原创低频功率放大器设计

 2008-6-19 21:32  5795 2 3 分类: 工程师职场

《低频功率放大器设计》<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

一、系统方案

1．设计要求

设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如下：

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1．基本要求
　　（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻R_L为8Ω下，放大通道应满足：
　　① 额定输出功率P_OR≥20W；
　　② 带宽BW≥（50～10000）Hz；
　　③ 在P_OR下和BW内的非线性失真系数≤3%；
　　④ 在P_OR下的效率≥55%；
　　⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时，R_L=8Ω上的交流声功率≤10mW。

（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 方波产生：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1000Hz、上升时间≤　1μs、峰-峰值电压为200mV_pp。
　　用上述方波激励放大通道时，在R_L=8Ω下，放大通道应满足：
　　② 额定输出功率P_OR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；
　　③ 在P_OR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；
　　④ 在P_OR下输出波形顶部斜降≤2%；
　　⑤ 在P_OR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、减小非线性失真等）。

2、主要电路的设计与计算

1. 功率放大级电路设计

当功率放大器以的满功率不失真输出时,输出电压的幅度为

为留有充分的余地,取.由此可以计算功率放大器的总电压增益,即

用分贝表示,

功率放大级电路可直接选用集成功率放大器,也可以选用分离元件来组成,但是由于集成功率放大级的调节往往达不到目的,故选用由分离元件晶体管组成的功率放大电路,电路图如下所示：

其中、组成差分放大器，如果电路的参数完全对称则电路具有很高的共模抑制比，可以克服由温度变化引起的静态工作点的漂移。晶体管组成电压放大器，为末级功率放大电路提供驱动电压。晶体管、、、组成末级功率放大电路，输出端为互补对称的OCL电路。这3级之间采用直流耦合，并引入直流负反馈，电压增益为反馈电阻决定，即。反馈支路并联电容可以减小高频自激。

（1） 末级功率放大电路

本设计的技术要求：在额定功率下，输出的正弦波信号的非线性失真系数3%，效率55%，所以末级功率放大电路工作在甲乙类比较好。因为工作在甲类状态，虽然非线性失真系数小，但效率较低，一般小于50%；如果工作在乙类状态，虽然效率高较高，但输出波形，容易产生交越失真，达不到非线性失真系数3%的要求。上图中二级管、、和电位器是用来调整电路的工作状态的。静态时，调节电位器，使A，B间的电压为2.8.V，即近似等于晶体管、、、的be结电压之和。晶体管、、、静态时外于微导通状态，O点对地的电压应为0V，从而克服交越失真。

采用+、-双电源供电，由上面计算可得，输出电压的幅度为+20V，则+20V，为留有余地，选+ =24V，-=-24V。

功率输出晶体管、选用一对大功率互补对称的场效应晶体管2N3055和MT2955。其特征频率，耗散功率20W，选>50。驱动管、也是一对互补对称的晶体管，其特征频率，耗散功率500mW，选>80。

（2） 电压放大电路

电压放大电路给末级功放提供驱动电压，晶体管构成；静态工作点由电阻R4、R8、R9决定，取集电极电流为6mA左右。电容是高频电压负反馈支路，防止高频自激。

（3） 差分放大器电路

差分放大器电路由晶体管、构成。选择差分放大器电路作为功率放大级的前级，主要是为了提高电路的抗干拢能力。电路的静态工作点由电阻R6和及R2和等决定，差分对管的集电极电流通常取1mA左右。

2．前置放大级电路设计

前置放大级电路的主要功能是将5mV~700mV输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的1.4V输入信号。因此，需要解决两个问题:一是本级400倍的电压放大倍数和带宽BW>50Hz-10KHz的矛盾;二是对5mV-700mV范围内的信号,都只能放大到2V。以满足额定输出功率Po20W的要求。对于前者，可以采用二级放大器，因为放大器的增益带宽积是一个常数，第级的增益减小，带宽就可以提高。对于后者，可以设计一个音量控制电路或自动增益控制电路，使功放级的输入信号控制在2V左右。根据以上思路，设计的前置放大级电路如下图所示。

其中，NE5532是一个双运放集成运算放大器，可以有来构成，二级放大电路。其主要性能参数如下：

增益带宽积10MHz，转换速率为9V/，共模抑制比100，输入电阻300k。设前置放大器的增益为:

对于幅度为5 mV~700mV的输入信号，的输出幅度为100mV~14V 。选电源电压+ =24V，-=-24V。第二级放大器的输入信号的大小由音量控制电位器进行控制。设的增益为

对于100mV的输入信号，不经过电位器衰减，直接由放大至2V；对于大于的100mV信号，则调节音量控制电位器先进行衰减后再放大，使得经放大后的信号的幅度也为2V，以满足功率放大级输出额定功率的要求。

3．方波发生器电路设计

方波发生器电路的功能：一是要将信号源输的1000Hz正弦波变为正负极性对称的方波，且=200mV；二是方波信号要经过放大通道进行放大，使输出达到额定功率。此外，还要满足方波波形成参数的要求。首先从方波的波形参数考虑，选用快速比较器LM339或LM139组成一个过零比较器，其上升沿和下降沿的时间均小于0.5。的同相端接放大后的正弦波信号，反相端接地，实现过零比较。的输出为的对称方波。经R8、R9电阻分压后的输出信号的峰-峰值为200mV。再将开关S1置于2处，方波信号经过放大通道进行放大，使输出达到额定功率。

4．稳压电源设计

根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求，需要稳压电源输出的两种直流电压，即前置放大级的和功率放大级的。电压可选用集成稳压电源LM7812和LM7912芯片直接输出，电压可以选用电压可以调节的集成稳压电源电路芯片LM317、LM337。其性能参数为：输出电压调节范围1.2~37V，最大输出电流，最小输入<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1.5A，最小输入，输出压差为3V，最大输入，输出压差为40V。直流稳压电源如下图所示。

其中，LM317和LM337的输出电压可由下式决定。

式中，R1一般取200左右，若取220，=18V，则3K，取4.7K精密电位器。

电压变压器的参数计算如下。稳压电源消耗的直流功率为

式中，稳压电源的输出功率应大于功率放大器的额定输出功率20W。取=25W，效率=66%，则电源消耗的直流功率=38W，通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率，为留有余地，电源变压器的功率Tr取50W。

变压器副边的电压的计算如下：设LM317的压差为3V ，则LM317的输入端的电压为21V，若取二极管桥式整流器的系数为1。1，则变压器副边的电压为>21V/1.1=19V，取为20V。

由以上分析计算，可选用一个功率为50W，输入为二路20V的电源变压器，也可自制。

的电压可以由LM317、LM337输出的电压获得，即将LM7812和LM7912接的输出，、因数字音量控制和电平指示电路需要+5V的电压供电，所以还要将LM7812的输也接一片LM7805

5．数字音量控制和电平指示电路设计

为了满足输入信号的幅度在5mV~700mV的范围内，功率输出级的输出功率的额定功率10W的要求，在前置放大级的第二级的输入端采用电位器RP1对大信号进行衰减。如果RP1不是处在最大的衰减位置，而输入信号又比较大，则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率，很有可能烧坏功率放大器。为了避免这种情况的出现，设计了一个数字音量控制电路。如图所示，

其中CD4051是一个8选1的模拟开关，CD4516是一个4位十六进制异步可逆计数器，由555组成单稳态电路，产生计数脉冲，脉冲宽度。电路工作原理是：接通电源，由C3，R11组成的置数电路给计数器CD4516置数，其输出=000，则8选1开关的CD4051接通。这时输入信号经过电阻网络最大的衰减后，再由CD4051的I/O端输出，从而避免了因输入信号较大而损坏功率放大器的情况，CD4051的输出信号经耦合电容C4和电位器RP1进一步调节后使输出保持75mV左右，再送入前置放大器第二级的输入端。输入信号来自前置放大级第一级的输出，的范围为100mV~14V.。当为100mV时，调节计数脉冲，使计数器的输出=111,则CD4051接通I/，输出100mV；当为14V时，使计数器的输出=000，则CD4051接通I/，输出为（14 V/100）×0.5=700mV;再调节RP1使100mV。由此可见，对于100mV~14V范围内的输出信号，经过数字音量控制电路后均变为100mV左右，从而满足输出额定功率的要求。