设计报告 写出设计全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。主要参考资料及文献【1】杨世彦主编电工学的中册电子技术机械工业出版社2006.01【2】

3、陈跃安主编 电路学与电工电子技术北京交通大学出版社；清华大学出版社2005.10【3】刘蕴陶主编电工电子技术高等教育出版社2007.03【4】张志良主编电子技术基础机械工业出版社2009.01 功率放大器的设计与制作设计任务和要求 1设计指标 输出功率尽可能的大； 失真尽可能的小； 效率要高； 要有散热措施；2设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）； 元器件及参数选择； 电路仿真与调试； PCB文件生成与打印输出。3编写设计报告 写出设计全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。第一章 设计的基础知识1.1选题的意义现如今，随着社会的不断发展与进步，物质文明已经充分的满足人们的需要了，而精神文

4、明成为了生活中的难题，在满足他们视野的同时，耳朵也需要满足，这就需要人类发挥它们的聪明才智，发明一种功率放大器。由于以前所遇到的功率放大器是不能满足需要，它们基本上都是小信号放大电路，并且主要用于增强信号的幅度，也就是说它不能放大声音，不能驱动负载。例如共射级放大电路、共集电级放大电路、共基级放大电路、场效应放大电路等等。但在实际应用中，许多电子设备都需要输出足够的功率来驱动负载，例如扬声器、执行电动机等等。因此放大电路的末级一般采用能够输出足够功率的功率放大器。1.2 设计方案 实际应用中的放大电路是有前置放大电路和功率放大电路组成，如上图所示。 前置放大电路由多级放大电路或单级放大电路组成

5、，工作于小信号状态，起作用是输出足够大幅度的信号电压或电流；而功率放大器的主要作用是输出足够大的功率，通常工作在大信号状态。 此次的设计只涉及第三步的功率放大电路。1.3功率放大电路的设计1.3.1功率放大电路工作状态的选择功率放大电路按功放的工作状态不同可分为甲类、乙类、丙类和甲乙类。1）甲类功放管在整个信号周期全导通，导通角为360度，静态工作点Q位置适中，如图功放电路工作在甲类状态时，只要功放管不进入饱和区或截止区，非线性失真最小。但由于甲类功放静态工作点设置在负载线的中央，静态耗能很大。既无信号输入时，静态集电极电流很大，管耗很大。对音响功放电路来说，无声音时，功耗和管耗很大，是很不合

6、理的。因此甲类功放电路的致命缺点是效率低，最大效率在理想情况下只有百分之50。2）乙类功放管在整个信号周期内只有半个周期导通，导通角为180度，静态工作点Q在截至区，如图所示功放管工作在乙类状态时，输出信号只有一半，失真严重。若两个功放管在正负半周期轮流工作，然后将两个半波拼接，失真严重的问题就明显解决了。乙类状态的最大优点是静态功耗为0。因其静态集电极电流为0，因此无信号输入时，功放管管耗为0.两个功放管拼接的乙类功放电路最大效率在理想情况下可达百分之78.5。3）丙类功放管在整个信号周期内只有小半个周期导通，导通角为180度。丙类状态仅在高频功率放大电路中应用。4）甲乙类由上可知，既要提高

7、功放效率，又要减小非线性失真，这是一对矛盾。理想的选择是乙类状态，用两个功放管在正负半周轮流工作，输出两个半波信号组成一个完整信号。但由于三极管存在导通死区，在信号小于死区电压时，会产生截止失真，此种情况主要发生在两个功放管交替工作的瞬间，这种失真称为交越失真。 解决这一问题的方法是给功放管设置一定静态偏流但这种静态偏置绝不是甲类状态中的偏置，Q点应设置在靠近截止区的边缘，一般，设置功放管静态集电极电流24毫安为宜。这种介于甲乙之间，成为甲乙类工作状态，因其偏向乙类，所以用乙类状态分析。由以上总结可得状态一个信号周期内导通时间工作特点图示甲类整个周期内导通失真小，静态电流大，管耗大，效率低。乙

8、类半个周期内导通失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。甲乙类半个多周期内导通 失真大， 静态电流小 ，管耗小，效率较高。在上述的电路之中似乎都有缺陷，以下还有一种，是对乙电路的一种改进，那就是互补对称电路。1.3.2所选的工作状态互补对称由两类不同的NPN型和PNP型的功放管组成，要求两个功放管参数一致，因此称为互补对称功放电路。 工作原理 由于电路对称，静态时，UA=0 设输入信号为正弦波，当输入信号正半周时，T1导通，T2截止；输入信号负半周时，T2导通，T1截止，T1、T2各自工作在乙类状态，两管轮流工作在负载R上流过一个完整的正弦波电流信号。 分析计算 1. 输出特性曲线的合成因为输

9、出信号是两管共同作用的结果， 所以将T1、T2合成一个能反映输出信号和通过负载的电流的特性曲线。合成时考虑到：（1）vi=0时,VCEQ1=Vcc ， -VCEQ2=Vcc， 因此 Q1=Q2 。 （2）由流过RL的电流方向知ic1与ic2方向相反。即两个纵坐标轴相反。 （3）特性的横坐标应符合：vCE1+vEC2=Vcc-(-Vcc)=2Vcc vCE1的原点与-vCE2=2Vcc点重合；-vCE2的原点与+vCE1=2Vcc点重合。 由以上三点，得两管的合成曲线如图5.6所示。这时负载线过Vcc点形成一条斜线，其斜率为-/RL。显然，允许的iC的最大变化范围为2ICm，vCE的变化范围为2

10、（VCC-VCES）=2Vcem=2IcmRL。如果忽略BJT的饱和压降VCES，Vcem=IcmRLVCC。 2. 计算输出功率Po在输入正弦信号幅度足够的前提下，即能驱使工作点沿负载线在截止点与临界饱和点之间移动。如图5.6所示波形。 输出功率用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示。设输出电压的幅值为Vom，则这恰好是图5.6中ABQ的面积。因为Iom=Vom/RL，所以图5.5中的T1 、T2可以看成工作在射极输出器状态，AV1。当输入信号足够大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES VCC和Iom=Icm时，可获得最大的输出功率 由上述对Po的讨论可知，要提供放大

11、器的输出功率，可以增大电源电压VCC或降低负载阻抗RL。 但必须正确选择功率三极管的参数和施加必要的散热条件，以保证其安全工作。3.BJT的管耗PT4、电源提供的功率5、效率1.3.3功率BJT的选择1、最大管耗和最大输出功率的关系上式表明：当Vom 0.6VCC时，BJT具有最大的管耗， 因此，功率三极管的选择应满足以下条件： 第二章 设计的电路2.1所设计的电路的原理及电路图2.1.1所设计的电路的原理所设计的功放电路的原理与OTL的原理相似，这里只介绍OTL功放电路如图所示：图示是互补对称式OTL功放电原理图。它具有非线性失真小，频率响应宽，电路性能指标较高等优点，是目前OTL电路在各种

12、高保真放大器应用电路中较为广泛采用的电路之一。工作原理： Q1 是前置放大管，采用NPN 型硅管，温度稳定性较好。要降低噪声，就要从前级做起，否则，噪声会经后级放大，变得很明显。这里最主要是要避免从基极引入噪声。本电路中，Q1 的基极偏置电源由D1、D2 稳压得到，进一步提高了稳定性。发射极电阻R4 的阻值很小，对稳定静态工作点的作用不大，其主要起交流负反馈作用。 Q2是激励放大管，它给功放级足够的推动信号，输入信号经Q1、Q2两级放大后，具备了驱动Q3、Q4（输出级）的能力。R9、W2、R10是Q2的偏置电阻，R6、R7、D3、D4是Q2的集电极负载电阻。 Q3、Q4 是末级互补输出对管，该

13、管主要是为了给喇叭提供足够大的驱动电流，Q3、Q4的放大倍数应尽可能一致，这样才可以保证输出信号的正负半周信号对称，让失真更小。互补对管的意思是指一个管是NPN型，一个管是PNP型。D3和D4、R6 和R7、Q2的CE 极三部分共同组成Q3、Q4的偏置电路，保证Q3、Q4在无信号时输出中点电压。D3 和D4 的作用就是保证给Q3、Q4 基极提供一个相对稳定的1.2V左右的电压， D3 和D4千万不能开路，否则Q3、Q4会有很大的基极电流，导致Q3、Q4的集电极电流剧增，立即发热烧坏。但是，D3和D4的分压也不能太低，否则，在小信号时会听出明显的截止失直（和交越失真相同）。注意：这种失真只在小信

14、号时才有明显的反应。在高档功放电路中，D3和D4会用其它元件代替，同时还会引入温度补偿。 C8 是自举电容。当信号正半周时，Q3基极电压上升，由于R6、R7 两端的电压变小，不能给Q3提供足够大的基极电流，电流输出能力急剧下降，造成信号顶部失真（这种失真只会在大信号时才会发生。）由于自举电容的出现，Q3 发射极电压升高时会将C8 的正极电位举高，高于电源电压，这就可以通过R7 给Q3提供较大的基极电流。 C3、C12、C6 是电源低频滤波电容，主要作用是滤除电源交流声，同时给交流信号提供电流回路，容量应该取得比较大，这样才有较好的效果！ C11 是电源高频滤波电容，主要作用是滤除高频杂音，同时

15、也可以给高频交流信号提供电流回路，让高音效果改善。该电容建议选择涤纶电容或者金属膜电容，容量在473-474之间，要求不高时，也可以用陶瓷电容代替。 C9 是输出耦合电容。有音频信号输入时，Q3、Q4的发射极电压会大幅度变化的信号，这个信号中有一个直流分压存在，不能直接加到喇叭上，必须经过一个隔直流通交流的电容隔开。注意：电解电容都是有极性的，正极接在高电压的那端。 R8 和C10 组成输出高频补偿电路。R8 取值应在1-10 之间，不能太小，否则，相当于高频对地短路了；也不能太大，否则，C9 就起不到应有的作用。 C10是输出高频补偿电容。对于高频信号来说，喇叭的等效阻抗要比低频高得多，同时

16、高频信号更容易通过分布电容向四处传输，这很可能让电路产生高频信号正反馈，产生高频振荡或者寄生振荡，从而影响音质。因此，C10可以让电路在高频时的输出阻抗也得以降低，防止信号非正常的反馈，使整个电路进入平衡稳定的工作状态。实际上应用中，该电容对音质影响较大，特别是在一些高档功放中（含集成电路功放），有的电路中如果没有这个电容，甚至完全无法工作。该电容一般取值在104-204 之间，并且一般都要串联一个1-10欧姆的电阻。 扬声器是将电能转换成声能的元件，也就是喇叭。它的工作原理是利用电流在磁场中会受到力的作用来完成振动发出声音的。 2.1.2设计的电路图 2.1.3电路的调试(1)通电前的检查。

17、电路安装完毕后，应先对照电路图按顺序检查一遍，一般地：检查每个元件的规格型号、数值、安装位置管脚接线是否正确。检查每个焊点是否有漏焊、假焊和搭锡现象，线头和焊锡等杂物是否残留在印制电路板上。检查调试所用仪器仪表是否正常，清理好测试场地和台面，以便做进一步的调试。(2)静态调试。用万用表逐级测量各级的静态工作点。调节偏置电阻，使各级静态工作点正常。若测量值与计算值相差太远的话，应考虑该级偏置电路有虚焊或元件有错的错误，要检查修正。下面是本例中关键点的静态电位值：A、接上+6V 电源（S 开关处于断开状态），用电流表接在S 开关两端，电流正常值约为30mA左右。然后接通开关，用电压表测量Q3、Q4

18、 管的发射极中点电压，调节W2的阻值，使中点电压为3V。B、用测量Q1集电极电压，调节W1的阻值，使Q1集电极电位在3V左右。(3)动态测试。在输入端输入1kHz 的正弦波信号，用示波器观察输出信号波形，信号由小逐渐增大，直至输出波形增大到恰好不失真为止。观察输出波形有无交越失真，波形正负半周是否对称。测电压放大倍数，即用交流毫伏表测量输入输出信号电压的有效值。或直接用示波器测量输入、输出的峰峰值。测量最大不失真功率。方法： 采用间接测量的方法，在电路的输出端固定负载 RL =8，输入端加单音频正弦信号（ f=1000Hz ），用示波器观测负载RL 上的波形，调节输入信号的幅度，使输出信号为最

19、大且不出现削顶失真（即只考虑限幅失真）。测得输出幅度Uomax （有效值），即可求得：测量电路的转换效率断开电源支路，按电流流向，将 500mA 档电流表串入电源支路，可测得直流稳压电源的输出电流IEmax 。电源输出功率PE=VCCIEmax。最大不失真时的输出效率 。测试数据填入表中。带宽测试。保持输入信号的幅度不变，调节输入信号的频率，升高频率直到输出电压降到0.707Uo时的频率为fH；降低频率，直到输出电压降到0.707Uo时的频率为fL，则带宽为fBWfHfL。动态调试过程中若出现故障，应先排除。2.1.4常见故障及原因1产生低频自激振荡 如扬声器发出“扑扑”声:或“嘟嘟”声。造成

20、的原因可能是电源内阻过大，或电源滤波电容、退耦电容开路或失效引起的。2产生高频自激振荡从扬声器里听不到声音，但推挽管的工作电流很大。消除高频自激，可在VT的集电极和基极之间并联一只50Pf300pF的电容器，对高频信号产生并联电压伏反馈排除。3调节R9时，如果中点对电压不变，则可能是VT损坏或CC短路等原因造成的。4OTL放大器无信号输入时，常有轻微的“沙沙”的声；如用整流电源供电，则可能有轻微的交流声。这主要是由于OTL放大器的通频带很宽，频率较高的晶体管噪声和频率很低的交流都得到放大的缘故。如果放大器产生的“沙沙”声较大，可在VT2的集电极和基极之间并联一只50uF-300 uF的负反馈电

21、位器，这对降低晶体管噪声，稳定放大器的工作有明显的作用。OTL电路抗交流电干扰能力较差，应加强电源滤波和稳压。第三章 设计总结通过这次对功率放大电路的设计，让我了解设计电路的程序，也让我了解了关于功率放大电路的设计理念。以前老师在课堂上讲一些，课下做一些习题，对此问题了解甚少，但经过此次的设计就完全不同了。课程设计都需要刻苦耐劳，努力钻研的精神。对于每一个事物都会有第一次的吧，而没一个第一次似乎都必须经历由感觉困难重重，挫折不断到一步一步克服，可能需要连续几个小时、十几个小时不停的工作进行攻关；最后出成果的瞬间是喜悦、是轻松、是舒了口气！课程设计过程中出现的问题几乎都是过去所学的知识不牢固，许多计算方法、公式都忘光了，要不断的翻资料、看书，和同学们相互探讨。虽然过程很辛苦，有时还会有放弃的念头，但始终坚持下来，完成了设计，而且学到了，应该是补回了许多以前没学好的知识，同时巩固了这些知识，提高了运用所学知识的能力。 【参考文献】【1】杨世彦主编电工学的中册电子技术机械工业出版社2006.01【2】陈跃安主编 电路学与电工电子技术北京交通大学出版社；清华大学出版社2005.10【3】刘蕴陶主编电工电子技术高等教育出版社2007.03【4】张志良主编电子技术基础机械工业出版社2009.0115