第一章、实用低频功率放大器..

目录

第1章实用低频功率放大器（1995国赛A题） (2)

1.1 功能要求 (2)

1.2 方案论证与系统总体设计 (3)

1.3 主要原理与理论分析 (3)

1.4 系统硬件电路设计 (4)

1.5 系统调试与误差分析 (7)

1.6 总结与方案改进 (12)

第1章实用低频功率放大器（1995国赛A

题）

1.1 功能要求

一、任务

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：

图1.1.1 实用低频功率放大方框图

二、要求

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RL为8Ω下，放大通道应满足：

①额定输出功率POR≥10W；

②带宽BW≥（50～10000）Hz；

③在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；

④在POR下的效率≥55%；

⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=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200mVpp。

用上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，放大通道应满足：

②额定输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；

③在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；

④在POR下输出波形顶部斜降≤2%；

⑤在POR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）。

1.2 方案论证与系统总体设计

1．方案论证

（1）前置放大电路方案

方案一：反相比例放大电路

输入阻抗是反馈电阻和输入电阻的并联，阻抗比较小，放大倍数是反馈电阻比输入电阻方案二：同相比例放大电路

相对于反相比例放大电路来说，同相比例放大电路的输入阻抗较高，为了提高前置放大电路的输入电阻和共模抑制比，故选择方案二。

（2）变换电路方案

方案一：使用专用比较器芯片

LM311是一款专用的比较器芯片，但是它产生的信号是一般为单极性，不符合题目的要求。且高速比较器比较贵，市场上很难买到，性价比比较低。

方案二：用运放做比较器

用运放做滞回比较器，利用反相做输入端，同相端构成正反馈电路，让阈值更稳定，再经过阈值比较，输出极性和占空比都比较对称的方波信号。再经过电阻分压，就可以输出峰峰值为200mv的对称方波信号。运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管，用来控制输出电压的幅值，使分压前的输出信号稳定在一定范围内。相比之下，方案二更能满足实验要求，可供选择。

（3）功率放大电路方案

方案一：采用分立元器件

功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净，做出来的效果比较好。但外围元器件较多，电路比较复杂，调试起来比较困难，一旦取值不当，就会引起很大的偏差。

方案二：采用集成功放芯片

集成功放芯片具有工作可靠，外围电路简单，体积小巧，保护功能比较完善等优点，而且输出的功率比较大，所以本实验采用方案二。

2．系统总体设计

系统采用专门的集成运放芯片做功率放大，通过大功率运放输出大功率，用同相比例放大电路做前置放大，可提高带负载能力，用高速运放做变换电路可以减小输出矩形波的上升下降时间。系统包括以下几个模块：前置放大模块，用lm318做成的变换电路模块，用lm1875做成的功率放大模块，自制稳压电源模块。

1.3 主要原理与理论分析

1．前置放大电路

前置放大级用来放大弱输入的信号，以推动后面的功率放大器。放大电路有很多，但是弱信号的前置放大电路必须要由低噪声、高保真、高增益的集成电路。符合运放有NE5532、

OP07、NE5534等。这个实验中，采用的是NE5532，因为它具有高精度、低噪声、高阻抗、宽频带等优良的性能，能使电路的指标大大的提高。

2．变换电路

变换电路是将输入的波形进行波形变换和整形。为了得到比较好的方波，就必须要选用压摆率比较大的集成芯片。变换电路分为很多种，有过零比较器、俘零比较器、滞回比较器、及用专用比较器芯片构成的比较器。其中滞回比较器又称施密特触发器，迟滞比较器，这种比较器的特点是具有更强的抗干扰能力。

3．功率放大电路

功率放大电路的功能是对音频信号进行功率放大，推动扬声器等负载。功率放大电路既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放分为A类、B类、AB类、C类、D类等类型，

A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。

B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75%，产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。

AB类功放与A类和B类功放相比，可以说在性能上的妥协。AB类功放通常有两个偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。普通机10瓦的AB类功放大约在5瓦以内用A类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此AB类功放在大部分时间是用A类功放工作模式，只在出现音乐瞬态强音时才转为B类。这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。有些AB类功放将偏流调得甚高，令其在更宽的功率范围内以A类工作，使声音接近纯A类机，但产生的热量亦相对增加。

C类功放使用的比较少，因为失真度非常大，只适合使用在通讯上。

D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放工作复杂，增加的线路本身亦难免有偏差。

1.4 系统硬件电路设计

1．前置放大电路设计

（1）、电路的组成：

因为实验要求，前置放大电路的输入端接地时，在8Ω的负载上的噪声功率要小于10mV，

所以要尽量减小噪声。为了选用低噪声芯片，所以用用NE5532构成前置放大电路，为了提高前置放大电路的输入电阻和共模抑制比，必须采用同相比例放大电路。 （2）、设计理论分析：

由题目可知，在功率放大的8Ω负载上要获得额定输出功率

W P O R 10≥，根据：

V

P R U OR L OM 65.1210822=??=?=

2530

565.12)in (=-=mV V

m U U IN OM ，1870065.12)max (==mV V U U IN OM

dB 25)18log(20=，dB 68)2530log(20=

由上面的式子可知，整个电路的放大倍数要介于18~2530倍之间，即在25dB~68dB 之间手

动可调，有因为单级的放大倍数大概在20dB 左右，因此要采用两级前置放大，再加上一级功率放大来达到实验的要求。 （3）、各电阻阻值的确定：

由上面的式子可知，电压的放大倍数要达到18~2530倍，又因为NE5532采用正负12V 电压供电，题目要求峰峰值10mV~1.4V 输入，电路放大的电压超过20V 会失真，所以第一级设计放大13倍，这样1.4V 输入的时候，放大13倍，约为18V 不超过20V ，就不会失真。则：，电阻的取值不宜过大，取2R =1K ，3R =12K 。由于第一级放大13倍，中 ，，所以平衡电阻1R 约为1K 。为了使输出电压放大倍数可调，

其

所以在第一级和第二级之间加了电位器进行分压，取电位器

K R 105=。第二级同相比例放

大电路中，和第一级的差不多，因为要实现最大放大倍数为2630，假设功率放大部分放大

10倍，第一级放大13倍，为了提高输出功率，第二级放大倍数设为2倍。2116

7

=+

R R ，

电阻的取值不宜过大，取6R =1K ，由（7）可知，7R =20K 。768//R R R =

所以，平衡电阻

8R 约为1K 。

图1.4.1 前置放大电路方框图

1312

3=+R R 3

21//R R R =

2．变换电路设计

（1）、电路的组成：

用运放做比较器电路，利用正反馈电路，将小的交流信号转化为峰峰值比较大的方波信号，再经过电阻的分压，可以得到信号比较小的方波信号；将分压电阻换成滑动变阻器，可以通过调节滑动变阻器，得到峰峰值为200mv 的方波信号；运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管，用来控制输出电压的幅值，使输出信号稳定在一定范围内。另外，为达到输出方波的上升下降时间小于1us 和双极性方波,要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放。

（2）、各电阻阻值的确定：

若设电阻R1=100Ω，题目中输入信号为1KHZ ，幅值没有要求，,经过第一级正反馈，

输出电压的幅值达到电源电压Uo1=5V ，但由于稳压管的存在，

2.9V z ±=±=U U O ，(电

路中所用的稳压二极管是反向稳压幅度为2.2V ，正向为0.7V)。假定输入电压为ui=100mv,为了保证输出的信号为方波信号，则+ui>+TH U ,即TH U <100mv 。

?

?±?+=

Z TH U R R R U 211

，

若取R1=1k, 则：mv R 1009.2211

28K,因此取R2=33K ，R3为限流电

阻，可取100Ω。R4为分压电路，取值分别为10K

图1.4.2 变换电路方框图

3．功率放大电路设计

（1）、电路的组成：

功率放大的芯片有TDA2040A 、TDA1514，但TDA2040A 的功率裕量不大，TDA1514的外围电路比较复杂，又容易自激。而LM1875是一款功率放大集成块，它的优点是外围电路简单，输出的功率大，芯片内部有感性负载反向电势安全工作保护，又容易制作和调试，所以本实验选用LM1875芯片作为功率放大的芯片。 （2）、各电阻和电容的确定：

为了阻抗匹配，同相输入端1R =1M Ω，1C 和2R 组成了高通滤波器，令C1=10uF ，

R2=10k ，则：

HZ

C R f 59.11010101014.321

216

311≈?????==

-π<50HZ ，可以满足实

验的要求。

V

P R U OR L OM 65.1210822=??=?=

2530

565.12)in (=-=mV V

m U U IN OM ，1870065.12)max (==mV V U U IN OM

总共放大倍数在18~2530倍之间，其中前置放大电路的放大倍数为2732113=?倍，则功率放大级的放大倍数为9.2倍，约为10倍。R4、R5构成了反馈网路，C2是直流负反馈电

容。因为功率放大部分的放大倍数为10倍，所以：

1015

4

=+

R R ，取R5=1K ，R4 =10K 。其

中R3和C3构成了输出退偶电路，防止功放产生自激，没有接R3和C3的话，功放的输出则会产生自激震荡。

图1.4.3 功率放大电路方框图

1.5 系统调试与误差分析

表1.6为实用低频功率放大器的性能指标及本系统实际测量的结果，完全满足题目的要求。 表1.5 实用低频功率放大器测量结果表 测试项目 指标要求 测试结果

结果分析

基本1 额定输出功率 POR>10W 功率可以达到15W 系统稳定，输出功率大

基本2

带宽范围

BW ≥（50～10000）Hz BW ≥（20～20000）Hz

系统稳定，带宽比较宽

基本3 非线性失真系数

在POR 下和BW 内的非线性失真系数≤3%

非线性失真系数等于0.61%

达到要求，失真系数小

基本4

在

POR 下的效率效率

在POR 下的效率≥55% 效率可以达到68.3%

完全达到要求，效率比较高

基本5

在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤0.024mW

达到了要求，噪声比较小

发挥1

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200mVpp 频率为1000Hz 、上升时间≤756ns 、下升时间≤756n 、峰-峰值电压为200mVpp 完全满足要求

发挥2 额定输出功率和带宽

POR ≥10W BW ≥（50～10000）Hz

POR=35W

BW ≥（20～20000）Hz

输出功率比较大，带宽也比较宽，达到了本题的要求 发挥3

在POR 下输出波形上升时间和下降时间 上升时间和下降时间≤12μs 上升时间≤4.00ns 、 下升时间≤7.30ns 达到了本题的要求，上升下降时间比较小

发挥4

在POR 下输出波形顶部斜降

在POR 下输出波形顶部斜降≤2%

在POR 下输出波形顶部斜降≤0.35% 顶部斜降比较小，达到了本题的要求 发挥5

在POR 下输出波形过冲量

在POR 下输出波形过冲量≤5%

在POR 下输出波形过冲量≤0.17%

输出波形过冲量比较小，达到了本题的要求

实用低频功率放大实测图片：

图1.5.1正弦波输出功率实测波形图

图1.5.2方波输出功率实测波形图

图1.5.3 方波上升时间实测波形图

图1.5.4 方波下降时间实测波形图

图1.5.5 功率输出方波上升时间实测波形图

图1.5.6 功率输出方波下降时间实测波形图

图1.5.7 20Hz功率输出实测波形图

图1.5.8 20kHz输出实测波形图

1.6 总结与方案改进

1．系统总结

本系统由前置放大电路、变换电路、功率放大电路组成，前置放大电路采用两级同相比例放大，变换电路采用滞回比较器，功率放大电路采用LM1875集成功率芯片，完全达到了实验的要求。

2．调试遇到的问题以及解决的办法

1、在做变换电路的过程中，发现上升时间和下降时间很大，总是达不到实验的要求。

解决方法：在查阅接收管的资料后发现，上升时间和下降时间和芯片的压摆率有很大的关系，所以后来选用了压摆率比较大的运放芯片，就达到了本题的要求。

2、功率放大电路部分，波形总是失真，产生了自激震荡。

解决方法：通过查芯片手册才知道，LM1875功放芯片要求在输出端接上R3和C3构成的输出退耦电路，防止功放产生自激，没有接R3和C3的话，功放的输出则会产生自激震荡。

3．方案改进

在变换电路模块没有采用专用的比较芯片，而采用了运放作为变换电路，采用专用的比较芯片，可能上升时间和下降时间又能进一步的减小。在功率放大模块没有采用分离元件，而采用分离元件，波形放大倍数容易控制，且失真度可以做到很小，使音质很纯净，而且功率放

大的效率会比运放做成的功率放大效率高。