電子設計 低點頻功率放大器畢業(yè)論文

摘要:低頻功率放大器簡稱功放，可以說是各類音響器材中最大的一個家族了。低頻功率放大器的的設計是有很多意義的：它可將音源器材輸入的較微弱信號進行放大，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重放。目前低頻功率放大由分立元件組成，或集電極輸出完成，由分立元件組成的功放，電路結(jié)構(gòu)簡單，由集電極輸出的功放，可減少信號失真。關(guān)鍵詞:低頻功率放大器;分立元件;集電極輸出；DesignofPracticalLowFrequencyPowerAmplifier

Abstract:PAshortamplifiercanbesaidthatthevarioustypesofaudioequipmentinoneofthebiggestofthefamily.Practicallow-frequencypoweramplifierdesignisalotofsignificance:itcanbeimportedaudioequipmentforaweaksignalamplification,togenerateenoughcurrenttodrivethespeakerstovoiceplayback.Atpresentpoweramplificationbydiscretecomponents,orcompletecollectoroutputfromtheamplifiercomposedofdiscretecomponents,circuitstructureissimple,fromthecollectoroutputamplifiercanreducethesignaldistortion.Keywords:Low-frequencypoweramplifier;discretecomponents;collectoroutput;目錄第一章緒論 3第二章低頻功率放大器概述 4低頻功率放大器的基本要求 4低頻功率放大器的分類 42.3功率放大電路的主要特點 6第三章低頻功率放大器的設計 73.1低頻功率放大器設計的要求和內(nèi)容 7系統(tǒng)總體設計方案 73.2.1設計思路 7各模塊方案選擇和論證 8各模塊的最終方案確定 11理論分析與計算 113.3系統(tǒng)電路設計 113.3.1前置放大電路 113.3.2中間放大級 123.3.3功率放大級 133.3.4測量部分 143.3.5顯示部分 153.4系統(tǒng)軟件設計 153.4.1測量顯示模塊軟件設計流程圖 15系統(tǒng)測試 173.5.1測試儀器 173.5.2指標的測試 183.5.2.1放大倍數(shù)的測試 183.5.2.2輸入電阻的測試 183.5.2.3通頻帶的測試 183.5.2.4低頻放大器效率的測試 19結(jié)論 20參考文獻 20第一章緒論在模擬電子線路中信號經(jīng)過放大后，往往要去推動執(zhí)行機構(gòu)完成人們所預期的功能，例如推動喇叭發(fā)出聲音，推動繼電器實現(xiàn)控制等等。這些執(zhí)行機構(gòu)是把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的器件，他們正常工作需要從電路中獲取較大的能量。所以放大電路的末級多有功率放大器組成，以便為負載提供足夠的信號功率。本次課程設計就是簡易低頻功率放大器。隨著現(xiàn)代社會電子科技的迅速發(fā)展，要求我們要理論聯(lián)系實際，電子技術(shù)課程設計的進行使我們有了這個非常重要的機會，通過這種綜合性訓練，要求我們達到以下目的和要求：1、結(jié)合課程中所學到的理論知識，獨立設計方案。2、學會查閱相關(guān)手冊于資料，通過查閱手冊和文獻資料，進一步熟悉常用電子器件類型和特性，并掌握合理選用的原則，培養(yǎng)獨立分析于解決問題的能力。這次課程設計是對我們所學習的電子技術(shù)的一次實際應用,也是對我們所學知識的一次練習和提高。第二章低頻功率放大器概述2.1低頻功率放大器的基本要求功率放大器和電壓放大器是有區(qū)別的，電壓放大器的主要任務是把微弱的信號電壓進行放大，一般輸入及輸出的電壓的電流都比較小，是小信號放大器。它消耗能量少，信號失真小，輸出信號的功率小。功率放大器的主要任務是輸出大的信號功率，它的輸入、輸出電壓和電流都較大，是大信號放大器。它消耗能量多，信號容易失真，輸出信號的功率大。這就決定了一個性能良好的功率放大器應滿足下列幾點基本要求：為了得到足夠大的輸出功率，三極管工作時的電壓和電流應盡可能接近極限參數(shù)。功率放大器是利用晶體管的電流控制作用，把電源的直流功率轉(zhuǎn)換成交流信號功率輸出，由于晶體管有一定的內(nèi)阻，所以它會有一定的功率損耗。我們把負載獲得的功率Po與電源提供的功率PE之比定義為功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率η，用公式表示為：η＝eq\f(Po,PE)×100%顯然，功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率越高越好。功率大、動態(tài)范圍大，由晶體管的非線性引起的失真也大。因此提高輸出功率與減少非線性失真是有矛盾的，但是依然要設法盡可能減小非線性失真。2.2低頻功率放大器的分類一、以晶體管的靜態(tài)工作點位置分類常見的功率放大器按晶體管靜態(tài)工作點Q在交流負載線上的位置不同，可分為甲類、乙類和甲乙類3種，如圖2.2.1所示。(a)3種工作狀態(tài)下對應的工作點位置(b)甲類功放的輸出波形(c)乙類功放的輸出波形(d)甲乙類功放的輸出波形圖2.2.1功率放大器的3種工作狀態(tài)工作在甲類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點Q選在交流負載線的中點附近，如圖2.2.1(a)所示。在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管都處于放大區(qū)內(nèi)，輸出的是沒有削波失真的完整信號，如圖2.2.1(b)所示它允許輸入信號的動態(tài)范圍較大，但其靜態(tài)電流大、損耗大、效率低。工作在乙類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點Q選在晶體管放大區(qū)和截止區(qū)的交界處，即交流負載線和IB＝0的交點處，如圖2.2.1(a)所示。在輸入信號的整個周期內(nèi)，三極管半個周期工作在放大區(qū)，半個周期工作在截止區(qū)，放大器只有半波輸出，如圖2.2.1(c)所示。乙類工作狀態(tài)的靜態(tài)電流為零，故損耗小、效率高，但非線性失真太大。如果采用兩個不同類型的晶體管組合起來交替工作，則可以放大輸出完整的不失真的全波信號。工作在甲乙類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點Q選在甲類和乙類之間，如圖2.2.1(a)所示。在輸入信號的一個周期內(nèi)，晶體管有時工作在放大區(qū)，有時工作在截止區(qū)，其輸出為單邊失真的信號，如圖2.2.1(d)所示。甲乙類工作狀態(tài)的電流較小，效率也比較高。二、以功率放大器輸出端特點分類(1)有輸出變壓器功放電路。(2)無輸出變壓器功放電路(又稱OTL功放電路)。(3)無輸出電容器功放電路(又稱OCL功放電路)。(4)橋接無輸出變壓器功放電路(又稱BTL功放電路)。三、功率管的安全使用知識就功率管而言，為了保證其安全運用，必須做到以下幾個方面：(1)避免發(fā)生集電結(jié)的擊穿。(2)避免集電結(jié)過熱，集電極的功率損耗應低于最大容許值PCM。晶體管的集電極容許損耗PCM不是一個固定不變的值，它和器件的散熱情況有關(guān)，根據(jù)環(huán)境溫度和器件的散熱裝置不同而有所不同。(3)功率管在工作時不能進入二次擊穿區(qū)。2.3功率放大電路的主要特點1．功率放大電路的任務和特點基于輸出較大功率的基本任務，對功率放大電路的討論主要針對以下幾個方面：1）大信號工作狀態(tài)為輸出足夠大的功率，功率放大電路的輸出電壓、電流幅度都比較大，因此，功率放大管的動態(tài)工作范圍很大，功放管中的電壓、電流信號都是大信號狀態(tài)，一般以不超過晶體管的極限參數(shù)為限度。2）非線性失真問題由于功放管的非線性，功率放大電路又工作在大信號工作狀態(tài)，必然導致工作過程中會產(chǎn)生較大的非線性失真。輸出功率越大，電壓和電流的幅度就越大，信號的非線性失真就越嚴重。因而如何減小非線性失真是功率放大電路的一個重要問題。3）提高功率放大電路的效率、降低功放管的管耗從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，功率放大電路提供給負載的交流功率是在輸入交流信號的控制下將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流能量而來的。任何電路都只能將直流電能的一部分轉(zhuǎn)換成交流能量輸出，其余的部分主要是以熱量的形式損耗在電路內(nèi)部的功放管和電阻上，并且主要是功放管的損耗。對于同樣功率的直流電能，轉(zhuǎn)換成的交流輸出能量越多，功率放大電路的效率就越高。因為功率大，所以效率的問題就變得十分重要，否則，不僅會帶來能源的浪費，還會引起功放管的發(fā)熱而損毀。第三章低頻功率放大器的設計3.1低頻功率放大器設計的要求和內(nèi)容設計并制作一個低頻功率放大器，要求末級功放管采用分立的MOS管?；疽螅旱皖l功率放大器可以實現(xiàn)以下功能：①當輸入正弦信號電壓有效值為5mV時（即峰峰值為7mv時，）在8Ω電阻負載（一端接地）上，輸出功率≥5W，輸出波形無明顯失真。②通頻帶為20Hz～20kHz。③輸入電阻為600Ω。④功率放大器的整機效率盡量提高。具有測量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號輸入時)、直流電源的供給功率和整機效率的功能，測量精度優(yōu)于5%。在滿足輸出功率≥5W、通頻帶為20Hz～20kHz的前提下,輸入信號幅度可降到。3.2系統(tǒng)總體設計方案3.2.1設計思路根據(jù)設計任務與要求,本系統(tǒng)由低頻功率放大器、測量電路和顯示電路組成。其中功率放大部分包括：前置放大級、中間放大級和功率放大級。測量顯示部分包括：電壓電流的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析和顯示。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設計方案并進行了論證。最終確定系統(tǒng)框圖如圖3.2.1.1所示。低頻功率放大器測量電路低頻功率放大器測量電路顯示電路圖3.2.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖3.2.2各模塊方案選擇和論證（1）高效率、寬帶功率放大器的類型選擇我們知道，為了提高功率和效率，一般的方法是降低三極管的靜態(tài)工作點及由甲類（θ=360，η）到乙類（θ=180，η），丙類（θη），甚至D類（η=100%）。但丙類放大器不適宜寬帶放大器，原因是失真太大。工作在乙類狀態(tài)會產(chǎn)生交越失真。D類放大器效率雖高，但在制作上有幾個技術(shù)難點，如脈寬調(diào)制，考慮到時間因素，我們采用甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路。甲乙類放大電路管耗小、效率高、可克服交越失真，雖然其效率比D類、乙類低，但其能滿足題目要求且較D類易制作。（2）信號前置放大級 方案一：采用分立元件組成放大電路。用小功率三極管組成差分放大電路作為輸入級。該電路的優(yōu)點是：共模抑制比高、性價比高。方案二：采用集成電路構(gòu)成。該電路的優(yōu)點是：電壓增益易調(diào)且高、電路簡單。根據(jù)題目要求需要低輸入電阻，高增益的前置放大級。方案一要求的性能相同的小功率三極管電路設計、計算相對復雜。而方案二具有更大的優(yōu)越性和靈活性，因此選用方案二。最終確定集成芯片采用低失調(diào)電壓、高開環(huán)增益的OP07。（3）中間放大級方案一：采用分立元件組成多級放大。用功率小三極管組成多級共射放大電路，性價比好。方案二：采用集成芯片和分立元件相結(jié)合組成多級放大。 根據(jù)題目要求，放大器的通頻帶要寬，放大倍數(shù)大。方案一各放大級如直接耦合，各級的靜態(tài)工作點相互影響，難以設置；如采用電容耦合，通頻帶將受影響，放大倍數(shù)要達到要求，放大級數(shù)多，難以達到要求。方案二采用集成芯片做一級放大，放大倍數(shù)易達到要求，設計易于實現(xiàn)，價比高。因此選方案二。（4）功率放大級輸出級的關(guān)鍵問題是放大功率、提高效率和減小波形失真。方案一：直接采用配對的Mos管組成甲乙類功率輸出級。如圖3.2.2.1。輸出級的關(guān)鍵問題是放大功率、提高效率和減小波形失真。方案一：直接采用配對的Mos管組成甲乙類功率輸出級。如圖3.2.2.1。圖3.2.2.1甲乙類功率放大輸出級方案二：甲乙類雙電源互補對稱放大電路。采用復合管構(gòu)成MOS配對管，增大輸出電流。如圖3.2.2.2。輸出輸入輸出輸入圖3.2.2.2甲乙類雙電源互補對稱放大電路方案相比較，方案二輸出電流大，故而使輸出功率也增大了，故采用方案二。（5）測量模塊方案一：輸出電壓經(jīng)分壓后用A/D直接采集計算， 由于輸出電壓較大，但A/D的基準電壓是5V，所以必須利用分壓將電壓降到5V以內(nèi)進行測量。 方案二：采用小阻值的采樣電阻如圖3.2.2.3我們知道，如果R2的阻值遠小于R1的阻值時，那R2對 ADC0804是低功耗的用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時間100us，輸入電壓范圍為0~5V。增加某些外部電路后，輸入模擬電壓為5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。ADC0804的外圍電路比ADC0832復雜，但是ADC0832的體積比ADC0804小，并且ADC0832使用的是串口，節(jié)省了IO口，ADC0804使用的是并口，但是使得程序編寫簡單。（6）顯示模塊根據(jù)設計要求，需要顯示輸出電壓、電源供給功率、輸出功率和效率。方案一：使用液晶屏顯示。液晶顯示屏具有低耗電量、無輻射危險，可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等特點。方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、耐老化、防曬防潮、易于維護、操作簡單的特點。本設計要顯示的數(shù)據(jù)較多，方案二要求數(shù)碼管位數(shù)多、硬件焊接繁瑣、且顯示的數(shù)據(jù)易混淆。方案一使硬件電路簡單、數(shù)據(jù)顯示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用1602液晶屏顯示。3.2.3各模塊的最終方案確定經(jīng)過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1）、前置放大級：采用OP07組成反相比例運算放大電路；（2）、中間放大級：采用OP07組成同相比例運算放大電路做第二級放大、差分放大做第三級放大、共射電路做第四極放大；（3）、功率放大級：采用配對管TIP41C、TIP42C分別與IRF250組成復合管，采用甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路。（4）、測量模塊：A/D采集數(shù)據(jù)、單片機控制；（5）、顯示模塊：1602液晶顯示。3.2.4理論分析與計算（1）求輸出最小電壓根據(jù)題意，輸出功率，負載,則故（2）、求放大器最小放大倍數(shù)根據(jù)題意，輸入最小電壓為5mv，則3.3系統(tǒng)電路設計3.3.1前置放大電路 為了減小外界信號對輸入信號的影響，前置放大電路加上帶通濾波。根據(jù)題目要求，為了使輸出電阻為600Ω，采用了輸入電阻低，共模信號為零的反相放大電路。令放大倍數(shù)為12，則平衡電阻平衡電阻電阻值為600的電阻，反饋電阻接阻值為100K的可調(diào)電位器。電路圖如圖3.1.1.圖3.3.1前置放大電路3.3.2中間放大級中間放大電路的放大倍數(shù)設為30.為了使整個電路的性能優(yōu)越，采用了2級放大。第一級為有源負載差分放大電路，提高電壓放大倍數(shù)。第二級采用共射擊放大電路。在中間放大級的前面，我們還加了一個帶通濾波，以提高整個放大器的性能。電路如見圖3.2.2。通過初步計算，仿真軟件仿真，得到各電阻值和電容值如圖示。圖3.3.2中間放大級3.3.3功率放大級根據(jù)設計要求，放大電路的通頻帶至少為20HZ20KHZ，在這里采用兩只互補中功率對管TIP41C、TIP42C構(gòu)成射隨器緩沖驅(qū)動級，即能夠滿足頻率要求。TIP41C與MOS管IRF250復合成NPN三極管，TIP42C與IRF250復合成PNP三極管，兩復合后的功率管組成輸出級。見圖2.3.1。由于采用的是MOS管，IRF250的開啟電壓為2到4V，所以該電路在輸入信號較小時（<10mV）時，存在一點點交越失真，但仍能滿足題目的大部分要求。輸入輸入圖3.3.3功率輸出級3.3.4測量部分測量部分采用A/D轉(zhuǎn)換電路來采集負載上的電流和電壓，然后將數(shù)據(jù)送單片機進行分析和處理，將結(jié)果送液晶顯示。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。見圖3.3.4.圖3.3.4測量、顯示電路3.3.5顯示部分顯示部分采用液晶1602，只要編寫簡單程序便可將數(shù)據(jù)顯示出來。見圖3.3.4.3.4系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件設計主要用來實現(xiàn)測量并顯示低頻功率放大器輸出功率、直流電源的供給功率和整機效率的功能。采用C語言編寫，對單片機編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和分析整理，進行顯示控制。3.4.1測量顯示模塊軟件設計流程圖開始開始顯示初始化ADC0832顯示開始開始計算結(jié)果寫指令寫數(shù)據(jù)結(jié)束圖3.4.1.2顯示模塊流程圖開始開始使能芯片產(chǎn)生時鐘信號輸入通道控制字讀取數(shù)據(jù)i++i>1000結(jié)束將最大值送變量圖3.4.1.3ADC0832流程圖為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進行了實際測試。3.5.1測試儀器測試使用的儀器設備如表3.5.1所示。表3.5.1測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1YB1602信號發(fā)生器12DS1022C雙蹤示波器13UNI-T數(shù)字萬用表1勝利公司3.5.2指標的測試3.5.2.1放大倍數(shù)的測試放大倍數(shù)測量：使用信號發(fā)生器接入輸入端，將示波器的兩個探頭分別接輸入和輸出端。測試數(shù)據(jù)如表3.5.2.1。表3.5.2.1放大倍數(shù)的測定輸入信號前置放大級輸