第四章 模擬電路設(shè)計(jì)實(shí)例

音頻功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)例第四章目錄4.1音頻功率放大器設(shè)計(jì)任務(wù)及要求4.2音頻功率放大器簡介4.3直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)4.4音調(diào)控制電路4.5工頻陷波器4.6前級放大電路目錄4.7功率放大電路4.8電路整體的協(xié)調(diào)及仿真4.9本章小結(jié)4.1音頻功率放大器設(shè)計(jì)任務(wù)及要求當(dāng)放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為（5～10）mV，等效負(fù)載電阻為8Ω時(shí)，放大通道條件應(yīng)滿足如下要求：（1）額定輸出功率≥2W；（2）帶寬BW為20～20000Hz；（3）在≥2W條件下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)≤3%；（4）在≥2W條件下的效率≥55%；（5）在前置放大級輸入端交流短接到地，時(shí)的交流聲功率≤10mW。音頻功率放大器設(shè)計(jì)任務(wù)及要求4.2音頻功率放大器簡介音頻放大器已經(jīng)快有一個(gè)世紀(jì)的歷史了，從最早的電子管放大器的第一個(gè)應(yīng)用就是音頻放大器，音頻功率放大器是聲重放設(shè)備的重要組成部分，其作用是將傳聲元器件獲得的微弱信號放大到足夠的強(qiáng)度去推動聲重放系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器或其他電聲元器件，使得原聲重現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)在仿真軟件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的音頻放大器，將小的音頻信號放大，并在一定的頻率范圍內(nèi)將信號輸出。電路的設(shè)計(jì)包括直流穩(wěn)壓源、音調(diào)控制電路、一級放大電路、二級放大電路、工頻陷波電路、功率放大電路共六部分。音頻功率放大器簡介各部分的作用介紹：（1）其中直流穩(wěn)壓源輸出±15V的穩(wěn)定電壓，為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的電源電壓；（2）音調(diào)控制采用反饋式控制電路，可以調(diào)控高低音的放大或衰減程度；（3）前級放大電路（包括一級和二級放大電路）的作用是對輸入信號進(jìn)行放大，以滿足額定輸出功率，其中的輸入級基本上都用運(yùn)放作前置單元，一級、二級放大電路在放大信號的同時(shí)也充當(dāng)帶通濾波器的角色；（4）工頻陷波器主要用來濾除來自穩(wěn)壓電源的工頻干擾，提升音頻功放的性能；（5）功率放大電路用來輸出足夠大的功率以驅(qū)動揚(yáng)聲器放聲。音頻功率放大器簡介4.2.1電路總體框架電路總體框架如圖4-1所示。音頻功率放大器簡介圖4-1音頻功放結(jié)構(gòu)4.3直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)4.3.1原理分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好的直流穩(wěn)壓電源電路如圖4-2所示。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)圖4-2直流穩(wěn)壓電源電路(1)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)要求：直流穩(wěn)壓電源的要求是同時(shí)輸出+15V、-15V兩路電壓，最大輸出電流為1A，電壓調(diào)整率≤0.2%，負(fù)載調(diào)整率≤1%，紋波電壓（峰-峰值）≤5mV（最低輸入電壓下，滿載），具有過流及短路保護(hù)功能。（2）直流穩(wěn)壓電源的組成及各部分的作用：整個(gè)直流穩(wěn)壓電路由四部分構(gòu)成，分別為變壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。下面具體介紹各部分。1）由于輸出的穩(wěn)壓電壓是15V，所以這里是降壓變壓器，根據(jù)計(jì)算設(shè)置變壓器一級線圈與二級線圈之比為1：5。2）這里整流電路采用4只整流二極管構(gòu)成全橋整流電路。全橋整流電路利用率高，輸出的電壓Vo=0.9V2(V2為次級輸出電壓)；3）電路在三端穩(wěn)壓器的輸入端接入電解電容CE1=CE2=1000uF，用于電源濾波，其后并入電解電容CE3=CE4=4.7uF用于進(jìn)一步濾波。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)4）由于要穩(wěn)定輸出+15V、-15V兩路電壓，所以三端穩(wěn)壓器選擇7815、7915（輸出電壓正負(fù)15V，最大輸出電流1A，且穩(wěn)壓器內(nèi)部已有限流電路）。在三端穩(wěn)壓器輸出端接入電解電容CE5=CE6=4.7uF用于減小電壓紋波，而并入陶瓷電容CE7=CE8=100nF用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)并抑制高頻干擾（陶瓷小電容電感效應(yīng)很小，可以忽略，而電解電容因?yàn)殡姼行?yīng)在高頻段比較明顯，所以不能抑制高頻干擾）。在輸出端同時(shí)并入二極管D1、D2（型號為1N4001），當(dāng)三端穩(wěn)壓器未接入輸入電壓時(shí)可保護(hù)其不至于損壞。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)4.3.2計(jì)算機(jī)仿真分析1.輸出端電壓按照圖4-2所示編輯元器件參數(shù)，并在正負(fù)輸出端分別放置電壓探針并點(diǎn)擊仿真按鈕，仿真結(jié)果如圖4-3所示。點(diǎn)擊仿真停止按鈕并放置模擬分析圖表，設(shè)置圖表的終止仿真時(shí)間為50ms。添加探針到圖表中，仿真結(jié)果如圖4-4所示：直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)圖4-3放置電壓探針仿真由上圖可知，正電壓為14.9158V,負(fù)電壓為-14.9836V，基本符合設(shè)計(jì)要求，負(fù)電壓絕對值偏大是因?yàn)槿朔€(wěn)壓器7815和7915各參數(shù)不可能絕對對稱造成的。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)圖4-4直流電源輸出端電壓2.最大輸出電流通過改變負(fù)載電阻，可以得出最大輸出電流。通過調(diào)整各種阻值，得出負(fù)載電阻為15Ω時(shí)，電流值最大。這里在線路上添加電壓和電流探針，注意電流探針的電流方向。單擊仿真按鈕

，仿真結(jié)果如圖4-5所示。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)（a）正電源輸出端（b）負(fù)電源輸出端圖4-5最大輸出電流正負(fù)電壓端最大輸出電流分別如圖4-5（a）、（b）所示。可見，沒有達(dá)到預(yù)期的最大輸出電流1A，正電壓端大約為0.91A，負(fù)電壓端為-0.99A，不過對于額定功率2W而言，應(yīng)有的最大電流為0.7A，所以這樣的最大輸出電流可以滿足要求。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)3.電壓調(diào)整率當(dāng)輸出電流為500mA時(shí)，負(fù)載電阻為30Ω，按電網(wǎng)電壓的波動范圍為±10%計(jì)算電壓調(diào)整率。當(dāng)電網(wǎng)電壓偏高時(shí)，即為（有效值）時(shí)，輸出電壓如圖4-6所示。此時(shí)，正電壓端輸出電壓為14.9141V，負(fù)電壓端輸出電壓為-14.9822V。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)（a）正電源輸出端（b）負(fù)電源輸出端圖4-6測量電壓調(diào)整率（電網(wǎng)電壓偏高時(shí)）當(dāng)電網(wǎng)電壓偏低時(shí)，即為V（有效值）時(shí)，輸出電壓如圖4-7所示。此時(shí)，正電壓端輸出電壓為14.9137V，負(fù)電壓端輸出電壓為-14.9801V。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)（a）正電源輸出端（b）負(fù)電源輸出端圖4-7測量電壓調(diào)整率（電網(wǎng)電壓偏低時(shí)）故正電壓調(diào)整率：負(fù)電壓調(diào)整率：它們均低于所要求的值0.2%，顯然滿足設(shè)計(jì)要求。

直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)4.電流調(diào)整率在電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電流從10mA變?yōu)?00mA時(shí)，測量該直流電源的電流調(diào)整率。當(dāng)負(fù)載電流為10mA時(shí)，經(jīng)計(jì)算負(fù)載電阻為1500Ω，輸出電壓如圖4-8所示。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)（a）正電源輸出端（b）負(fù)電源輸出端圖4-8測量電流調(diào)整率（負(fù)載電流為10mA）4.電流調(diào)整率在電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電流從10mA變?yōu)?00mA時(shí)，測量該直流電源的電流調(diào)整率。當(dāng)負(fù)載電流為10mA時(shí)，經(jīng)計(jì)算負(fù)載電阻為1500Ω，輸出電壓如圖4-8所示。此時(shí)，電路的正電壓端輸出電壓為15.008V，負(fù)電壓端輸出電壓為-15.0474V。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)（a）正電源輸出端（b）負(fù)電源輸出端圖4-8測量電流調(diào)整率（負(fù)載電流為10mA）當(dāng)負(fù)載電流為500mA時(shí)，輸出電壓如圖4-9所示。此時(shí)，正電壓端輸出電壓為14.9133V，負(fù)電壓端輸出電壓為-14.9832V。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)（a）正電源輸出端（b）負(fù)電源輸出端圖4-9測量電流調(diào)整率（負(fù)載電流為500mA）于是可計(jì)算出該電源電路的正電壓負(fù)載調(diào)整率：負(fù)電壓負(fù)載調(diào)整率：它們均低于所要求的電壓調(diào)整率1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)(5)紋波電壓用模擬分析去分析電路的輸出電壓，如圖4-10所示。結(jié)果表明，在軟件設(shè)定的精度內(nèi)，在mV級別上紋波電壓幾乎為零，輸出電壓比較穩(wěn)定。

直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)圖4-10穩(wěn)壓電路的輸出電壓傅里葉分析圖表可以觀察諧波分量，再利用傅里葉分析觀察正電壓端輸出電壓的諧波分量，如圖4-11所示。由上圖可知電源電路在0Hz處的分量幅度即直流分量為+15V，而在其他頻率點(diǎn)的分量為零。

直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)圖4-11正電壓端輸出電壓的傅里葉分析負(fù)電壓端輸出電壓的情況類似，如圖4-12所示。直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)圖4-12負(fù)電壓端輸出電壓的傅里葉分析4.4音調(diào)控制電路高低音控制器是高傳真放音設(shè)備中不可缺少的單元，主要是為了滿足聽音者自己的聽音愛好，通過對聲音某部分頻率信號進(jìn)行提升或者衰減，以滿足聽者對不同頻率的需要。一般音響系統(tǒng)中通常設(shè)有低音調(diào)節(jié)和高音調(diào)節(jié)兩個(gè)按鈕，用來對音頻信號中的低頻成分和高頻成分進(jìn)行提升或衰減，音調(diào)控制電路的形式不少，其中以反饋型電路最為常用，它具有較寬的控制范圍和較小的失真等優(yōu)點(diǎn)，只是電路稍復(fù)雜些。與流行方案不同的是，該控制電路中

，而是

，此時(shí)音調(diào)電路的性能好些。

音調(diào)控制電路4.4.1原理分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好的音調(diào)控制電路如圖4-13所示。

音調(diào)控制電路圖4-13音調(diào)控制電路1）電路原理介紹：電路中，

、

分別是控制低音和高音的電位器。

，

，

。這些阻容元器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器一起構(gòu)成了具有高、低頻兩條反饋通道的濾波器，分別調(diào)節(jié)圖4-13中的兩個(gè)電位器，便可測得增益隨頻率變化的音調(diào)控制曲線。對于低音信號，C1和C2相當(dāng)于斷路，而對于高音信號，C3相當(dāng)于短路。音調(diào)控制電路下面具體介紹低音調(diào)節(jié)和高音調(diào)節(jié)兩個(gè)過程。1）低音調(diào)節(jié)：低音調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)RV1滑動到最左端時(shí)，C1被短路，C2可視為開路；低音信號經(jīng)過R1，直接被送入運(yùn)放，輸入量最大，而低音輸出則經(jīng)過R4和RV1負(fù)反饋送入運(yùn)放，負(fù)反饋量最小，因而低音提升最大。當(dāng)電位器RV1滑到最右端時(shí)，情況正好與之相反，因而低音衰減最大。不論RV1怎么滑動，因?yàn)镃1和C2對高音信號可視為短路，所以對高音信號無任何影響。2）高音調(diào)節(jié)：當(dāng)RV2滑到最左端的時(shí)候，因C3對高音信號可視為短路，高音信號經(jīng)過C3和R5直接送入放大器，輸入量最大，而高音輸出則經(jīng)過RV2、C3和R5反饋到運(yùn)放，反饋量最??；當(dāng)電位器RV2滑到最右端時(shí)，情況正好與之相反，因而高音衰減最大。音調(diào)控制電路（2）計(jì)算轉(zhuǎn)折頻率：該音調(diào)控制電路的高低音處于最大提升時(shí)，其幅頻特性曲線的四個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為：其中是

控制電路最大提升曲線兩端的轉(zhuǎn)折頻率，

是中間的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率。音調(diào)控制電路高低音最大衰減時(shí)其幅頻特性曲線的四個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為：相應(yīng)地，

是控制電路最大衰減曲線兩端的轉(zhuǎn)折頻率，

是中間的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率。音調(diào)控制電路中音增益：高低音最大提升時(shí)增益為：高低音最大衰減時(shí)衰減倍數(shù)為：音調(diào)控制電路為滿足高低音的最大提升倍數(shù)和衰減倍數(shù)分別相等，得出：現(xiàn)令：音調(diào)控制電路由系列值驗(yàn)算所得結(jié)果如下：上述結(jié)果基本符合要求，即可認(rèn)為設(shè)計(jì)基本完畢?？蛇M(jìn)行電路仿真分析。音調(diào)控制電路4.4.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析給電路添加正弦信號源和電壓探針。分別命名為INPUT和OUTPUT。正弦信號的幅值為1V，頻率為50Hz。當(dāng)

都滑到最左端時(shí)，高低音都處于最大提升狀態(tài)時(shí)，電路的幅頻特性曲線如圖4-14所示。音調(diào)控制電路圖4-14高低音最大提升時(shí)的幅頻曲線截止頻率的測量結(jié)果如圖4-15所示。由圖4-15可知，

，

。上限截止頻率偏低是運(yùn)放的低通特性造成的。音調(diào)控制電路圖4-15最大提升曲線的截止頻率由式（4-4）知，通過減小電容

，可增大

，進(jìn)而由多級放大電路截止頻率的計(jì)算公式知，可增大該音調(diào)控制電路的

。經(jīng)過調(diào)試，當(dāng)

（為系列值）時(shí)，幅頻特性如圖4-16所示。此時(shí)

，和計(jì)算值相比較，基本符合要求。音調(diào)控制電路圖4-16時(shí)的幅頻特性曲線中音增益的仿真值如圖4-17所示。通過測量，中音增益仿真值為-2.06dB。而該值的計(jì)算值為-3dB不很準(zhǔn)確，這是因?yàn)橛?jì)算過程采用了近似的分析方法，所以與仿真值偏差較大。音調(diào)控制電路圖4-17提升曲線的中音增益當(dāng)

都滑到最右端時(shí)，高低音均處于最大衰減狀態(tài)，通過仿真，電路的幅頻特性曲線如圖4-18所示。通過仿真圖，測得高低音增益為-23.4dB，與計(jì)算值相符。而在500kHz處增益出現(xiàn)了劇烈的衰減，同樣，這是由運(yùn)放的低通特性所致的。音調(diào)控制電路圖4-18高低音最大衰減時(shí)的幅頻曲線此時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率測量如圖4-19所示。由圖4-19可知，

，

。與理論推導(dǎo)的過程中得出最大提升曲線的

和最大衰減曲線的

相等，但由于各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的作用，此時(shí)的偏高。音調(diào)控制電路圖4-19最大衰減曲線的轉(zhuǎn)折頻率中音增益的測量結(jié)果如圖4-20所示。由測量結(jié)果可知，中音增益為-3.98dB。音調(diào)控制電路圖4-20衰減曲線的中音增益當(dāng)?shù)鸵糇畲筇嵘咭糇畲笏p時(shí)，即RV1在最左端，RV2在最右端。電路的幅頻特性如圖4-21所示。曲線形狀和預(yù)期的一致，并且高中低音增益、

、

等幾乎不變。音調(diào)控制電路圖4-21低音最大提升高音最大衰減時(shí)的幅頻特性4.5工頻陷波器陷波器也稱帶阻濾波器（窄帶阻濾波器），它能在保證其他頻率的信號不損失的情況下，有效的抑制輸入信號中某一頻率信息。所以當(dāng)電路中需要濾除存在的某一特定頻率的干擾信號時(shí)，就經(jīng)常用到陷波器。我國市電電網(wǎng)供應(yīng)的電力信號是50Hz正弦波，對于從電網(wǎng)獲得工作電源的電子設(shè)備存在著50Hz工頻干擾。為了抑制或減少50Hz交流電噪聲干擾，需要在輸入電路中加入陷波電路。

工頻陷波器4.4.1原理分析與設(shè)計(jì)陷波器的實(shí)現(xiàn)方法有很多，本次設(shè)計(jì)采用的是電路比較簡單、易于實(shí)現(xiàn)的雙T型陷波器。雙T型陷波器的主體包括三部分內(nèi)容：選頻部分、放大器部分、反饋部分。此陷波器具有良好的選頻特性和比較高的Q值。設(shè)計(jì)好的陷波電路如圖4-23所示。工頻陷波器工頻陷波器圖4-23工頻陷波電路電路由兩級相同的雙T雙跟隨陷波電路級聯(lián)而成，目的是讓電路在50Hz處衰減的程度更大。這里只分析前面部分的雙T險(xiǎn)波電路。圖中U2：B用作放大器，其輸出端作為電路的輸出。U3：A接成電壓跟隨器的形式。因?yàn)殡pT網(wǎng)絡(luò)只有在離中心頻率較遠(yuǎn)時(shí)才能達(dá)到較好的衰減特性，因此濾波器的Q值不高。加入電壓跟隨器是為了提高Q值，此電路中，Q值可以提高到50以上，調(diào)節(jié)R18、R19兩個(gè)電阻的阻值，來控制陷波器的濾波特性，包括帶阻濾波的頻帶寬度和Q值的高低。工頻陷波器電路中，

，

，第二級類推。對每一級陷波器，其傳遞函數(shù)為：其中，中心頻率：工頻陷波器品質(zhì)因數(shù)：阻帶寬度：由上式可知，Q值越高，阻帶越窄，有用信號的失真越小。該電路的通帶增益為：工頻陷波器由于要利用電阻電容的系列值來組成電路，使中心頻率嚴(yán)格等于50Hz將會變得十分困難，同時(shí)電阻電容的實(shí)際值和標(biāo)稱值總存在偏差，故采用兩級陷波器級聯(lián)的方式，增大50Hz處對信號的衰減程度。通過對30多組電阻電容值對應(yīng)的中心頻率的比較與分析，最終選定

、

。此時(shí)，中心頻率為：同時(shí)，令Q=25，

，由式（4-27）、（4-29）可得工頻陷波器取系列值

。此時(shí)，Q=24.25。在以上所選取的參數(shù)下，電路在50Hz處的增益計(jì)算如下：將式帶（4-34）、式（4-35）和式（4-36）代入式（4-26），得則電路在該頻率處的增益工頻陷波器4.4.2計(jì)算機(jī)仿真及結(jié)果分析放置頻率分析圖表，添加輸出電壓探針OUT，開始仿真。電路的幅頻特性如圖4-24所示。由指針的讀數(shù)可以看出，電路的通帶增益幾乎為零。圖表放大后，觀察電路各參數(shù)，如圖4-25所示。由測量的結(jié)果可知，陷波器的中心頻率為49.775Hz，50Hz處的增益為-28.2dB，與計(jì)算的結(jié)果相一致。工頻陷波器的阻帶測量如圖4-26所示。由測量的結(jié)果可知，陷波器的阻帶寬為3.09Hz，截止頻率分別為工頻陷波器工頻陷波器圖4-24工頻陷波器的幅頻特性工頻陷波器圖4-25放大后的工頻陷波器的幅頻特性圖表圖4-26陷波器阻帶的測量當(dāng)輸入信號為1V、5Hz時(shí)，電路的輸入輸出電壓波形如圖4-27所示。工頻陷波器圖4-27輸入信號為1V、5Hz時(shí)陷波電路的輸入輸出電壓波形頻率分析的相頻特性如圖4-28所示。圖4-28示出5Hz處的相移為-0.463°。工頻陷波器圖4-28陷波電路在5Hz處的相移當(dāng)輸入信號為1V、50Hz時(shí)，電路的輸入輸出波形如圖4-29所示。工頻陷波器圖4-29輸入信號為1V、50Hz時(shí)陷波電路的輸入輸出波形輸出幅值變?yōu)?9.94mV，放大倍數(shù)為與理論計(jì)算及頻率分析的結(jié)果幾乎相等。4.6前級放大電路由于信號源輸出電壓幅度往往很小，不足以驅(qū)動功率放大器輸出額定功率，因此常在功率放大電路之前插入前置放大器將信號源輸出的信號加以放大，而前級放大電路是音調(diào)控制，對音色要求比較高，所以放大電路同時(shí)對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊羯幚?。在本次設(shè)計(jì)中，前級放大電路（包括一級放大電路和二級放大電路）對音色所做的處理就是濾波的作用，即前級放大電路同時(shí)充當(dāng)帶通濾波器的角色，使整體音頻功率放大電路的帶寬為20Hz~20kHz。前級放大電路4.6.1原理分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好的前級放大電路如下圖4-34所示。前級放大電路圖4-34前級放大電路在電路的通帶內(nèi)，前級放大電路為兩級反相比例運(yùn)算放大電路的級聯(lián)，故其通帶放大倍數(shù)為:在輸入信號為5~10mV時(shí)，為保證額定功率

，功放輸出端電壓的峰值應(yīng)為4.65V，當(dāng)功率放大電路的放大倍數(shù)最大時(shí)（等于3），前級放大電路的輸出電壓峰值應(yīng)為4.65/3=1.88V，按此時(shí)的輸入電壓為5mV，那么前級放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)至少為1.88/0.005=376。前級放大電路中取，，則放大倍數(shù)為:故放大倍數(shù)滿足要求。兩級放大電路中所加的電解電容C4和C5起到了濾波的作用同時(shí)也可以展寬頻帶。前級放大電路4.6.2計(jì)算機(jī)仿真分析放置模擬分析圖表，設(shè)置仿真終止時(shí)間為1.5ms。當(dāng)輸入信號為5mV（幅值）、1kHz的正弦波時(shí)，電路的輸入輸出波形如圖4-35所示。前級放大電路圖4-35輸入信號為5mV、1kHz的正弦波時(shí)電路的輸入輸出波形由輸入輸出波形可知，電路實(shí)現(xiàn)了同相放大（因?yàn)槭莾杉壏聪喾糯笃骷壜?lián)）。由上圖測得輸出電壓幅度為1.95V。則電路在1kHz處的放大倍數(shù)為：與理論分析的結(jié)果相近。前級放大電路4.7功率放大電路欲使揚(yáng)聲器發(fā)聲，必須要用足夠的功率來驅(qū)動之。功率放大器不是僅僅的電壓放大或是電流放大，而是追求功率的放大。本次設(shè)計(jì)采用的是OCL功率放大器，OCL功率放大器是一種直接耦合的功率放大器，它具有頻響寬、高保真度、動態(tài)特性好的特性。在電路中引入負(fù)反饋，可以減小非線性失真、展寬頻帶。功率放大電路4.7.1原理分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好的功率放大電路如圖6-36所示。功率放大電路圖4-36功率放大電路由電路圖可知，本設(shè)計(jì)采用集成運(yùn)放作為驅(qū)動級的OCL功率放大電路，是由輸入級、驅(qū)動級、輸出級及偏置電路組成。輸入級由正弦信號、RV3和R11組成，驅(qū)動級采用集成運(yùn)放,輸出級由雙電源供電的OCL電路構(gòu)成。為了克服交越失真，由二極管和電阻構(gòu)成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入反饋。該放大電路采用復(fù)合管無輸出耦合電容，并采用正負(fù)兩組雙電源供電。靜態(tài)時(shí)，正負(fù)電源的作用使晶體管

、

處于微導(dǎo)通狀態(tài)。在輸入信號的正半周主要是

管發(fā)射極驅(qū)動負(fù)載，而負(fù)半周主要是

管發(fā)射極驅(qū)動負(fù)載，而且兩管的導(dǎo)通時(shí)間都比半個(gè)周期長，所以即使輸入電壓很小，總能保證至少有一只晶體管導(dǎo)通，因而消除了交越失真。功率放大電路電路最大不失真輸出電壓的有效值設(shè)飽和管壓降最大輸出功率功率放大電路在忽略基極回路電流的情況下，電源

提供的電流電源在負(fù)載獲得最大交流功率時(shí)所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積，其表達(dá)式為可得功率放大電路因此，轉(zhuǎn)換效率在理想情況下，即飽和管壓降可忽略不計(jì)的情況下功率放大電路顯然，在實(shí)際情況中一般都不能忽略飽和管壓降，既不能用式（4-54）和式（4-56）計(jì)算電路的最大輸出功率和效率。在仿真中測得所用的晶體管飽和管壓降大約為

。故由式（4-49）算得最大輸出功率滿足額定功率POR≥2W的要求。此時(shí)的效率故滿足在POR下的效率≥55%的要求。功率放大電路4.7.2計(jì)算機(jī)仿真分析通過改變輸入電壓的幅度，來觀察電路的輸出，進(jìn)而確定功放電路的最大不失真輸出電壓。調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，R3用于調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，R4用于調(diào)節(jié)帶寬。當(dāng)輸入信號為8V（峰值）、1kHz的正弦波時(shí)，電路的輸出電壓波形如圖4-37所示。功率放大電路圖4-37輸入信號為8V、1kHz時(shí)功放電路的輸出電壓波形由圖4-37所示的測量結(jié)果可知，輸出電壓的峰值為8.02V，負(fù)半周電壓峰值也大約為8.02V，令輸入信號為8.8V、1kHz的正弦信號，此時(shí)電路的輸出電壓波形如圖4-38所示。功率放大電路圖4-38輸入信號為8.8V、1kHz的正弦信號時(shí)電路的輸出電壓波形當(dāng)輸入信號為8.7V、1kHz時(shí)，電路的輸出波形如圖4-39所示。功率放大電路圖4-39輸入信號為8.7V、1kHz時(shí)功放電路的輸出波形當(dāng)輸入信號為1V、1kHz時(shí)，對輸出端電壓進(jìn)行傅里葉分析，如圖4-40所示。功率放大電路圖4-40輸入信號為1V、1kHz時(shí)輸出電壓的傅里葉分析4.8電路整體的協(xié)調(diào)及仿真4.8.1電路各組成部分的協(xié)調(diào)連接當(dāng)電路各部分設(shè)計(jì)完畢后，需對整體電路進(jìn)行仿真，由于子模塊比較多，需對各部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，并考慮元器件間相互的影響。各部分的連接順序?yàn)椋盒盘栐础粽{(diào)控制電路→一級放大電路→二級放大電路→工頻陷波電路→功率放大電路。其中工頻陷波器放在二級放大電路和功率放大電路之間的是為了最大限度的對來自電源的工頻干擾進(jìn)行抑制。電路整體的協(xié)調(diào)及仿真4.8.2帶通濾波器的加入在前級放大電路中，電容與電阻的適當(dāng)組合構(gòu)成了帶通濾波器。前級放大電路如圖4-43所示。電路整體的協(xié)調(diào)及仿真圖4-43前級放大電路電路中，R4、C4和C5、R7、R8都為高通網(wǎng)絡(luò)，決定電路的下限截止頻率fL其中電路整體的協(xié)調(diào)及仿真令fL=20Hz，fL1=fL2，則式（4-59）變?yōu)榈玫接墒剑?-60）可得由式（4-61）可得電路整體的協(xié)調(diào)及仿真分別取系列值

、

。將此二值代入式（4-59），得同時(shí)，

、

為低通網(wǎng)絡(luò)，會影響電路的上限截止頻率fH。其中，fH1為

、

所決定的上限截止頻率，且fH2為運(yùn)放、晶體管所決定的上限截止頻率。電路整體的協(xié)調(diào)及仿真在

的前提下，令

，則可得到但如果C6按上述取值，由式（4-36）知電路的上限截止頻率fH必然小于20kHz。故利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的手段確定C6的取值。電路整體的協(xié)調(diào)及仿真4.8.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析在進(jìn)行仿真分析時(shí)，由于音調(diào)控制電路的變化范圍大，傳遞函數(shù)復(fù)雜，研究起來比較困難，故此處僅研究剩余部分電路的頻率響應(yīng)，這里只使用了一級放大電路。當(dāng)

且功率放大電路的電壓放大