基于场效应管的功率放大器电路.docx
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基于场效应管的功率放大器电路
基于场效应管的功率放大器电路
摘要:
本设计低频功率放大器主要包括前级放大电路、中间放大电路、功率放大电路以及显示电路四个部分。
其中,前级电压放大采用基于运放的反相比例二级放大形式,能够得到后级输入所需的放大信号值;带阻滤波电路采用二阶有源滤波器,使阻带频率范围控制在40HZ~60HZ之间,并在50HZ频率点输出的衰减≥6dB;功率放大电路末级采用分立的大功率MOS晶体管,在输入有效值5mV信号下保证了功率输出大于5W;系统最终通过液晶显示整个电路输出功率、直流电源功率以及系统的工作效率。
设计完成的放大器达到了要求。
关键词:
低频功率放大器;功率放大电路;场效应管
附件19
1绪论
在模拟电子线路中信号经过放大后,往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能,例如推动喇叭发出声音,推动继电器实现控制等等。
这些执行机构是把电能转换成其他形式能量的器件,他们正常工作需要从电路中获取较大的能量。
所以放大电路的末级多有功率放大器组成,以便为负载提供足够的信号功率。
本次设计就是基于场效应管的功率放大器电路。
随着现代社会电子科技的迅速发展,伴随着人们生活水平的提高,近年来随着国内外音响技术的迅猛发展,电子管音频放大器以他独特的魅力重出江湖,各种电子管层出不穷,日新月异,成为广大音响爱好者追求的热点。
全球音频领域的数字化的浪潮以及人们对音频视频节能环保的要求,迫使人们尽快研究来发高效,节能,数字化的功率放大器。
低频功率放大器是一个技术相当成熟的领域,几十年来人们为之付出不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至思想认识上都取得了长足的进步。
功率放大器简称功放,可以说是各类音响器材中最大的一个家族了。
低频功率放大器的的设计是有很多意义的:
它可将音源器材输入的较微弱信号进行放大,产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
目前低频功率放大由分立元件组成,或集电极输出完成,由分立元件组成的功放,电路结构简单,由集电极输出的功放,可减少信号失真。
以其主要用途来说,功放可以分做两大类别,即专业功放与家用功放。
在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声,以及录音监听等场所使用的功放,一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求,这类功放通常称为专业功放。
而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏,AV系统放音,以及卡拉OK娱乐的功放,通常我们称为家用功放。
本期只介绍跟我们家庭息息相关的家用功。
功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器。
电子管放大器(俗称“胆机”)采用电子管作为放大器,其主要优点是动态范围大、线性好、音色甜美悦耳。
但电子管功放也存在两个问题,一是内阻大导致放大器阻尼系数小,影响瞬态特性,二是电子管需高压供电,离不开变压器,变压器不仅功耗大、体积大,还会导致失真。
克服电子管功放的两个缺点,晶体管放大器阻尼系数可做得很高,有良好的瞬态特性,在声音的节奏感、力度上要比胆机明快、爽朗、有力;而且无需变压器,不仅节省成本,缩小体积,而且避免了由变压器所引起的失真。
最后一种是集成电路放大器,它最突出的优点是可靠性高、外围电路简单、组装方便,不足之处是电声指标(功率、频响、失真度、信噪比等)和音质皆不如前两类放大器。
2低频功率放大器概述
2.1 低频功率放大器的基本要求
功率放大器和电压放大器是有区别的,电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大,一般输入及输出的电压的电流都比较小,是小信号放大器。
它消耗能量少,信号失真小,输出信号的功率小。
功率放大器的主要任务是输出大的信号功率,它的输入、输出电压和电流都较大,是大信号放大器。
它消耗能量多,信号容易失真,输出信号的功率大。
这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求:
1.具有足够大的输出功率
为了得到足够大的输出功率,三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。
2.效率要高
功率放大器是利用晶体管的电流控制作用,把电源的直流功率转换成交流信号功率输出,由于晶体管有一定的内阻,所以它会有一定的功率损耗。
我们把负载获得的功率Po与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率η,用公式表示为:
η=×100%
显然,功率放大电路的转换效率越高越好。
3.非线性失真要小
功率大、动态范围大,由晶体管的非线性引起的失真也大。
因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的,但是依然要设法尽可能减小非线性失真。
4.散热性能好
2.2 低频功率放大器的分类
2.2.1以晶体管的静态工作点位置分类
常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同,可分为甲类、乙类和甲乙类3种,如图2.1所示。
(
(a)甲类功放的输出波形 (b)乙类功放的输出波形 (c)甲乙类功放的输出波形
(d)3种工作状态下对应的工作点位置
图2.1 功率放大器的3种工作状态
①甲类功率放大器
工作在甲类工作状态的晶体管,静态工作点Q选在交流负载线的中点附近,如图2.1(d)所示。
在输入信号的整个周期内,晶体管都处于放大区内,输出的是没有削波失真的完整信号,如图2.1(a)所示它允许输入信号的动态范围较大,但其静态电流大、损耗大、效率低。
②乙类功率放大器
工作在乙类工作状态的晶体管,静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处,即交流负载线和IB=0的交点处,如图2.1(d)所示。
在输入信号的整个周期内,三极管半个周期工作在放大区,半个周期工作在截止区,放大器只有半波输出,如图2.1(b)所示。
乙类工作状态的静态电流为零,故损耗小、效率高,但非线性失真太大。
如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作,则可以放大输出完整的不失真的全波信号。
③甲乙类功率放大器
工作在甲乙类工作状态的晶体管,静态工作点Q选在甲类和乙类之间,如图2.1(d)所示。
在输入信号的一个周期内,晶体管有时工作在放大区,有时工作在截止区,其输出为单边失真的信号,如图2.1(c)所示。
甲乙类工作状态的电流较小,效率也比较高。
2.2.2以功率放大器输出端特点分类
①有输出变压器功放电路。
②无输出变压器功放电路(又称OTL功放电路)。
③无输出电容器功放电路(又称OCL功放电路)。
④桥接无输出变压器功放电路(又称BTL功放电路)。
2.2.3功率管的安全使用知识
就功率管而言,为了保证其安全运用,必须做到以下几个方面:
①避免发生集电结的击穿。
②避免集电结过热,集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。
晶体管的集电极容许损耗PCM不是一个固定不变的值,它和器件的散热情况有关,根据环境温度和器件的散热装置不同而有所不同。
③功率管在工作时不能进入二次击穿区。
2.3功率放大电路的主要特点
2.3.1功率放大电路的任务和特点
基于输出较大功率的基本任务,对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面:
①大信号工作状态
为输出足够大的功率,功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大,因此,功率放大管的动态工作范围很大,功放管中的电压、电流信号都是大信号状态,一般以不超过晶体管的极限参数为限度。
②非线性失真问题
由于功放管的非线性,功率放大电路又工作在大信号工作状态,必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。
输出功率越大,电压和电流的幅度就越大,信号的非线性失真就越严重。
因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。
③提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗
从能量转换的观点来看,功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。
任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出,其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上,并且主要是功放管的损耗。
对于同样功率的直流电能,转换成的交流输出能量越多,功率放大电路的效率就越高。
因为功率大,所以效率的问题就变得十分重要,否则,不仅会带来能源的浪费,还会引起功放管的发热而损毁。
3基于场效应管的功率放大器电路的设计
3.1基于场效应管的功率放大器电路设计的要求和内容
设计并制作一个基于场效应管的功率放大器电路,要求末级功放管采用分立的MOS管。
基本要求:
低频功率放大器可以实现以下功能:
①当输入正弦信号电压有效值为5mV时(即峰峰值为7mv时,)在8Ω电阻负载(一端接地)上,输出功率≥5W,输出波形无明显失真。
②通频带为20Hz~20kHz。
③输入电阻为600Ω。
④功率放大器的整机效率尽量提高。
⑤具有测量并显示基于场效应管的功率放大器电路输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能,测量精度优于5%。
在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz~20kHz的前提下,输入信号幅度可降。
3.2 系统总体设计方案
3.2.1设计思路
根据设计任务与要求,本系统由低频功率放大器、测量电路和显示电路组成。
其中功率放大部分包括:
前置放大级、中间放大级和功率放大级。
测量显示部分包括:
电压电流的数据采集,数据分析和显示。
为实现各模块的功能,分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
最终确定系统框图如图3.1所示。
图3.1系统结构方框图
3.2.2 各模块方案选择和论证
①高效率、宽带功率放大器的类型选择
我们知道,为了提高功率和效率,一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类(θ=360,η)到乙类(θ=180,η),丙类(θη),甚至D类(η=100%)。
但丙类放大器不适宜宽带放大器,原因是失真太大。
工作在乙类状态会产生交越失真。
D类放大器效率虽高,但在制作上有几个技术难点,如脉宽调制,考虑到时间因素,我们采用甲乙类双电源互补对称功率放大电路。
甲乙类放大电路管耗小、效率高、可克服交越失真,虽然其效率比D类、乙类低,但其能满足题目要求且较D类易制作。
②信号前置放大级
方案一:
采用分立元件组成放大电路。
用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。
该电路的优点是:
共模抑制比高、性价比高。
方案二:
采用集成电路构成。
该电路的优点是:
电压增益易调且高、电路简单。
根据题目要求需要低输入电阻,高增益的前置放大级。
方案一要求的性能相同的小功率三极管电路设计、计算相对复杂。
而方案二具有更大的优越性和灵活性,因此选用方案二。
最终确定集成芯片采用低失调电压、高开环增益的OP07。
③中间放大级
方案一:
采用分立元件组成多级放大。
用功率小三极管组成多级共射放大电路,性价比好。
方案二:
采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。
根据题目要求,放大器的通频带要宽,放大倍数大。
方案一各放大级如直接耦合,各级的静态工作点相互影响,难以设置;如采用电容耦合,通频带将受影响,放大倍数要达到要求,放大级数多,难以达到要求。
方案二采用集成芯片做一级放大,放大倍数易达到要求,设计易于实现,价比高。
因此选方案二。
④功率放大级
输出级的关键问题是放大功率、提高效率和减小波形失真。
方案一:
直接采用配对的Mos管组成甲乙类功率输出级。
如图3.2。
图3.2甲乙类功率放大输出级
方案二:
甲乙类双电源互补对称放大电路。
采用复合管构成MOS配对管,增大输出电流。
如图3.3。
图3.3甲乙类双电源互补对称放大电路
方案相比较,方案二输出电流大,故而使输出功率也增大了,故采用方案二。
⑤测量模块
方案一:
输出电压经分压后用A/D直接采集计算。
由于输出电压较大,但A/D的基准电压是5V,所以必须利用分压将电压降到5V以内进行测量。
方案二:
采用小阻值的采样电阻。
如图3.4我们知道,如果R2的阻值远小于R1的阻值时,那R2对
图3.4采样电阻
ADC0804是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。
分辨率8位,转换时间100us,输入电压范围为0~5V。
增加某些外部电路后,输入模拟电
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