音频功率放大电路设计.pdf

音频功率放大电路设计(A)一、设计并制作一音频功率放大电路，具体要求如下：（）功率放大电路能够提供 10 倍的电压增益；（）功率放大电路的下限频率小于 100Hz(20 分)，上限频率大于 10KHz;（）在负载电阻为 的情况下，输出功率700mw；（）功率放大电路效率大于 50%；（）输出信号无明显失真。（）输入电阻：600 说明：功率器件不能选用集成音频功率放大电路。参考元器件：TL082，3DG6/3DG21,3AX83/3BX83,1N4148/1N4001/2CP10，3DD15 中功率管或 2N3055 大功率管等主要测试设备：直流电源，信号源，示波器和 负载二、整体方案选择 音频功率放大电路系统方框图如图 1.1.1 所示，主要由前置放大电器和功率输出放大器组成。前置放大器功率输出级iuou图 1.1.1要求功率放大电路能够提供 10 倍的电压增益，这样的增益要求很容易实现，通常功率输出级的增益为 20 左右。前置放大级采用前置低频放大器集成电dB路，我们选用 A 类运算放大器作为前置运算放大器，它具有噪音低、功耗小、一致性好的优点。设计要求放大器的带宽100Hz10KHz，为了满足 100Hz 的低频响应，要求各级的输入耦合电容和输出耦合电容必须足够大，特别是耦合到负载=8LR的电容，根据LC1/1/=1/（2100 8）=198.95F。为了满足wLCLRLCwLR耦合要求，应大于 1/值的 50 倍，即=9947.5F。实际中无法选用如此大的LCwLRLC电容，所以功放输出级只能采用无输出耦合电容的 OCL 电路形式。OCL 电LC路形式需要采用对称双电源供电。在负载电阻为 的情况下，输出功率700mw。由可得2omomlupR=3.5V，所以7V 就可以了。omu2LompRP PV 功率放大电路效率大于 50%和输出信号无明显失真两个指标事相互关联的，若要求非线性失真小，则末级功放就必须工作在甲乙类，这时效率就回降低，因此必须两者兼顾。三、单元电路设计1、前置放大电路前置放大电路一般采用宽频带、低漂的运算放大器。可选用的集成运算放大器很多，我们这里选用 TL082。为了提高输入阻抗和抑制共模抑制性能，减少输出噪声，采用集成运算放大器构成前置放大电路时，必须采用同相放大电路结构，电路如图 1.1.2 所示图 1.1.2要求输入电阻为 600，则=R12=600。iR反馈电阻取 R14=30k，反向端电阻 R13=10k前置放大电路的电压增益=1+=4，输入的=1V，=0.5V,1VA32RRiuP PVimu=0.5 4=2V，前置级的输出电压小于最大不失真输出电压。1omu2VCC2、功率放大电路的设计功率放大电路主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。这里采用双电源供电的 OCL 互补对称功放电路。采用 OPA2228 和大功率晶体管对管 TIP121、TIP126 组成，如图 1.1.3所示。其中 OPA2228 担任电压驱动激励级，大功率晶体管对管TIP121、TIP126 担任 OCL 功率放大。图图 1.1.3该 OCL 功率放大电路中（1）、功率放大电路增益=1+,R1=20k，取 RP1=40 k,则2vA11RPR=3，又因为=4，整个电路的增益=4 3=1210。2vA1VAvA（2）、要求输出在负载电阻为 的情况下，输出功率700mw。由可得=3.5V，所以7V 就可以了，这里取2omomlupRomu2LompRP PV=9V,P PV则此时输出功率的计算8,=1.56w700mw;LR2omomlupR252 8电源的输入功率为：=，其中是电源电压，这里为 9V，imPVCCcIVCC是直流电源提供的平均电流，可以由供电回路中串入一只电流表读出，也可cI以由直流电源发生器直接读出。这样就可以计算出效率=。omipp（3）、电阻 R6R11 的估算。电阻 R7 和 R9 用来减少复合管穿透电流，大小会影响 VT1 和 VT2 的稳定性，太大会影响输出功率，一般 R7=R9=（510），为 VT3 输入端的等效电阻。大小约为=+（1+）R10,大功3iR3iR3iR3ber3率管10.2，20，输出功率管 VT3、VT4 的 e 级电阻 R10、R11 起到电ber流负反馈的作用，使电路稳定，减少非线性失真，一般取R10=R11=（0.050.1）。R6、R8 的作用是使 VT1、VT2 平衡，即使cRVT1、VT2 输入阻抗相等，一般取 R6=R8=R7/3iR综上关系，R6R11 的阻值如下：R7=R9=240，R6=R8=22，R10=R11=1四、完整电路图五、电路的调试（一）调试所用的仪器函数信号发生器、直流电源、示波器、万用表（二）调试内容1、静态调试输入对地短接，观察输出有无振荡，若有振荡则采取措施消除振荡。图 1.1.3 的静态调试。静态调试时调整参数，使 VT1、VT2、VT3、VT4组成的 NPN 复合管和 PNP 复合管的特性尺量一致，即，此时1cI2cI=0。从减少交越失真考虑，大些为好，但静态电流大，使效率相ou12ccI I应下降，所以要选择合适的电流。2、动态调试动态调试采用先分级调试再整机调试的方法。分级调试在输入正弦波信号峰峰值 Vpp=V，频率为 1k Hz 的情况下，对前置放大级进行调试，看输出是否达到设计的指标；在同样的输入信号下对功率放大级进行动态调，测量输出波形，看电路是否能正常工作。整机调试在分级调试都正常的情况下进行整机测试，首先在 Vpp=V，频率为 1k Hz 的输入情况下对输出进行测量，看输出波形幅值是否达到要求的增益。改变频率为 100Hz 以下和 10kHz 以上，看输出波形幅值是否仍然符合要求。测量回路电流，计算电源输入功率。根据输出波形的幅值计算输出功率，cIimPpom并求出效率，看是否符合要求。（三）调试中出现的问题、原因及解决方法电路故障的排除通常有以下方法：信号寻迹法 寻找电路故障时，一般可以按信号的流程逐级进行。从电路的输入端加入适当的信号。用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内务部分传输的情况，根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常，如果有问题，应及时处理。调试电路时也可从输出级向输入级倒推进行，信号从最后一级电路的输入端加入，观察输出端是否正常，然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端，继续进行检查。这里所指的“适当信号”是指频率、电压幅值等参数应满足电路要求，这样才能使调试顺利进行。对分法 把有故障的电路分为两部分，先检测这两部分中究竟是哪部分有故障，然后再对有故障的部分对分检测，一直到找出故障为止。采用“对分法”可减少调试工作量。分割测试法 对于一些有反馈的环形电路，如振荡器、稳压器等电路，它们各级的工作情况互相有牵连，这时可采取分割环路的方法，将反馈环去掉，然后逐级检查，可更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用此法检查。电容器旁路法 如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障，检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端，观察对故障现象的影响，据此分析故障的部位。在放大电路中，旁路电容失效或开路，使负反馈加强，输出量下降，此时用适当的电容并联在旁路电容两端，就可以看到输出幅度恢复正常，也就可断定旁路电容的问题这种检查可能要多处试验才有结果，这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也用来检查电源滤波和去耦电路的故障。对比法 将有问题的电路的状态，参数与相同的正常电路进行逐项对比此方法可以较快地从异常的参数中分析出故障替代法 把已调试好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路(注意共地)，这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显，如电容器漏电、电阻变质，晶体管和集成电路性能下降等，这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验，就可以具体地判断故障点，加快查找故障点的速度，提高调试效率。静态测试法 故障部位找到后，要确定是哪一个或哪几个元件有问题，最常用的就是静态测试法和动态测试法，静态测试是用万用表测试电阻值、电容器漏电，电路是否断路或短路，晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等这种测试是在电路不加信号时进行的，所以叫静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障。动态测试法 当静态测试还不能发现故障原因时，可以采用动态测试法测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况，观察电路的工作状况，分析、判别故障原因。组装电路要认真细心，要有严谨的科学作风。安装电路要注意布局合理调试电路要注意正确使用测量仪器，系统各部分要“共地”，调试过程中不断跟踪和记录观察的现象、测量的数据和波形。通过组装调试电路，发现问题、解决问题，提高设计水平，圆满地完成设计任务。此次课设的调试过程也出现了不少问题（1）、三级管的引脚连接错误。虽然这个是焊接时的粗心导致，但要查出这个错误并不是一件容易的事。通过信号寻迹法和对比法菜把它找出来。（2）整机调试中，在没接功率负载时，输出波形符合要求，一但接上功率负载，输出波形立刻变为零。原因是刚开始对称三级管选用的是 3DG06 和3CG21，e 级输出电流不够大，无法驱动功率负载。解决方法便是替代法了。将三级管换为 TIP121 和 TIP126，便能驱动功率负载了。六、实验调试所得数据及计算1、实验所得数据vOPPVvVCCAcI带宽 Hz失真情况1290.285020k无明显失真2、计算=1210VAoppppVV121=2=6 v，=2.25w700mwomuOPPV2omomlupR262 8=9 0.28=2.52wimPVCCcI=89.350omipp2.252.52七、电路的特点和方案的优缺点以及改进意见本电路的特点是以简单高效的电路形式顺利完成了本次设计指标的各项要求，不足是由于电路形式简单，对复杂输入信号的均衡能力、以及改善信号的信噪比能力不够，对周围环境噪声干扰能力还不够强。还有就是没有对音频输入信号的控制以及美化功能。改进意见：（1）、设计更完善的抗干扰电路。加装滤波器低通滤波器去除与电源系统的相连时的高次谐波。因为采用低通滤波器滤去高次谐波，以改善电源输入波形。还有可以加入退耦滤波器。一个直流电源同时对几个电路供电，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路的直流电源进线处加装，型 RC 或 LC 退耦滤波器。（2）、对前置放大器进行改善，可设计均衡放大器对输入信号进行改善。（3）、可在功率放大级前设计音调控制电路对音频进行美化控制八、电路设计的体会本次课设是我大学的第一个课程设计，对本人而言是一次难得的经验和教训。虽说自己的数电和模电课本知识学得还好，但当到真正用的时候就不能那么随心所欲了，甚至可以有点说是有点吃力。要不断的查参考资料，不断尝试，一点点地深入了解了其工作原理。我突然发觉，一些在课本上看起来很容易的内容其实一点不简单，同样地，一些很难的理论知识应用起来其实也不是那么难，设计的时候可能知道用哪个电器元件，但到真正确定型号的时候有不知道到底用哪个了，选哪个公司哪个型号最经济适用了也不是那么容易的。当碰到想用的元器件型号刚好没的卖的时候，又有可能连最简单的替换元件都不知道如何选择。在整个过程中，我逐渐体会出学习知识应该主动去探索，而不是坐享其成。我们真正成为学习的主人，第一次主动学习实践，感受着成功的喜悦与失败的沮丧，亲身体验着“有所收获就要有所付出”的人生哲理，这一切将成为我们终身受益的财富。电子设计带给我的人生体验、知识学习、技能锻炼是其他各种形式的教学环节所无法达到的。其实，真正的获得并不在于最后的结果，而在于整个过程中自觉或不自觉吸纳的一切。另外，此次课程设计使我对那些仪器设备有了进一步了解，函数信号发生器、数字示波器、万用表、直流电源等。对他们的使用更加熟练，也学会了一些以前不知道的使用技巧。当然，课设也使我深深的体会了团队精神的重要性。两人一队，分工明确固然重要，但队友之间的及时沟通，尤其是在设计遇到困难时，要充分的把两个人的优点发挥出来。附录一、元器件清单名称型号参数数量电阻 R120k1R2100k1 R35.1k2 R410k1 R510k1 R6221 R72401 R8221 R92401 R1011 R1111R126001 R1310k1 R1430k1 RP110310k1 RP210310k1电解电容25V/10F10F5二级管 VD11N14181 VD21N14181 VD31N14181晶体管 VT12SA18151 VT22SC10151 VT3TIP1211 VT4TIP1261集成芯 TL082TL0821 OPA2228OPA22281功率负载 RL8/2.5W1二、参考文献1、模拟电子技术基础第四版，华成英、童诗白主编，高等教育出版社，2006 年 1 月2、大学生电子设计与应用 王彦朋主编 机械工业出版社 2007 年 3月3、电子技术基础第四版，康华光主编，高等教育出版社，1999 年