低频功率放大器

学科分类号         本科学生电子课程设计论文 题      目：      低频功率放大器            姓    名         徐  双  华                学    号         2006180814                院  （系）    工    学    院                专业、年级       06级应用电子技术教育            指导教师    兰浩    杨小钨      2008年  9  月 21  日 指导教师评定成绩 评审基元 评审要素 评审内涵 满分 指导教师 实评分 选题质量15% 目的明确 符合要求 选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的基本要求，达到课程设计论文综合训练的目的。 5   理论意义或 实际价值 符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。 5   选题恰当 题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。 5   能力水平50% 查阅文献 资料能力 能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。 10   综合运用 知识能力 能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。 10   研究 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的 设计能力 整体思路清晰；研究方案合理可行。 5   研究方法和手段的运用能力 能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。 20   外文应用 能力 能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。 5   设计论文35% 写作水平 论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。 15   写作 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 10   论文篇幅 500 0字 个人自传范文3000字为中华之崛起而读书的故事100字新时代好少年事迹1500字绑架的故事5000字个人自传范文2000字 左右。 10   实评总分 成绩等级 指导教师评审意见： 指导教师签名：           说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。 第1章 绪  论 1.1 低频功率放大器发展现状 随着生活水平的提高，人们对声音欣赏的要求越来越高，音频功放作为承担声音重放任务的设备，正日益受到人们的重视。在半导体，集成电路的快速发展的前提下，以模拟电子技术为基础的音频功放技术也在飞速发展. 从最初的由电子管组成的功率放大电路到晶体管组成的功率放大电路，再到由场效应管组成的放大电路，而到现在我们用到得更多的是集成功率放大电路。电子管功率放大电路虽然效率不高，但是由于其性能相当好，失真度相对于晶体管来说要小得多，所以在一些高品质的功率放大电路中仍然采用到了。集成功率放大电路效果比较好，效率较高，而且失真小、外围电路简单，但是在大功率放大电路中要考虑到散热的问题，所以一般中用在普通功率放大电路中，在大功率放大的电路中一般不会用到。大功率放大电路中，用到最多的是乙类的OCL和OTL互补推挽放大电路，相对来说OCL互补推挽放大电路又用到得比较多，因为其稳定性较OTL互补推挽放大电路要好。其主电路由上下两个功率管组成，上面的功率管放大信号的正半周期，下面的功率管放大信号的正半周，电路因此得名。这种电路组成方式大大减小了功率管的负担，同时提高了放大器的工作效率，正是因为这样才会在大功率放大电路中被广泛采用。 1.2 OCL互补推挽技术的现状 OCL互补推挽功率放大电路开始只是一种很简单的电路，发展到现在为止，电路越来越复杂、性能越来越优越，被广泛地运用到各种大功率放大电路中，这种电路采用直接耦合方式，因此通频带非常宽，尤其适合音频电路的大功率放大，在超大功率放大电路中更是普遍地运用到了它，可以说只要是大功率放大电路，就可以看到它的影子。这种电路被广泛运用到功率放大电路中，最重要的一点是效率高，节约能源，经过优化了的电路效率可达到75%以上。 1.3 选题意义 旨在通过对低频功率放大电路进行设计和调试，巩固模拟电子技术基本知识，透彻地了解功率放大电路的组成及运行过程，把所学到的理论知识综合地运用到实际电路中去；掌握模拟电子线路的调试方法，增强工程实践能力和综合分析问题的能力；掌握电子系统控制的方法。 1.4 本设计的工作 1、电路设计过程：运用所学到的知识构件电路的框架，通过理论计算和模拟电路仿真确定电路中电阻、电容等元件的参数以及主要零部件的型号。 2、元件采购过程：购买各种电路中所要用到的元器件，准备好电路组装所需要的材料及工具。如：万用板、锡丝等。 3、电路组装过程：根据所设计的电路在万用板上将元件连接起来，组装过程中注意元件布置的合理性，确定电路连线没有错误。 4、电路调试过程：确认电路连接无误后通电进行测试，记录调试过程中所测到的各种数据，并对各组数据进行分析，调试中要特别注意中点电压的调零，以免因为中电压偏离而导致电路两对管的负载分配不均匀，从而损坏功放管。 5、撰写设计报告：根据测试到的数据以及电路的运行情况撰写课程设计报告，包括对电路原理的分析，电路的运行过程等。 第2章 硬件部分简介 2.1 具体方案论证与设计 方案１： 一、二级采用集成运算放大器、后级采用OCL互补推挽放大电路 具体电路如下： 第一二级采用集成运算放大器放大。 输入信号经过前两级运算放大器放大后，信号的强度有了大幅提高，前面两级均采用反相比例运算电路，经两级放大后，输出信号的相位跟输入信号的相位相同。通过可调电阻可以调节电路的总放大倍数，前级电路主要放大信号的电压幅度。 后级采用OCL互补推挽放大电路 根据OCL互补推挽放大电路的工作原理，上下功放管各放大信号的半个周期，两个功放管互补工作，因此而得名，以上电路考虑到功率管的激励电流问题，功率管采用复合管，以此来增大功率管的推动电流，解决因功率管推动电流不够而引起的上下截顶失真。 保护电路采用三极管动态分流电路，实际电路如下： 当输出电流过大时，电路通过将功放管基极的电流分出一部分，以达到减小三极管基极电流，从而减小发射极输出电流的目的，不但保护了功率放大管，而且起到了保护负载安全的作用。 方案２： 前级采用差动放大电路、后级采用OCL互补推挽放大电路 具体电路如下： 前级采用差动放大电路 如右图所示输入信号通过三级管Q6进行放大，两三极管的放大倍数非常接近，根据三级管放大的原理，两三极管的集电极和发射极电流相等，R4上的电流等于每个三极管基极电流的两倍。Q6管集电极接上电阻，Q6的集电极电流要通过R4，会在R4上产生电压降，从而达到电压放大的目的。 后级采用三级管推动加OCL互补推挽放大电路 具体电路如下： 通过调节Q2的基极输入电压，可以调节电路的静态输出电压，要求将静态电压调为零，即电路的调零。 保护电路跟方案一一样采用三极管动态分流电路。这里不再重复阐述。 2.2 主要部件的简介 三级管: 型号 Vbeo Icm Pcm 类型 数量(个) 2SB817 160V 12A 100W PNP 1 2SD1047 160V 12A 100W NPN 1 2N5551 160V O.6A 0.6W NPN 4 2N5401 160V O.6A 0.6W PNP 3             二极管: 型号 最大整流电流 最大反向电压 类型 数量 1N4001 1A 50V 硅整流二极管 2           电阻: 型号 功率 数量 5.1K 0.5W 2 27K 0.5W 2 15K 0.5W 1 1K 0.5W 2 2.2K 0.5W 1 0.3 2W 2 330 0.5W 1       电容: 型号 耐压 数量 47uF 50V 1 10uF 50V 1 47pF \ 1 100pF \ 1       第3章    各部分电路原理 3.1  差动放大电路原理 差动放大电路如左图所示，电路的两边完全对称，为了达到最好的效果，使电路尽量不失真，要求两个放大管的参数要尽可能地相同。 当电路工作在静态时，两三极管的基极同时接地，由于电路对称，而发射极同接于负VCC。由三极管的放大特性可知，两三极管的集电极和发射极电流相等，Q7的集电极电阻可接可不接。此时在Q6的集电极将产生一个固定的电位（三极管的导通程度一定），电路的工作状态不发生变化。差动放大电路还具有抑制共模信号的功能，可以减少由温度或其他因素引起的电路工作点漂移，达到稳定静态工作点的目的。当温度上升引起三极管的放大倍数变化时，输出信号的零点电位同时变化，相对的输出交流信号的幅度不产生变化，这是差动放大电路抑制工作点漂移的原理，即抑制共模信号，放大差模信号。 当电路工作在动态时，三极管的集电极电流根据输入信号的强度变化，将在三极管的集电极电阻上产生一个电压降，此电压值随集电极电流的变化在静态周围变化。如果只采用差动放大器做放大电路，那么可以通过串联一个容量较大的电容将信号输出到负载上去。需要连接后级电路则可以根据实际情况配置后级电路。 3.2  OCL互补推挽放大电路的工作原理 最简单的OCL互补推挽放大电路如左图所示，上下功放管各放大信号的半个周期，两个功放管互补工作，电路因此而得名，以上电路考虑到功率管的激励电流问题，功率管采用复合管，以此来增大功率管的激励电流，解决因功率管激励电流不够而引起的上下截顶失真。当输入信号为正时，上功率管导通，电流从VCC通过功率管，再经过负载到地形成回路。当输入信号为负时，下功率管导通，电流从地通过负载，流经功率管到地形成回路。两个功率管轮流工作。但在时际电路中，以上电路会产生交越失真，因为三极管存在死区电压，当输入信号小于三极管的死区电压时，三极管将截止，所以在输入信号的正负交界处将产生失真，在实际应用中必须设计一个电路来消除这种失真，以保证声音的质量，此电路的工作原理将在下面进行说明。 3.3  交越失真消除电路工作原理 如图所示：交越失真消除电路由R3、Q2、D3、D2、R2组成，正常工作时，Q2工作在半导通状态，D3、D2正向导通，将产生1.4V左右的电压降，同时R2上将产生电压降，看图可知，D3、D2与功率管的发射结并联，这样可保持两功率管的发射结电压稍高于三极管发射结的死区电压，使功放管工作在微导通状态，加入很小的电压就可以触发三极管导通，解决了电路交越失真的问题。 需要注意的是，在电路的运行和调试过程中，电路的中点电位必须非常接近于零电位，否则电路将因为两个功放管所分得的功率不均匀而损坏功放管，同时可能损坏负载。 3.4  过流保护电路的工作原理 为了在输出电流过大时对功率管和负载进行保护，本机还设有过流保护电路。如图所示，过流保护电路由Q1、Q3、R1、R11、U1、U2组成，当输出电流正常时，U1、U2上产生的电压降不足以使三极管Q1、Q3导通，三极管工作在死区，此时，保护电路不影响电路的工作，输出波形与输入波形的形状相同。当输出电流因某种原因增大时，U1、U2上的电压降足以使Q1，Q3导通，此时，Q1，Q3将功率管的基极电流分出来一部分到地，电流越大，Q1，Q3的导通程度越深，分出来的基极电流也越大，以此来减小功率管的输出电流，达到保护功放管和负载的双重目的。保护过程中，输出波形将会产生上下截顶失真。 第4章  测试报告 4、1通频带测试报告 电路要求带宽BW≥(50-1000)HZ 输入信号的有效值为50mV 频 率 20 hz 50 hz 200 hz 400hz 600 hz 800 hz 1000hz 1100hz 1200hz 1300hz Vo 有效 0.816V 0.816V 0.82V 0.82V 0.82V 0.82V 0.82V 0.82V 0.82V 0.82V                       输入信号的有效值为300mV 频 率 20 hz 100 hz 200 hz 400hz 600 hz 800 hz 1000hz 1100hz 1200hz 1300hz Vo 有效 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V 3.64V                       输入信号的有效值为600mV 频 率 20 hz 100 hz 200 hz 400hz 600 hz 800 hz 1000hz 1100hz 1200hz 1300hz Vo 有效 7.21V 7.21V 7.22V 7.22V 7.22V 7.22V 7.22V 7.22V 7.22V 7.22V                       根据以上测试结果可知，本电路的带宽远大于(50-1000)HZ，设计达到预先要求。 附：在预定带宽内固定输入信号幅度时的输出波形 输入信号有效值为300mV时的输出波形 输入信号频率为50HZ 输入信号频率为200HZ 输入信号频率为500HZ 输入信号频率为1000HZ 输入信号频率为1500HZ 输入信号频率为200HZ 4、2在PoK下的效率测试 要求在PoK下的效率≥55％ 频率 50hz 200hz 400hz 600hz 700hz 900hz 1000hz Pi（w） 17 17 17 17 17 17 17 Po（w） 11．5 11．5 11．5 11．5 11．5 11．5 11．5                 根据测试结果η=Pi/Po=(11.5/17)*100%=67.6%，达到了设计要求。 附：频带内的最大输出功率时波形： 输入信号频率为50HZ最大输出时的波形 输入信号频率为2KHZ最大输出时的波形 4、2输入接地时电路输出断的波形，用以测量前置放大输入级输入端交流接地，RL上面的交流声功率。 波形如下： 观察波形可知： P=0.5Um2/R=0.5*(11.6mv*11.6mv/8)=0.0084mw 达到并远超过了设计要求。 第5章  结论 由于电路后级采用了OCL互补推挽功率放大电路，而OCL互补推挽功率放大器属于乙类功率放大器，所以电路效率比较高，电路的功率损耗较小，而且在整个电路除输入级外均采用直接耦合方式，所以电路的通频带很宽，能够保证将在人耳所能听到的声音频率范围内的输入信号同等幅度地放大，输出信号的失真特别小。保证了声音的质量，是一种可以运用到实际生产中的电路。最重要的是本电路组成简单，相对于其他种类的电路来说成本较低，这就使得本电路在实际生产中更有价值，。 本设计中的不足与改进建议： （1）本设计存在的缺点是电路没有设置均衡电路，当放大音量较小的声音信号时，因为人耳对低音的感应比对高音的感应迟钝，电路小功率运行时会感觉高音信号的成分会比较多。因此，最好在前级设置均衡电路，以使人在听小音量时感觉舒服。 （2）因为电路是按照后级功率放大设计的，所以电路没有设置音量电位器，在进行功率放大时，在本机上不能对音量进行调节，所以最好在电路前级再加一级前置放大，并设置音量电位器，以使电路得到完善，方便用户使用。 （3）电路的中点电位必须非常接近零电位，否则将给电路带来额外的损耗，严重时将损坏功放管甚至烧坏负载。在不考虑电路成本的情况下可进一步改善保护电路。 参考文献 [1] 易克初,田斌,付强. 语音信号处理[M]. 北京:. 国防工业出版社. 2000 [2] 胡航. 语音信号处理[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社. 2000 [3]  林焘, 王理嘉. 语音学教程[M]. 北京: 北京大学出版社. 1992 [4]  张龙兴  电子技术基础（第二版）  高等教育出版社 [5]  现代电子线路和技术实验简明教程  高等教育出版社 致谢 本设计到最后能够调试成功，与我的指导老师兰浩、杨小钨的精心辅导是离不开的，在此感谢兰浩、杨小钨两位导师对我的细心栽培。另外还要感谢汪鲁才博士和、邓海涛老师，因为他们的建议打开了我的思路，让本设计进一步得到完善。还有我要感谢我的合作伙伴叶操、罗清的积极配合，以及班上向我提供技术帮助同学。 附：主机电路 电源电路：