語音放大電路的設計畢業(yè)論文

目錄TOC\o"1-3"\f\h\z\u1緒論 31.1課題背景及目的 31.2國內(nèi)外研究狀況 32設計原理 53前置放大電路 63.1基本差分放大器 63.1.1基本原理電路及特點 63.1.2工作原理 73.2長尾式差動放大電路 83.3差動放大器的主要指標 113.4具有調(diào)零電路的差動放大器 113.5恒流源差動放大電路 124濾波電路類型及分析 134.1低通濾波器 134.2高通濾波器 184.3其它濾波器 205功率放大電路 255.1功率放大電路的特點 255.2功率放大電路的工作狀態(tài)分類 265.3電路的組成 295.3.1甲乙類雙電源互補對稱電路 305.3.2甲乙類單電源互補對稱電路 305.3.3復合管功率放大電路 315.4集成功率放大電路 335.4.1LM324運放集成電路 345.4.2TDA2003集成功率放大器 346整體電路原理圖 367安裝調(diào)試與性能測試 377.1運放的調(diào)試 377.2功放的調(diào)試 377.3系統(tǒng)調(diào)節(jié) 38結(jié)論 39參考文獻 40附錄 41附錄A語音放大電路的元件清單 41附錄B集成運算放大器LM324的管腳圖及基本參數(shù) 421緒論1.1課題背景及目的在日常生活和工作中，經(jīng)常會遇到這樣一些問題：如在檢修各種機器設備時，常常需要能依據(jù)故障設備的異常聲響來尋找故障，這種異常聲響的頻譜覆蓋面往往很廣，需要高亮度的聲音以傳達消息，例如校園廣播，大型會議等，而僅僅憑人們自己的喉嚨是無法實現(xiàn)的，因而要用到信號放大器。聲音信號頻率低，在放大的過程中極易受到外界的干擾，又如：在打電話時，有時往往因聲音太大或干擾太大而難以聽清對方講的話，于是需要一種既能放大語音信號又能降低外來噪聲的儀器……諸如以上原因，具有類似功能的實用電路實際上就是一個能識別不同頻率范圍的小信號放大系統(tǒng)。所以本課題要求采用集成運算放大器完成語音放大電路。有利于培養(yǎng)我的技開發(fā)能力和創(chuàng)新精神，并有一定的實用意義。1.2國內(nèi)外研究狀況我國基礎工業(yè)薄弱，特別是核心部件芯片的研究，而功放芯片的研究，與國外相比有一定的差距，在各大高校及廠家大部分實驗用的還是以集成運算放大器LM324和功率放大器TDA2003等芯片。隨著科技的發(fā)展與進步，從模擬及混合信號芯片，尤其是\o"放大器"放大器類產(chǎn)品發(fā)展趨勢來看，高集成度、兼顧速度與精度、低功耗、較寬的溫度范圍，以及軟件可控等性能，將是未來各個模擬器件供應商的新產(chǎn)品呈現(xiàn)的新特點。對于某些中、低端電子產(chǎn)品的成本壓力，使得本土的中小規(guī)模IC供應商獲得了良好的發(fā)展機會，打破歐美供應商一統(tǒng)天下的局面，這也將是包括放大器在內(nèi)的模擬類產(chǎn)品的一大特點。放大器產(chǎn)品的發(fā)展主要特點如下：(1)新工藝、新技術(shù)的發(fā)展；(2)放大器類產(chǎn)品在電子系統(tǒng)中的作用越來越重要，不可替代，高精度的放大調(diào)條理電路很難集成在處理芯片中；(3)“定制化”需求是放大器的種類不斷增加的主要推動力之一。工藝方面，BiCom3是TI針對高速度模擬產(chǎn)品而開創(chuàng)的工藝，其高電壓版本BiCom3HV為36VBipolarSiGe工藝，兼顧速度的同時也可實現(xiàn)高電壓的應用；HPA07工藝主要應用于高精度模擬類產(chǎn)品，應用這一工藝的器件具有高精度，小封裝，高SNR等特點，相似的HPA07HV可兼容36V應用；除了以上具有代表性的工藝外，TI還有LBC工藝，主要特點是高電壓大功率；A035工藝主要應用是高密度器件。高精度運算放大器一般是指失調(diào)電壓低于1mV的運放。TI近期推出了一款高精度的運OPA211，是以BiCom3HV為主要工藝開發(fā)的產(chǎn)品。在高速放大器方面，TI能夠應用新的工藝提供針對不同應用的各類產(chǎn)品，除了可以提供各類電壓反饋型和電流反饋型高速放大器類產(chǎn)品以外，還可以提供高速的JFET輸入高速放大器類產(chǎn)品，其中包括多種可供選擇型號，如OPA656，OPA657及THS4631等，他們都具有不同的帶寬和壓擺率，不同的穩(wěn)定增益范圍，包括獨立增益穩(wěn)定等主要可供選擇的指標，可廣泛應用于測試與計量等寬帶寬高輸入阻抗的應用場合。在高速視頻放大器方面，TI推出了一系列具有靈活\o"可編程"可編程及高集成度的放大器類產(chǎn)品，例如針對視頻應用的THS73xx系列產(chǎn)品，針對不同的視頻標準要求，其集成了低通濾波器，部分產(chǎn)品具有內(nèi)部固定增益放大，濾波器帶寬數(shù)字可編程選擇，以及輸入耦合方式選擇等性能。凌力爾特公司專注于提供具有高精確度、低噪聲和高速度性能的放大器產(chǎn)品。這些器件主要分為3類：傳統(tǒng)的高性能放大器產(chǎn)品(包括運算放大器、儀表放大器和可編程增益放大器)；高速ADC驅(qū)動器；專用精確高壓側(cè)電流檢測放大器。盡管運算放大器已經(jīng)出現(xiàn)幾十年了，使用也相對簡單，但是很多令人振奮的新進展仍在不斷出現(xiàn)，從而產(chǎn)生了多種富有吸引力的新產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品很多將以改進基本功能的形式出現(xiàn)，如提高運算放大器的速度、精確度、噪聲和功率性能等，但是更多將以提高集成度的形式出現(xiàn)。凌力爾特公司的LTC6420-20雙路差分ADC驅(qū)動器和LTC6102HV零漂移高壓側(cè)電流檢測放大器就是好例子。LTC6420-20是一種雙路高速全差分ADC驅(qū)動器，具有很好的匹配性能規(guī)格。這使其在I-Q解調(diào)和多通道通信應用中尤其有用。在這些應用中，驅(qū)動高速ADC的傳統(tǒng)方法是使用高壓、大電流消耗的RF\o"放大器"放大器。既然這些RF放大器是單端組件，那么就需要附加電路將信號轉(zhuǎn)換成最高性能ADC所需的差分信號。LTC6420-20與這種傳統(tǒng)方法相比有幾個優(yōu)點。首先，它的功率極低，在很多情況下，可以與ADC共享同一個低壓\o"電源"電源。其次，它使用較少的組件，占用\o"電路板"電路板空間較少。除了將兩個通道集成到一個小型3mm×4mm封裝中，LTC6420-20還含有增益設置電阻和可選輸出濾波。通過在芯片上納入靈敏的反饋網(wǎng)絡，設計師無需花費大量時間考慮雜散電容可能引起的不穩(wěn)定性，該電容與PCB上增益設置電阻的布線有關(guān)。在100MHz時具有0.1dB增益匹配和0.1o相位匹配，這種通道至通道匹配消除了需要匹配兩個獨立通道的難題。視特定設計目標的不同，工程師們面臨著很多難題，其中常常包括同時要求提高性能、降低功耗和讓產(chǎn)品快速上市。就每個應用甚至每個設計而言，設計師面臨的挑戰(zhàn)都不同。例如，就基于\o"傳感器"傳感器的應用而言，設計師常常需要放大和緩沖傳感器產(chǎn)生的信號。既然很多傳感器都有高阻抗，設計師就必須選擇偏置電流非常低的放大器，如LTC6087除了低偏置電流，放大器還應該具有低輸入失調(diào)電壓和噪聲，以最大限度擴大動態(tài)范圍，提高靈敏度。傳感器應用常常是由電池供電，因此還必須注意電源電壓和電流要求。\o"凌力爾特"凌力爾特公司可為工程師提供多種幫助，如應用工程師支持、完全規(guī)定的數(shù)據(jù)表、免費LTSpice建模軟件和器件模型、詳細的應用和設計要點、電路結(jié)集等。SiGe半導體最近推出的SE2587L功率放大器，是基于SiGe半導體經(jīng)驗證的高性能架構(gòu)，在+19dBm(802.11g模式)和+24dBm(802.11b模式)發(fā)射功率級下，能夠提供高線性度。這種高線性度可在更大的覆蓋距離內(nèi)提供更高數(shù)據(jù)率的傳輸能力，使系統(tǒng)能夠支持新興的無線多媒體應用，例如視頻分配、視頻流及高速數(shù)據(jù)。SE2587L采用3x3QFN封裝，是SiGe半導體最小的分立式功率\o"放大器"放大器。該器件的引腳順序與SiGe半導體廣獲采用的SE2527L、SE2528L及SE2581L兼容，\o"電路板"電路板布局所需的改變能夠減至最少，使得制造商能夠輕易移植到用于下一代設計的新器件中?？梢怨?jié)省大約20%的外部材料清單成本。如今，世界各地的環(huán)保意識日漸高漲，有助于節(jié)能的產(chǎn)品漸受市場歡迎。照目前的發(fā)展趨勢看，無論是哪一個國家/地區(qū)、哪一個市場/板塊，高能效產(chǎn)品都會大受客戶歡迎。美國國家半導體的PowerWise解決方案適用于能源效率要求極高的系統(tǒng)設計，性能/功率比高。例如，型號為LMV851的運算放大器內(nèi)置射頻抑制電路，因此抗電磁干擾的能力高，以8MHz的單位增益帶寬操作時，只耗用0.41mA的電流。因此隨著科技的進步放大器的高集成度、兼顧速度與精度、低功耗、較寬的溫度范圍、軟件可控等性能及智能化，將是未來的發(fā)展方向。2設計原理本設計是要求制作一個由集成電路組成的具有語音信號放大作用的語音放大電路，它首先通過小信號輸入，前置放大器，經(jīng)過有源帶通濾波器之后再經(jīng)過功率放大器后經(jīng)喇叭輸出，其原理框圖如圖2.1所示。小信號輸入小信號輸入前置放大器有源帶通濾波器功率放大器圖2.1語音放大電路基本原理圖3前置放大電路集成運算放大器是一種性能優(yōu)良的多級直接耦合放大器，它又是一種通用性很強的多功能部件。差分放大電路也稱為差動放大電路，簡稱差放，它是集成運算放大器中非常重要的單元電路。差放電路具有抑制干擾等優(yōu)良性能，通常用于集成放大電路的輸入級。3.1基本差分放大器3.1.1基本原理電路及特點差分放大電路的基本形式如圖3.1所示：圖3.1差分放大電路的基本形式有差分放大電路的基本形式我們可以得出：1.電路特點：對稱性。2.差模信號：把一對大小相等，極性相反的信號叫做差模信號。電路中所加的有用信號就是差模信號。3.共模信號：把一對大小相等，極性相同的信號叫做共模信號。電路中的干擾信號、零點漂移等都可視為共模信號。圖3.2差分電路的兩種輸入信號由圖3.2可知：共模信號：差模信號： 3.1.2工作原理（由電路分析）結(jié)論：對差模信號較大的放大作用；對共模信號有較強的抑制作用。由圖3.2知：1、共模電壓放大倍數(shù)Auc2、差模電壓放大倍數(shù)Aud其中：圖3.3對差模信號的放大作用3.2長尾式差動放大電路在單端輸出的情況下：對稱性得不到利用。因此增加共模反饋電阻Re，通過負反饋來抑制零點漂移，為了滿足靜態(tài)的要求，增加負電源VEE，因而得到如下電路：圖3.4長尾式差動放大電路1、靜態(tài)計算：由于電路對稱，只計算一邊即可：靜態(tài)時,輸入短路,由于流過電阻Re的電流為IE1和IE2之和,且電路對稱,IE1=IE2,故由負電源和基極回路有：即：IC1=IC2=βIB1UC1=UC2=UCC-IC1RC1為集電極對地的電位。2、差模電壓放大倍數(shù)：對差模信號：因此在兩管中產(chǎn)生的信號電流方向正好相反，在Re上產(chǎn)生的電流方向相反，即在Re上總的信號電流為零，即沒有壓降，因此可由如下電路進行分析：（1）對雙端輸入，雙端輸出：RL’為RC和RL/2的并聯(lián)圖3.5差模交流電路即：差分放大器的電壓放大倍數(shù)與單管共射放大器的電壓放大倍數(shù)一樣。（2）對雙端輸入，單端輸出：可見：單端輸出的情況下：電壓放大倍數(shù)約為雙短輸出的一半?？傊罘址糯笃鲗Σ钅Ｐ盘枺从杏眯盘枺┯休^大的放大作用。3、共模電壓放大倍數(shù)：對共模信號：因此在兩管中產(chǎn)生的共模信號電流方向正好相同，在Re上產(chǎn)生的共模信號電流方向相同，即在Re產(chǎn)生的壓降為：（IE1+IE2）Re=2IE1Re因此可由如下電路進行分析：圖3.6共模信號交流通路（1）對雙端輸入，雙端輸出：即：雙端輸出的情況下，僅靠電路的對稱性即可完全抑制零點漂移。（2）對雙端輸入，單端輸出：即：在單端輸出的情況下，靠共模反饋電阻Re抑制零點漂移。3.3差動放大器的主要指標1、差模電壓放大倍數(shù)Aud2、共模電壓放大倍數(shù)Auc3、共模抑制比CMRR4、差模輸入電阻rid5、差模輸出電阻rod6、共模輸入電阻ric3.4具有調(diào)零電路的差動放大器為了克服兩個差分對管及電路參數(shù)不對稱造成的輸出直流電壓不為零的現(xiàn)象，可增加靜態(tài)調(diào)零電路，有如下兩種形式。圖3.7具有調(diào)零電路的差動電路對射極上增加調(diào)零電阻RW后，前面的公式將修改為1、差模放大倍數(shù)Aud2、差模輸入電阻rid3、共模輸入電阻ric3.5恒流源差動放大電路1、問題的提出：為了進一步提高共模抑制比，就必須增大Re，而增大Re，就必須要增加電源的值，所以必須設法使之Re上有較高的交流電阻，而又有不太高的直流電阻。三極管正好有這樣一種性質(zhì)，三極管工作在放大區(qū)時，其集電極電壓在很大范圍內(nèi)變化時，而集電極電流變化很小，即交流電阻很大。而直流電阻（工作點處的集電極電壓與集電極電流的比值）又不太大。三極管的集電極電壓在很大范圍內(nèi)變化時，而集電極電流幾乎不變的性質(zhì)稱為它的恒流作用。將三極管的CE代替Re作為共模反饋電阻，即可得到帶有恒流源的差分放大器。2、電路形式(a)用單管電流源代替RE的差動電路；(b)電路的簡化表示圖3.8具有恒流源的差分放大器電路3、CE間的電阻計算：將V3組成的恒流源電路等效為如圖3.9所示，即可推出CE之間的交流電阻的表達式：圖3.9恒流源等效電路設β=80,rce=100kΩ,rbe=1kΩ,R1=R2=6kΩ,R3=5kΩ,則ro3≈4.5MΩ。用如此大的電阻作為Re,可大大提高其對共模信號的抑制能力。而此時,恒流源所呈現(xiàn)的直流電阻并不高，即所要求的電源電壓不高。此電路的靜態(tài)計算可以從V3管入手，由負電源到它的基極回路計算出IE3即得兩差分管的集電極電流為：IC1=IC2=1/2IE34濾波電路類型及分析4.1低通濾波器1、一階低通濾波器電路圖4.1所示是一階低通濾波器電路，其傳遞函數(shù)為：圖4.1一階低通濾波器電路而對于RC電路，其拉氏變換為將上式帶入式，，可以看到，式中分母為s的一次冪，所以稱為一階低通有源濾波電路。以取代s，且令，得出電壓放大倍數(shù)為令f=0，可得通帶放大倍數(shù)當f=fp時，，故fp為通帶截止頻率。當f>>fP時曲線按-20dB/十倍頻下降。2、簡單二階電路一階電路的過渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減斜率僅為-20dB/十倍頻。增加RC環(huán)節(jié)，可加大衰減斜率。如圖4.2所示，為簡單二階低通濾波電路。它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成。其通帶放大倍數(shù)與一階電路相同，傳遞函數(shù)為：圖4.2二階低通濾波電路當C1=C2=C時，將上述表達式帶入式，整理可得：用jω取代s，且令，整理得到當增益下降到中頻增益的0.707倍時，可求出高頻截頻，即簡單二階低通濾波器可使衰減斜率達到-40dB/十倍頻。3、壓控電壓源二階低通濾波電路將簡單二階低通濾波器電路中C1的接地端改接到集成運放的輸出端，便可得到壓控電壓源二階低通濾波電路，如圖4.3所示。電路中既引入了負反饋，又引入了正反饋。由于正反饋使電壓放大倍數(shù)在一定程度上受輸出電壓控制，且輸出電壓近似為恒壓源，所以稱為壓控電壓源二階低通濾波電路。當信號頻率趨于零時，由于C1的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱，使電路不能產(chǎn)生自激振蕩；當信號頻率趨于無窮大時，C2的電抗趨于零，所以UP(s)趨于零。因此只要正反饋引入得當，就既可能在f=f0時使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會因正反饋過強而產(chǎn)生自激振蕩。圖4.3壓控電壓源二階低通濾波器前已指出，同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即AUp=1+R2/R1設C1=C2=C，節(jié)點A電流方程為：節(jié)點P電流方程為將以上兩個節(jié)點方程聯(lián)立求解，可得到傳遞函數(shù)在上式中，只有當AUp小于3時，即分母中s的一次項系數(shù)大于零，電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。s=jω，則上式為令，則有上式為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達式，其中f0為特征頻率，而Q則稱為等效品質(zhì)因數(shù)，是f=f0時電壓放大倍數(shù)的數(shù)值與通帶放大倍數(shù)之比。令f=f0，求出電壓放大倍數(shù)的數(shù)值當Q取不同的值時，將隨之改變，圖4.4二階低通濾波電路的幅頻響應不同Q值下的幅頻響應由圖4.4所示，當Q=0.707時幅頻響應較平坦，而當Q>0.707時，將出現(xiàn)峰值，當Q=0.707且f/f0=1，；當f/f0=10時，。這表明，二階濾波電路比一階低通濾波電路的濾波效果好得多。當進一步增加濾波電路階數(shù)，由圖可看出，其幅頻響應更接近理想特性。4.2高通濾波器只要將上述討論過的低通濾波器電路中的R、C元件位置對調(diào)，則得到高通濾波器電路。對于一階高通濾波器采用與前面低通濾波器相同的分析方法，可得到得到幅頻特性如圖4.5所示。圖4.5一階高通濾波電路及幅頻響應由于二階高通濾波電路與二階低通濾波電路存在對偶關(guān)系，他們的傳遞函數(shù)和幅頻響應也存在對偶關(guān)系。圖4.6為二階壓控電壓源高通濾波電路，在理想情況下，高通濾波電路的通帶電壓增益可認為是ω→∞時，輸出電壓與輸入電壓之比。對二階壓控電壓源高通濾波電路來說，當ω→∞時，電容C可視為短路，通帶電壓增益等于同相比例放大電路的電壓增益，圖4.6二階高通濾波電路考慮到高通濾波電路在電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)和幅頻響應與低通濾波電路的對偶關(guān)系，可得到高通電路的傳遞函數(shù)表達式為令，則式中的、f0和Q分別表示二階高通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)、特征頻率和等效品質(zhì)因數(shù)。幅頻響應曲線如圖4.7可知，二階高通濾波電路和低通濾波電路的幅頻特性具有對偶關(guān)系。如以f=f0為對稱軸，二階高通濾波電路的，當f<f0時，隨f升高而增大，而二階低通濾波電路的當f>f0時，則是隨著f升高而減小。二階高通濾波電路在f<<f0時，其幅頻響應以40dB/十倍頻程的斜率上升。圖4.7二階高通濾波電路的幅頻響應4.3其它濾波器1．帶通濾波器如圖4.8所示，將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，并使低通濾波器的通帶截止頻率fp2大于高通濾波器的通帶截止頻率fp1，則頻率在fp1和fp2之間的信號能夠通過，其余頻率的信號不能通過，因此構(gòu)成帶通濾波器。低通低通高通圖4.8由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成的帶通濾波器二階壓控電壓源帶通濾波電路如圖4.9所示。圖中R、C組成低通網(wǎng)絡，C1、R3組成高通網(wǎng)絡，兩者串聯(lián)組成帶通濾波器。設R2=R，R3=2R，則由KCL列出方程，導出帶通濾波器電路的傳遞函數(shù)為式中AUf=1+Rf/R1，為同相比例放大電路的電壓增益，同樣要求AUf<3，電路才能穩(wěn)定的工作。s=jω帶入上式，并令，則得到上式中既是特征頻率，也是帶通濾波電路的中心頻率。上式表明，當f=f0時，上述電路具有最大電壓增益，且，這就是帶通濾波電路的通帶電壓增益。圖4.9帶通濾波器根據(jù)截止頻率的定義，下限頻率和上限頻率是使增益下降-3dB的頻率點，即，上限頻率和下限頻率之差稱為通帶寬度。令上式分母虛部的絕對值為1，即解方程，取正根，求出截止頻率為可得到通帶寬度為幅頻響應如圖4.10所示，可知Q值越高，通帶越窄。將式帶入上式，得到，可得到如下結(jié)論，改變電阻Rf、R的阻值，可以改變通帶寬度，且中心頻率不受影響，但是為了避免時發(fā)生自激振蕩，一般取Rf<2R。圖4.10二階帶通濾波電路的幅頻響應示意圖2．帶阻濾波器若將低通濾波器和高通濾波器的輸出電壓經(jīng)求和運算電路后輸出，且低通濾波器的通帶截止頻率小于高通濾波器的通帶截止頻率，則構(gòu)成帶阻濾波器，如圖4.11所示。該電路可阻止fp1<f<fp2范圍內(nèi)的信號通過，使其余頻率的信號均能通過。帶阻濾波器又稱陷波器，在干擾信號的頻率確定的情況下，可通過帶阻濾波器阻止其通過。實用的帶阻濾波器用由RC組成的雙T網(wǎng)絡和一個集成運放實現(xiàn)，如圖4.3.4所示。圖4.11帶阻濾波器其中R1、R2、C3組成的T型網(wǎng)絡為低通濾波電路，C1、C2、R3組成的T型網(wǎng)絡為高通濾波電路；R3接集成運放的輸出端引入正反饋，以提高通帶截止處的電壓放大倍數(shù)，減小阻帶寬度，提高選擇性。通常選取C1=C2=C，C3=2C，R1=R2=R，R3=R/2。當信號頻率趨于零或無窮大時，集成運放的同相輸入端電位UP=Ui由節(jié)點方程求出傳遞函數(shù)為：，其中令s=j2πf帶入上式，則有式中，，。如果AU0=1，則Q=0.5，增加AU0，Q將隨之升高。當AU0趨近2時，Q趨向無窮大。因此，AU0愈接近2，愈大，可使帶阻濾波電路的選頻特性愈好，即阻斷的頻率范圍愈窄。根據(jù)截止頻率的定義，下限頻率和上限頻率是增益下降-3dB的頻率點，通帶截止頻率為帶阻濾波器的阻帶寬度為帶阻濾波器的幅頻特性如圖4.12所示，Q值越大，阻帶寬度越窄，選擇特性越好。通過改變Rf、R1的值可以改變Q的大小。為了防止時產(chǎn)生自激振蕩，一般取Rf<R1。圖4.12帶阻濾波電路的幅頻響應綜上綜合考慮用一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián)起來組成一帶通濾波器，用該方法構(gòu)成的帶通濾波器通帶較寬，截止頻率易于調(diào)整，多用作測量信號噪聲比的音頻帶通濾波器。如圖4.13所示的帶通濾波器，頻率范圍300Hz-3000Hz，整個通帶增益為8dB，非常適合語音放大。圖4.13寬帶BPF5功率放大電路通常，一個電子系統(tǒng)的最末一級都是驅(qū)動一定的負載，有時該負載還要將電能轉(zhuǎn)換成其它能量形式。一般來說，電子系統(tǒng)提供的功率越大，能驅(qū)動的負載就越大，或者轉(zhuǎn)換成其它能量就越大。在電子電路中把能夠向負載提供足夠大的信號功率的放大電路稱為功率放大電路。5.1功率放大電路的特點功率放大電路與前面所述的小信號放大電路相比較，其工作原理沒有根本變化，只是功率放大電路不是單純考慮電壓放大或電流放大，而是考慮在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。此時，功率放大電路中的器件都是工作大信號的狀態(tài)下，因此分析方法與小信號放大電路就有所區(qū)別。功率放大電路的主要特點是：1.要求輸出功率盡可能大獲得輸出功率是功率放大電路的主要目的。為了獲得最大的功率，要求電路的輸出電壓和輸出電流要有盡可能大的幅度。轉(zhuǎn)換效率要高功率放大電路實質(zhì)上并非是將電功率直接提高，而是通過輸入信號（小功率）去控制電源提供的直流功率將其轉(zhuǎn)換成交流功率（大功率），即輸出的交流功率是由電源提供的直流功率轉(zhuǎn)換而來的。通常功率放大電路輸出功率大，直流電源消耗的直流功率也就越多。因此，考慮在電源電壓確定的情況下，輸出功率盡可能大時，應該提高直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率的效率，以減少直流電源的損耗。3.器件工作在接近極限狀態(tài)功率放大電路為了獲得最大的功率，要求電路的輸出電壓和輸出電流要有盡可能大的幅度，為了達到此目的通常還需要輸入信號為大信號。此時，完成功率放大的晶體管往往工作在接近極限狀態(tài)。因此，器件的安全性顯得十分重要，否則器件會因為過熱、電壓或電流過大而損壞。由功率放大電路的特點可知，其主要技術(shù)指標有兩個：①輸出功率PO功率放大電路提供給負載的信號功率稱為輸出功率。在輸出波形基本不失真的條件下，輸出功率用輸出電壓的有效值UO和輸出電流的有效值IO乘積表示，即： 式中Uom為輸出電壓的峰值，Iom為輸出電流的峰值。 ②效率η功率放大電路的輸出功率Po與電源所提供的直流功率PV之比稱為功放的效率，直流功率等于電源輸出電流的平均值與電源電壓的乘積。即 5.2功率放大電路的工作狀態(tài)分類由上述功率放大電路的主要技術(shù)指標可知功率放大電路中的功率關(guān)系為式中PT為功率放大電路的損耗功率，由此可以看出減小功放電路的損耗功率就可以提高輸出功率和效率。功率放大電路的工作狀態(tài)不同，其輸出功率和效率也不同。功率放大電路根據(jù)其中晶體管導通的狀態(tài)分為如下工作狀態(tài)：1.甲類工作狀態(tài)當輸入信號為正弦波時，若功率晶體管在信號的整個周期內(nèi)均導通（即導通角θ=3600），則稱為甲類工作狀態(tài)，或稱為甲類功率放大器，如圖5.1（a）所示。2.乙類工作狀態(tài)當輸入信號為正弦波時，若功率晶體管僅在信號的正半個周期或負半個周期內(nèi)導通（即導通角θ=1800），則稱為乙類工作狀態(tài)，或稱為乙類功率放大器，如圖5.1(b)所示。3.甲乙類工作狀態(tài)當輸入信號為正弦波時，若功率晶體管在大于半個周期且小于一個周期內(nèi)導通（即1800<θ<3600），則稱為甲乙類工作狀態(tài)，或稱為甲乙類功率放大器，如圖5.1（c）所示。4.丙類工作狀態(tài)當輸入信號為正弦波時，若功率晶體管的導通時間小于半個周期（即θ<1800），則稱為丙類工作狀態(tài)，或稱為丙類功率放大器，如圖5.1(d)所示。圖5.1功率放大電路的工作狀態(tài)可以證明，隨著晶體管的導通角θ的減小，功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率就越來越高。同時由圖5.1可以直觀的看到甲類功率放大器的靜態(tài)功耗（即ui=0時功率放大電路的損耗）比甲乙類、乙類和丙類功放都高，所以甲類功放的輸出功率和效率都較甲乙類、乙類和丙類功放低。但由圖也可以看出其失真很小，乙類功率放大器和丙類功率放大器的效率雖然提高了，但是失真卻加大了。低頻功率放大電路通常采用乙類和甲乙類功率放大器，而高頻功率放大電路多采用丙類功率放大器，丙類功率放大器不屬于本設計介紹的內(nèi)容。5.3電路的組成甲類功率放大電路用在此前所學的共射極放大電路和共集電極放大電路就可以實現(xiàn)，但因其效率低很少使用。乙類雙電源互補對稱功率放大電路（又稱為OCLOutputCapacitorless電路）的原理電路如圖5.2（a）所示，它是由一個NPN管和一個PNP管分別組成兩個射極輸出器，這是因為信號的電壓可以用多級電壓放大電路進行放大，而圖5.2（a）中的晶體管VT1和VT2主要完成信號電流的放大，從而達到獲得更大功率的目的，理想的條件下這兩個電路的參數(shù)應該完全相同。同時這兩個射極輸出器組成一個推挽式電路。由于該電路沒有基極偏置電壓，即處于乙類工作狀態(tài)，所以采用雙電源供電方式。圖5.2乙類雙電源互補對稱功率放大電路靜態(tài)時，ui=0，由于VT1和VT2均沒有基極偏置電壓，所以截止，輸出電壓為零，功耗也基本為零。由圖5.2(a)可以看出，當有信號輸入時，即ui≠0，設輸入信號為正弦信號，同時忽略晶體管b-e間的開啟電壓（死區(qū)電壓）。在輸入信號正半周（ui>0）時，VT1導通，VT2截止，正電源供電使iC1流過負載；在輸入信號負半周（ui<0）時，VT1截止，VT2導通，負電源供電使iC2流過負載。有信號時，VT1和VT2輪流導通，在負載上得到一個完整的信號波形，如圖5.2(b)所示。因為兩個管子互補對方半個周期，且工作性能對稱，所以稱為互補對稱電路。5.3.1甲乙類雙電源互補對稱電路圖5.3甲乙類雙電源互補對稱電路甲乙類雙電源互補對稱電路如圖5.3所示，圖中VT3為前置放大級，VT1和VT2組成互補對稱電路。靜態(tài)時，D1和D2上產(chǎn)生的壓降可以為VT1和VT2提供一個合適的偏置電壓。因為D1、D2的導通電壓略大于VT1、VT2的死區(qū)電壓，所以可以使VT1、VT2處于微導通狀態(tài)。由于電路對稱，靜態(tài)時iC1=iC2，所以io=iC1-iC2=0，uo=0。有信號時，VT1和VT2輪流導通完成功率放大。該電路的缺點是，偏置電壓不容易調(diào)整。5.3.2甲乙類單電源互補對稱電路甲乙類單電源互補對稱電路如圖5.4所示，圖中VT3為前置放大級，VT1和VT2組成互補對稱電路。輸出端連接一個容量較大的電容C，起輔助電源的作用。電阻R3和R4向VT3提供合適的靜態(tài)工作點，D1和D2使VT1和VT2工作在甲乙類狀態(tài)。靜態(tài)時，VT1和VT2處于微導通狀態(tài)，由于電路對稱，所以電容C上的電壓UC=VCC/2。圖5.4甲乙類單電源互補對稱電路當有信號ui時，通過VT3的放大，在信號的負半周，VT1導通，VT2截止，信號被放大輸出，同時電容C充電；信號的正半周，已充電的電容C起電源的作用，保證VT2導通，VT1截止，信號被放大輸出，同時C通過負載RL放電。只要選擇放電時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期大得多），電容C上的電壓就可以基本穩(wěn)定在VCC/2，起到一個電源的作用，從而替代雙電源，這種電路采用了耦合電容，而沒有采用耦合變壓器，所以通常稱為OTL(OutputTransformerLess)電路。單電源互補對稱電路參數(shù)的計算仍然可以使用雙電源互補對稱電路參數(shù)的計算方法，但是要注意的是原來公式中的VCC要用VCC/2代替。5.3.3復合管功率放大電路根據(jù)功率的概念p=ui，可以知道提高電壓u和電流i均可以提高功率。在功率放大電路中提高電壓u的方法，一般都是采用多級電壓放大電路，即在功率放大電路前設計多級前置電壓放大電路。而電流i的放大多采用復合管結(jié)構(gòu)，兩只晶體管構(gòu)成的復合管如圖5.5所示。圖5.5兩只晶體管構(gòu)成的復合管以圖5.5（a）為例，設VT1、VT2的電流放大系數(shù)分別為β1和β2，則當β1<<β1β2時，復合管的電流放大系數(shù)約為β≈β1β2用上述方法同樣可以推導出圖（b）、（c）、（d）所示復合管的電流放大系數(shù)β≈β1β2。可見復合管結(jié)構(gòu)使晶體管的電流放大系數(shù)大大提高，從而提高了輸出電流。圖5.6是利用復合管構(gòu)成的互補功率放大電路，VT1是前置放大電路，用于信號電壓放大。VT3、VT4和VT5、VT6構(gòu)成復合管互補電路，R2、R3和VT2是給VT3、VT4和VT5、VT6提供偏置電壓，使其工作在甲乙類工作狀態(tài)。I為電流源為R2、R3和VT2提供偏置電流，同時作為有源負載可以提高放大倍數(shù)。R2、R3和VT2提供的偏置電壓大小為圖5.6復合管構(gòu)成的互補功率放大電路、圖5.7準互補功率放大電路其中UBE2是VT2的靜態(tài)時導通電壓，硅管約為0.6~0.7V。在輸出功率較大的功放中，大功率管VT4和VT6由于管子的類型不同很難做到完全對稱，就是在集成電路中，由于PNP型管與NPN型管的制造工藝不同也很難做到完全對稱。故在實際電路中，通常用準互補功率放大電路，如圖5.7所示。其中將圖5.7中的VT6由PNP管換成了NPN管。這樣，使輸出的兩只功放管均為NPN型管，其特性及本對稱。5.4集成功率放大電路隨著集成電路制作技術(shù)的不斷提高，制作成本的不斷下降，元器件制造商也為廣大使用者提供了許多類型的集成功率放大器，這些集成功率放大器具有使用簡單、靈活，成本低，調(diào)試方便等優(yōu)點。5.4.1LM324運放集成電路LM324采用14腳雙列直插塑料封裝。它內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器如圖5.8（a）所示，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖5.8（b）所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“Ui+”、“Ui-”為兩個信號輸入端，“U+”、“U-”為正、負電源端，“Uo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Ui-為反相輸入端，表示運放輸出端Uo的信號與該輸入端的相位相反；Ui+為同相輸入端，表示運放輸出端Uo的信號與該輸入端的相位相同。由于電源管腳是眾所周知的，因此，為了簡化，通?？梢园央娫炊耸÷圆划?，把五腳符號畫成只有兩個輸入端、一個輸出端的三端符號。+－U-U+Ui+Ui-Uo+－+－LM324+－123+－4567U+U-891011121314(a)(b)圖5.8集成運放符號及LM324管腳由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可采用單、雙電源方式使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。注：集成運算放大器LM324的管腳圖及基本參數(shù)見附錄B5.4.2TDA2003集成功率放大器我們在本次設計中依然采用常用的TDA2003集成功率放大器，TDA2003是TDA2002的改進型，其輸出功率更大，電路特點及內(nèi)設的各保護電路與TDA2002相同。它適用于收音機及其它設備中作音頻放大。表1集成功率放大器TDA2003的基本參數(shù)參數(shù)名稱符號參數(shù)值單位備注峰值電源電壓Vcc40V直流電源電壓Vcc28V工作電源電壓Vcc18V50ms輸出峰值電流（重復）Io3.5A輸出峰值電流（非重復）Io4.5A功率Po20W工作環(huán)境溫度Topz–30~75?CTa=9?C貯存溫度.結(jié)晶Tstg，T–40~150?C引腳功能定義：TDA2003為5腳單引直插式，其引腳功能如下：1——同向輸入2——反向輸入3——地4——輸出5——輸入Vcc圖5.9集成功率放大器TDA2003的引腳圖功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。他一般直接驅(qū)動負載，帶負載能力強。從能量控制的觀點來看，功率放大電路實質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)換電路。主要任務是使負載得到不失真（或失真較小）的輸出功率。在大信號下工作。綜合以上條件考慮，最優(yōu)化的電路如圖5.10所示：圖5.10功率放大電路6整體電路原理圖綜上所述我們可以得到所需的總體電路原理圖，其電路圖如圖6.1所示。圖6.1語音放大電路整體電路原理圖由圖可知聲音信號經(jīng)話筒輸入轉(zhuǎn)化為電信號，通過采用兩級電阻平衡電阻輸入可提高靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性，經(jīng)同相比例運算放大器和反向比例運算放大器組成的兩級放大電路，后經(jīng)電位器調(diào)節(jié)線路輸入以達到信號選頻的作用，避免無用信號及干擾信號。再經(jīng)過由TDA2003組成的功率放大電路放大信號再經(jīng)過RC濾波電路去除雜波經(jīng)喇叭輸出。7安裝調(diào)試與性能測試7.1運放的調(diào)試安裝由左到右，前一部分以LM324為中心，后部分以TDA2003為中心。通電前認真檢查，確定無誤后，才可調(diào)試與測試。1、靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激振蕩。2、動態(tài)調(diào)試：在兩輸入端加差模輸入電壓，測量輸出電壓,觀測與記錄輸出電壓與輸入電壓的波形，算出差模放大倍數(shù)。（2）在兩輸出端加共模輸入電壓，測量輸入電壓，算出共模放大倍數(shù)。（3）算出共模抑制比（4）用逐點法測量幅頻特性，并作出幅頻特性曲線，求出上、下限截止頻率。（5）測量差模輸入電阻。7.2功放的調(diào)試1、靜態(tài)調(diào)試：集成輸入對地短路，觀察輸出有無振蕩，如有振蕩，采取消振措施以消除振蕩。2、功率參數(shù)測試（1）測量最大輸出功率輸入f=1kHz的正弦輸入信號，并逐漸加大輸入電壓幅值直至輸出電壓的波形出現(xiàn)臨界削波時，測量此時RL兩端輸出電壓的最大值或有效值，則（2）測量電源供給的平均功率近似認為電源供給整個電路的功率即為，所以在測試的同時，只要在供電回路串入一只直流電流表測出直流電源提供的平均電流，即可求出。此平均電流也就是靜態(tài)電源電流。（3）計算效率（4）計算電壓增益7.3系統(tǒng)調(diào)節(jié)經(jīng)過以上對各級放大電路的局部調(diào)試之后，可以逐步擴大到整個系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。1、令輸入信號=0，測量輸出的直流輸出電壓。2、輸入=1kHz的正弦信號，改變幅值，用示波器觀察輸出電壓波形的變化情況，記錄輸出電壓最大不失真幅度所對應的輸入電壓的變化范圍。3、輸入為一定值的正弦信號，改變輸入信號的頻率，觀察的幅值變化情況，記錄下降到0.707之內(nèi)的頻率變化范圍。4、計算總的電壓放大倍數(shù)。注：元器件清單見附錄A結(jié)論由于輸入功率放大器的輸入電壓要求在100mv左右，因此放大倍數(shù)A>20，設計中話筒放大電路采用同相比例運算放大器，為了使輸入的話筒信號最大可能的不失真，采用兩極電阻平衡輸入電壓。其中R1=R2=4.7KΩ，R3=R4=10KΩ，C1=10μF。A1為LM324中的一個運算放大器。令R5=10KΩ，R6=75KΩ，則A1=1+R6/R5=8.5本設計中的混合前置放大電路有放大話筒輸入信號與線路輸入信號的兩個作用，因此它的輸入信號有兩個均可以放大。圖中R7=R8=10KΩ,A2為LM324中的另一個運放，為了穩(wěn)定電路，提高其抗干擾能力，電路設計過程中采用兩個10KΩ的電阻形成比較器。由A=A1?A2得A2=A/A1=20/8.5=2.4倍，圖中的R9=10KΩ，R10=30KΩ，則|A2|=R10/R9=3>2.4，則設計合理。由于線路輸入信號為100mv，為功率運算放大器的輸入信號范圍，故電路可采用反向比例運算放大器，即|A3|=1倍。由圖A3=–R10/R11,取R11=30KΩ，則|A3|=1倍。選Rp=10KΩ可調(diào)節(jié)電位器來改變輸入信號大小。C3=100μF，C