实用功率放大器.doc

一、 任务
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如图1所示。
外供正
弦信号
源
变换
电路
弱信号前置放大级
功 率
放大级
自制稳压电源

等效负载
电阻
正 、负极性对称方波

220V
50
图1 设计任务示意图
二、 要求
1、基本要求
（1）在放大器通道的正弦信号输入电压幅度为5~700mV，等效负载电阻为8Ω条件下，放大通道应满足：
①额定输出功率。
②带宽50~10000。
③在下和内的非线性失真系数≤ 3%。
④在下的效率≥55%。
⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，上的交流声功率≤10mV。
（2） 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
2、发挥部分
（1）放大器的时间响应
①由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波；频率为1000、上升和下降时间≤ 1us、电压峰—峰值为200mV。
用上述方波激励放大通道时，在条件下，放大通道应满足：
②额定输出功率。
③在下输出波形上升和下降时间≤ 12us。
④在下输出波形顶部斜降≤2%。

⑤在下输出波形过冲量≤5%。
（2） 放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减少非线性失真等）。
题目分析
1. 求输出最大电压
根据题意，输出功率，负载。则

于是
故

2. 求系统最大电压放大倍数
根据题意，输入电压为5~700mV，则

3. 脉冲参数定义
脉冲矩形波形如图2所示，具体脉冲参数定义如下：
—脉冲幅度；
T—脉冲周期；
—脉冲宽度；
—占空系数；
—上升时间；
—下降时间；
—顶部斜降；
—波形过冲量。
方案论证
系统原理方框图如图3所示。它由波形变换电路、弱信号前置放大电路、功率放大电路、功率指示与保护电路、自制稳压电源五个部分组成。
变换
电路
弱信号前置放大级
功 率
放大级
自制稳压
电源
功率显示
与保护
外供正弦信号源

220V
50
该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频率、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。
一、 波形变换电路
方案一：采用过零的比较器进行波形变换，将1000的正弦波变换成同频率的方波信号，然后经过施密特触发器进行整形。
方案二：直接采用施密特触发器进行变换与整形。而施密特电路可采用高精度、高速运算电路搭接而成，也可采用专用施密特触发器构成，还可以选用NE555电路构成。
本系统采用方案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。
二、 弱信号前置放大级
弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。
符合上述条件的集成电路有：M5212L、M5213、TA7120P、TA7322P、TA7668AP\BP、NE5532、TDA2040A、LM1875、TDA1514等。
设计选用ME5532低噪声、高保真集成芯片。
三、 功率放大级
方案一：采用专用的音箱集成芯片。符合题目要求的集成芯片有许多。例如以TA7240AP/7241AP、TA7270P/7271P为代表的音响芯片，近30多年来，在我国的音响设备中非常流行。它的主要特点是：失真小、噪音小、音质纯且价格便宜。若要进一步提高输出功率到50W左右，采用原膜集成电路STK4181II、STK4191II等。输出80W的有STK8280II、输出100W的有STK0100II等。该方案的优点：技术成熟，外围元器件少，调试简单，便于扩充等。
方案二：功率放大输出级采用分立元器件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点，由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。
这两种方案均可行，经过综合分析，最终选择方案一。
四、 功率显示及保护电路
本系统采用TA7336集成芯片构成的功率电平显示及保护电路。
五、 自制稳压电源
本系统采用三端稳压电路。
硬件设计
由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分立元件相结合的方案，另一种方案是全采用集成芯片的方案。现分别说明如下：
方案设计一：采用集成电路与分立元件相结合的设计方案。具体电路由图

1、 增益分配
因系统总的电压放大倍数为：

令末级功率放大器放大倍数为22dB，则前置放大器的放大倍数应。
2、 前置放大器的设计
如图9.2.4所示，前置放大器由两级组成，它的任务是完成小信号的电压放大，其失真度和噪声对系统的影响最大，故采用用了低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532,均采用电压并联负反馈电路，因电压并联负反馈具有良好的抗共模干扰能力，且具有改善波形失真的作用。
第一级前置级增益为

第二级前置级增益为

考虑到输入信号的变化范围很大（5~700mV），用做分压器来改变整个系统的增益。为了稳定功放级的工作点，前置级和功放级之间采用但电容耦合。
在图9.2.4中，由LF357构成的施密特触发器。主要起波形变换的作用。根据题目要求，变换后的方波要正负对称，频率为1000上升和下降时间≤ 1us、电压的峰—峰值为200mV。LF357属于FET管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点。完全可以满足技术指标要求。
3、 功率放大器设计
功率放大器如图9.2.5所示。与、与组成复合管，末级属于典型OCL电路。本电路功率推动级选择NE5534，主要承担电压放大任务，由于在其噪声、转换速率、增益带宽积等方面优异的指标，而且具有一定的输出电流，做功率推动级很合适。
1） 选择功率末级的两对对管
一般推动管、的电流增益在100左右，输出管、的电流增益在40左右。这两类管子的两个关键参数为特征频率与集电极最大允许耗散功率。
特征频率与放大电路上限（下降3dB）频率的关系为

系统阶跃响应的上升时间与放大电路上限频率的关系为

推动管、的特征频率

输出管特征频率为

对乙类OCL放大器来说，。为单管最大管耗，为最大不失真输出功率，甲乙类OCL应大于此。因此，输出管。
根据以上计算，并考虑到指标提高及工程实际，推动管选用对管2SB649、2SD669，其参数为，，。输出管选用对管2SA6114,2SC2707,其中参数为，，，可以满足设计要求。
2） 功率放大级各管的工作点
考虑到本电路工作于甲乙类，若设效率为70%，则允许末级管耗为输出功率的30%.

所以，，都采用精密电位器。
3） 要做到尽量小的失真
由于采用OCL电路，首先要保证正、负两边放大电路的对称，包括电源值的对称，与，与的放大倍数相等，对应电阻值、二极管压降相等；第二为了减小交越失真，应把~的工作点适当提高。实际上前者很难达到，尤其是两对对管值很难做到对称相等。补偿方法一是通过调节、、使输出点TP2-2的静态电位尽量接近零伏，二是为了补偿由于管结温的升高其值的增加，采用具有负温度系数的二极管、（1N4148）对其进行补偿。同理具有负温度系数的热敏电阻也具有相同的作用（见图9.2.4)。
功率放大器采用两级电压并联负反馈，其电压放大倍数为

4. 电源电路的设计
如前所述，本电路输出正弦波幅值为12.6V，从提高效率考虑，功放级电源电压越接近12.6V越好，但考虑到管压降因数，选用了一个双18V变压器。经整流滤波可得约的
电压。在这种情况下，若本电路工作于乙类，则效率为

考虑系统既存在大信号（功放级），也存在小信号（前置级），所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干扰。
因此要采取单点接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上（见图9.2.6）.
5.功率指示和保护电路设计
本电路附加了一功率指示和功率保护电路，其原理简述如下：从图9.2.5中F点输出的信号经一电阻采样，送入TA7366（5位电平指示器，见图9.2.7），适当调整采样电阻的值，使电平指示的最高位对准本功放的临界失真功率。当最高位LED点亮时，其压降约1.8V，以此电压触发单向晶闸管，再推动继电器，将功放通道的电源断开。不需要保护时只需将晶闸管的阳极断开。
6.各部件的安放位置
变压器远离前置板和输入点；散热片靠外，远离前置板；1N4148，尽量靠近散热片。

设计方案二，采用集成电路作输出级的设计方案。该设计方案系统原理框图如图9.2.8所示。
前置放大器原理图如图9.2.9所示，波形变换器原理图如图9.2.10，功率放大器原理图如图9.211所示，保护电路如图9.2.12所示。

输入缓冲
信号放大
波形变换
输出限幅
方波整形
功率放大
弱信号放大I
信号放大II
增益控制I
增益控制II
过载保护
开机延时
稳 压
电 源

负载

方波

+12V +15V
—12V +15V

+5V

图9.2.8 设计方案二系统原理框图

测试结果及结果分析
对设计方案一进行测试，并将测试结果整理如下。
1） 额定功率、带宽、非线性失真系数的测试
测试仪器：函数发生器，失真度测试仪，示波器。
测试结果：见表1、表2

表1 （峰—峰值）

1000
8
10
100
10000
50000
80000
100000

0.22%
0.22%
0.22%
0.22%
0.22%
0.22%
0.22%
0.22%

0.25%
0.4%
0.35%
0.28%
0.8%
2.6%
2.9%
3.4%

0.12%
0.33%
0.27%
0.17%
0.77%
2.59%
2.89%
3.39%

17.0
12.0
13.5
17.0
17.0
15.4
13.3
12.0

表2 （峰—峰值）

1000
50
5
1
100
10000
50000
100000

0.34%
0.36%
4.02%
不稳定
0.37%
0.35%
0.5%
0.48%

0.35%
0.36%
0.45%
不稳定
0.375%
0.8%
2.0%
3.0%

0.083%
0.083%
2.1%
/
0.061%
0.72%
1.94%
2.96%

17.0
17.0
14.5
12.5
17.0
17.0
16.0
12.0

2） 噪声功率的测量
测量设备：示波器20M
测量结果：交流噪声有效值为2mV。

3） 功率测试
测试设备：数字万用表，函数发生器，示波器
测试结果：在输出额定功率的前提下，测得，则

故功率为 。
实际上，功率级本身的功耗小于26.3W，故稍大于60%。
4） 波形变换电路的测量
测试设备：函数发生器，示波器。
测试方法和步骤：
①增益调至最小，把输入信号切换开关打到方波产生的位置。
②系统加电，信号发生器产生频率为1、幅度为150~200mV的正弦波，再把示波器接到波变电路输入点。观察输出波形，记录各值。
③再把示波器接到波变电路输入点，调节增益使输出方波幅度为12V(单峰值)，观察输出信号，记录各值。
测试结果：见表3。
表3 测试结果
测试项
幅度
上升时间
下降时间
TP1—2
200mV()
0.5us
0.5us
TP1—2
16V()
4.2us
5.3us
测试结果分析：由测试结果可见，本电路具有很好的高频响应特征（），
这就保证了很短的上升时间（）；而低频下限频率延伸到很低（），又保证了很小的平顶斜降。从测试结果来看，本电路在其通频带5~80内的失真度小于3%，尤其在50~10之间时具有非常平坦的幅频特性，这主要得益于整个电路简洁、实用的设计，前置放大级和功率放大级内部均为直接耦合，功率放大级采取交直流大环负反馈，同时利用热敏电阻和二极管的负温特性，对放大器由于工作温升造成的工作点漂移进行补偿，使得系统的非线性失真度和不稳定度大为减小。