1、 . 職業技術學院畢 業 設 計題目：低頻功率放大器系 別：電子電氣工程系專 業：電子信息工程技術班 級：08級電信1班姓 名：海泉 學 號：0 指導教師： 力 完成時間： 2011年5月  職業技術學院畢 業 設 計 （論 文）任務書  電子電氣工程 系 電子信息工程技術 專業 3 年 級 1 班學生海泉學號 0 日期2010年10畢業設計(論文)題目低頻功率放大器畢業設計(論文)容與要求：  一、任務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大功率MOS晶體管。二、要求1基本要求（1）當輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，在8電阻負載（一端

2、接地）上，輸出功率5W，輸出波形無明顯失真。（2）通頻帶為20Hz20kHz。（3）輸入電阻為600。（4）輸出噪聲電壓有效值V0N5mV。（5）盡可能提高功率放大器的整機效率。 指導教師 畢業（設計）論文綜合評定表指導教師對畢業設計（論文）的評語：指導教師(簽名)年 月 日答辯小組對畢業設計（論文）的答辯評語：總評成績：答辯小組負責人（簽名）年 月 日學生畢業設計答辯情況記載表論文題目：班級： 學生： 學號：指導教師：答辯時間：記錄人：答辯小組成員姓 名專業技術職務或職稱簽 字答辯小組提出的主要問題與學生回答問題情況（至少3個問題） 答辯小組組長簽名：目 錄1、前言.62

3、、摘要.83、系統設計要求.94、系統方案分析與設計.105、硬件電路設計.126、電壓放大電路的設計187、功率放大電路的設計.208、低頻功率放大器總圖219、整體電路仿真測試結果.2210、參考文獻.251、前 言 功率放大器在家電、數碼產品中的應用越來越廣泛，與我們生活有著密切關系。隨著生活水平的提高，人們越來越注重視覺，音質的享受。在大多數情況下，增強系統性能，如更好的聲音效果，是促使消費者購買產品的一個重要因素。低頻功率放大器作為音響等電子設備的后即放大電路，它的主要作用是將前級的音頻信號進行功率放大以推動負載工作，獲得良好的聲音效果。同時低頻功率放大器有是音響等電聲設備消耗電源能

4、量的主要部分。因此設計出實用、簡潔、低價的低頻功率放大器是一個發展方向。功率放大器隨著科技的進步不斷發展，從最初的電子管功率放大器到現在的集成功率放大器，功率放大器經歷了幾個不同的發展階段：電子管功放 晶體管功放 集成功放。功放按不同的分類方法可分為不同的類型，按所用的放大器件分類，可分為電子管式放大器、晶體管式功率放大器（包括場效應管功率放大器）和集成電路功率發起（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶體管和集成電路式功率放大器為主，電子管功率放大器也占有一席之地。電子管功率放大器俗稱膽機，電子管功放的生產工藝相當成熟，產品的穩定性很高，而離散型極小，特別是它的工作機理決定了它的音色十分溫柔，富

5、有人情味，因而成為重要的音響電路形式。電子管電路的設計、安裝、調試都比較簡單，其缺點是輸出變壓器、電源變壓器的繞制工藝稍麻煩，耗電大、體積大、有一定的使用期限。因此在實際使用中有一定的局限性?，F在大功率晶體管種類很多，優質功放電路也層出不窮，因此晶體管功率放大器是應用最廣泛的形式。人們研制出許多優質新型電路使功放的諧波失真，很容易減小到0.05%一下。場效應管是一種很有潛力的功率放大器件，它具有噪聲小、動態圍大、負溫度特性等特點，音色和電子管相似，保護電路簡單。場效應管生產技術還在不斷發展，場效應管放大器將有更為強大的生命力。由于集成電路技術的迅速發展，集成電路功率放大器也大量涌現出來，其工藝

6、和指標都達到了很高水平，它的突出特點是體積小、電路簡單、新能優越、保護功能齊全等。由于在很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統中起到了“組織、協調”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統能否提供良好的音質輸出?，F今功率放大器不僅僅是消費產品（音響）中不可缺少的設備，還廣泛應用于控制系統和測量系統中。然而低頻功率放大器已經是一個技術相當成熟的領域，幾十年來，人們為之付出了不懈的努力，無論從線路技術還是元器件方面，乃至思想認識上都取得了長足的進步。目前市場上的集成功放產品價格已經很低并且種類也很多，典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514。這些優質功放體積小、性能優越、保

7、護功能齊全、外圍電路簡單、易制作、易調試。最近，一種應用砷化鉀MESEET制成的功率放大器MMIC，在移動和個人數據終端領域中應用越來越廣泛，一片尺寸為2.5×3.48平方毫米的MMIC輸出功率可達到1.1W，工作頻率達950MHZ。本文給出一種簡單實用、制作成本低廉的實用低頻功率放大器的設計方案，并給出實際測試結果。功率放大可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成功率放大器，如果進行精心的設計，則在效果和失真方面更優越于集成的，價格方面便宜一點，但如果電路選擇和參數設置不恰當時，元件性能就不能很好的表現出來，制作調試比較困難。從電路的簡單性和易調性，集成電路更好些。2、

8、 摘要 本系統采用兩只MOS配對場效應管組成OCL低頻功率放大電路，信號失真小，整機功耗低，電路頻帶寬。采用高性能低噪聲集成運放OP37擔任前置電壓放大級和功率驅動激勵級，具有較高的電壓增益和足夠的帶寬。3、 系統設計要求 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大功率MOS晶體管。 基本技術指標:（1）輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，在8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20Hz20kHz。 （3）輸入電阻為600. （4）輸出噪聲電壓有效值Von5mV。 （5）盡可能提高功率放大器的整機效率 4、 系統方案分析與設計 設計分析：題目要

9、求輸出功率大于5W，本題是采用OCL電路。以三極管的推導為例：（1）放大倍數的確定：P0=Icm/*(Uom/) =1/2*(Icm*Uom) =1/2*(U2om/RL)因 P0=5W RL=8歐姆所以Uom=9V有效值Uo=9/=6.4V=6400mv Io=Uo/RL=6.4/8 =0.8A總的放大倍數不低于：Av=6400/5=1280（2）工作電源的確定： 峰峰值：Uomm=2*Uom =2*9 =18V Uomm=Vcc-2Uce(sat)Vcc=Uomm+2Uce(sat)=18+2*0.3=18.6V所以工作電源不低于 18.6V（3）變壓器的選擇： 輸入電流 Iin>I

10、o 變壓器的次級電壓 : V2=Vcc/ =18.6/1.414 =13.5V 變壓器的輸出功率不低于：P2=V2×Io=13.5×0.8=10.6W 所以變壓器選為輸出功率為20W，輸出雙12V電壓5、硬件電路設計方案論證與比較 （1）功率放大器的方案論證與選擇 方案一：采用D類功率放大器。D類放大器功耗小，使用壽命長，效率特別高，高達85%以上，該種電路采用阻值小的電子器件就可以制造出很大功率的音頻放大器。 方案二：采用OCL類功率放大器。OCL功放電路定壓式輸出電路該電路采用兩組電源供電，使用了正負電源，在電壓不太高的情況下，也能獲得比較大的輸出功率，省去了輸出端的耦

11、合電容。使放大器低頻特性得到擴展。 方案三：采用AB類功率放大器。AB類放大器的晶體管的導通時間稍大于半周期,必須用兩管推挽工作.可以避免交越失真.交替失真較大,可以抵消偶次諧波失真.有效率較高,晶體管功耗較小的特點.綜合考慮，本設計采用OCL類功率放大器實現題目的要求，所以我們決定采用方案二。（2）采用OCL類功率放大器實現題目的要求的論證方案：a 低噪聲問題設計要求輸出噪聲電壓有效值低于5mv，因此前級放大電路要選用OP37型低噪聲運放。并采用同相無對地電阻的反相放大電路，使電路中的噪聲源電阻的數量達到最少，以最大限度地獲得低噪聲。b 靈敏度問題由于信號至少需要被放大一千多倍?？紤]到運算放

12、大器的放大倍數和通頻帶的關系，所以放大電路采用兩級放大。c高保真問題功率放大電路采用了具有負反饋功能的甲乙類推挽放大電路，有效克服了普通甲乙類推挽放大電路的交越失真問題。d 提高效率的問題運算放大器的電源電壓高于功率輸出級的電源電壓，最大限度地提高了電源電壓的利用率，也就是功率放大器的效率。e電源方案將穩壓前的電壓作為運算放大器的電源，穩壓后的12V提供給功率輸出級，這樣就在獲得兩套對稱電源輸出的同時，最大限度地簡化了電源結構。f 整機系統方框圖我們設計的低頻功率放大器主要由前級低噪聲放大電路、中級信號放大電路、功率放大電路與電源電路.前級放大電器中間放大級功率放大電源g提高功率放大器效率的措

13、施、 大功率MOS場效應管具有很低的飽和壓降，如2RF630場效應管在大電流(ID=2A)時的飽和壓降UD=0.1V。所以用MOS場效應管組成的對稱互補型功率輸出電路，輸出電壓可以很接近電源電壓，也就是可以很接近70%的理想輸出效率，如下圖c中場效應管組成的對稱互補型型功率輸出級的輸出電壓與電源電壓之間的關系。、 但作為推動級的運算放大器TL084的輸出電壓明顯不能達到軌到軌的水平(見圖中運放的最大輸出電壓)，而且由于功率輸出級存在阻，使功率輸出級的輸出電壓又明顯小于推動級運放的輸出電壓(見圖中a、a和c、c之間的關系)，從而使功率輸出級的輸出電壓明顯不能接近電源電壓，功率輸出級的效率因此不能

14、得到充分發揮。若強制增大推動級運放的輸出電壓，將會出現失真(見圖中b、b之間的關系)。、我們提高功率放大器效率的措施是：采用推動級運算放大器的電源電壓高于功率輸出級的電源電壓的方法，創造運算放大器TL084的輸出電壓可以顯著大于功率輸出級最大輸出電壓的條件。如上圖所示推動級運放的輸出電壓與電源電壓之間的關系，從而最大限度地提高了功率輸出級對電源電壓的利用率減小失真的措施、推動級運算放大器因糾正功率輸出電路非線性失真的需要和功率輸出電路自身輸出阻抗的原因，推動級比例運算放大器在正常放大時，輸出電壓會明顯大于功率輸出的電壓；從而使其阻礙功率輸出效率的作用更加顯著，如圖A所示：、我們提高功率放大器效

15、率的措施是：采用運算放大器的電源電壓高于功率輸出級的電源電壓的方法，創造運算放大器TL084的輸出電壓可以顯著大于功率輸出級最大輸出電壓的條件。如上圖B所示TL084的輸出電壓與電源電壓之間的關系，從而最大限度地提高了功率輸出級對電源電壓的利用率。防自激的措施：由于本音頻功放的電壓放大倍數大，所以電路很容易自激。我們采取兩套措施來解決自激問題：第一、 對前置放大器的電源進行濾波，以減小前后級放大器之間的交流耦合，如圖所示兩個1K的電阻和兩個100uF的電容組成的濾波電路。由于前置放大器不會有大的輸出電壓，所以，該濾波電路雖然降低了前置放大器的電源電壓，卻不會影響整機的輸出電壓動態圍。第二、讓負

16、載的大電流完全不通過信號回路。 （3）穩壓電源的方案論證與選擇 方案一：采用二極管并聯型穩壓電源。本方案的核心器件是穩壓二極管，其優點是穩壓電路簡單，成本低，但其輸出電壓不高，而且穩壓管的穩定性受溫度影響較大，穩壓效果差，只適用于小功率的電路。 方案二：采用三極管串聯調整型穩壓電源。本方案的核心是基準源和大功率三極管，其優點比穩壓二極管型穩壓電源的輸出功率大，電壓、電流的調整率大；但其體積大，重量重，效率低，電壓調整圍窄，電路較復雜。 方案三：采用三端集成穩壓器。本方案的核心器件是三端集成穩壓器，其優點是穩壓性能非常好，穩壓塊部還有設有過流保護和過熱保護等電路，溫度特性也非常好，使用安全可靠，

17、電路簡單，紋波系數小。而且價格低廉等特點。在市場上78xx系列穩壓器容易購買到，在功率較小的電路得到廣泛應用。 綜上所述，經過論證，我們選擇方案三制作低頻功率放大器的電源電路，本設計的供電系統采用了自行設計的直流穩壓電源，該穩壓電源以最簡單的結構為本設計提供了2套電源。6、電壓放大電路的設計前級放大和中級放大電路均由同相放大電路組成 本設計電路前級放大31倍，中級放大電路為61倍，總的放大倍數為1891, 足夠滿足設計要求。各元件參數的確定：設R12為1K，則 Av1=(1+R15/R12)=31所以R12=30k平衡電阻 R2=R15=30K同理 設R5=3k, 則 R6=180K平衡電阻

18、R14=R6=180K電容的參數：C4決定的下限頻率是FL2FL2=1/(2×3.14*C4*R2) FL2=20Hz所以 C4=1/(2×3.14×20×30×103)=0.3uF 實際應用中C4取值為1uFC1決定的下限頻率是 FL1 FL1=1/(2×3.14*C1*R12) FL1= FL2/10=2Hz 所以算出 C1=79uF 實際應用中C1取值為82uF 同理 C5=47nF C6=27uF 圖中的電位器與R3串聯分壓，可調節整個電路的增益。7、功率放大電路的設計功率放大電路采用了具有負反饋功能的甲乙類推挽放大電路，末級

19、功放管采用分立的大功率互補對稱的場效應晶體管IRF523、IRF9131（實際應用中用2RF630、2RF9630），本設計給功放輸出供雙12的工作電源，基本都滿足場效應管，電流要大于2A。如圖所示一般電路的反饋采樣點選在運放的輸出端，而本設計中選取在功率輸出端，負反饋功能來改善功率輸出級的波形（克服交越失真）。末級功率放大電路工作在甲乙類狀態，靜態工作電流15mA到20mA左右，即工作正常。圖中的兩個電容（一般為幾十個微法）和R7、R11構成了自舉電路改善波形的平頂失真，兩個電位器是調節兩個MOS管的靜態電流。因為負載是揚聲器，也就是感性負載。電流滯后電壓，故采用電阻與電容串聯之后并接在負載上對負載起相位補償的作用，R12的阻值要大于負載的阻值，但不能過大。8、低頻功率放大器總圖9、整體電路仿真測試結果（1）通頻帶的測試：U有效7.07Vf(Hz)2 6 11205K10K15K20K50K100K140K(V)457.077.077.077.077.077.076.85.85（2）輸入電阻的測試：測量方法：不接負載，斷開電源，在功率放大電路輸入端之前串接一個600歐的電阻R，在此外接電阻之前輸入電壓有效值為5mV正弦信號，用示波器測量外接電阻端的信號電壓有效值和原輸入