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集成运放摘要
摘要
在多数放大电路中,输出的信号往往都是送到负载,去驱动一定的装置。
例如,这些装置有收音机中扬声器的音圈,电动机控制绕组,计算机监视器活电视机的扫描偏转线圈等。
多级放大电路输了应有电路放大级外,还要求有一个能输出一定信号功率的输出级。
这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。
前面说谈论的放大电路主要用于增强电压幅度或电流幅度,因而相应地称为电压放大电路或电流放大电路。
但无论那种放大电路,在负载上都同时存在输出电压,电流和功率。
上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。
第一张绪论
1.1功率放大器发展迅速功放历史回顾
一、早期的晶体管功放
半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。
自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器
二、晶体管功放的发展和互调失真
随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。
最初的大功率PNP管是锗管,而NPN管是硅管,两者的特性差别非常显着,电路的对称性很差,人们更多采用的是图二所示的准互补电路,通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。
到了六十年代末,大功率的PNP硅管商品化的时候,互补对称电路才得到广泛的应用。
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。
回顾一下功率放大器的发展历程,对我们广大音响爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情。
1.2功率放大器的分类
功率放大器的作用是放大来自前放大器的音频信号,产生足够的不失真输出功率,以推动扬声器发声。
功率放大器的种类繁多,且有不同的分类方法。
1、按输出级与扬声器的连接方式分类:
变压器耦合电路这种电路高效率低、失真大、频响曲线难以平坦,在高保真功率放大器中已极少使用。
OTL电路(QutputTransfomerLess)
OTL电路是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合的无输出变压器器功放电路,其大容量耦合电容对频响也有一定影响,是高保真功率放大器的基本电路。
OCL电路(Output,CapacitorLess)OCL电路是一种输出级与扬声器之间无电容而直接耦合的功放电路,频响特性比OCL好,也是高保真功率放大器的基本电路。
BTL(BalancedTransformerLess)BTL电路是一种平衡无输出变压器功放电路,其输出级与扬声器之间以电桥方式直接耦合,因而又称为桥式推挽功放电路,也是高保真功率放大器的基本电路。
1、按功率管的工作状态分类
甲类:
甲类又称为A类。
在输入正弦电压信号的整个周期内,功率管一直处于导通工作状态。
其特点是失真小,但效率低、耗电多。
乙类:
乙类又称为B类。
每只功率管导通半个周期,截止半个周期,丙只功率管轮流工作。
其特点是失真小,但效率低、耗电多。
甲乙类:
甲乙类又称为AB类。
每只功率管导通时间大于半个周期,但又不足一个周期,截止时间小于半个周期,两只功率管推挽工作。
这种电路可以避免交越失真,因而在高保真功率放大器中应用最多。
其它新方式:
为了让功率放大器兼有甲类放大器的低失真和乙类放大器的高效率,除了甲乙类外,近年来还出现一些新型功率放大器电路,例如超甲类、新甲类电路等。
这些电路的名称虽然不同,但所采取的措施是桢的:
一是使功率管不工作在截止状态,没有开关过程,可以减少失真;二是设法使功率管的工作点随输入信号大小滑动,进行动态偏置,以提高效率。
按所用的有源器件分类
按这种方式功率放大器可以分为:
晶体管功率放大器、场效管功率放大器、集成电路功率放大器及电子管功率放大器等。
目前三种功率放大器应用广泛,但在高保真音响系统中,电子管功率放大器仍有一席之地。
特别是由于其对数字音响系统的特殊适应性,近年来在优质音响设备中更有长足的发展。
第2章功率放大器的功能及原理
2.1功率放大器的功能
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,其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后,产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能,不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
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(违禁词语-已隐藏)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放。
2.2功率放大器原理
扩音机的输出级中两个(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,于是流入扬声器发声。
放大方式具有最佳的线性,每个输出晶体管均放大讯号全波,完全不存在交越失真(SwitchingDistortion),即使不采用负反馈,它的环路失真仍十分低,因此被认为是声音最理想的放大线路设计。
但凡事总是有利亦有弊,A类放大的缺点是效率低,因为无讯号时仍有较大电流流入,扩音机产生高热量和浪费功率,这种功率正如输出级的热量一样完全消散,但却没输到负载,当讯号电平增加时有些功率可进入负载,但许多仍转变为热量。
放大器是一种最浪费能量的设计,只要一开机它的耗电量最高,播放音乐时,效率约为百分之50,即一半功率变为热量浪费。
如果不计较上述的缺点,A类扩音机是重播音乐的理想选择,它能提供非常平滑的音质,音色圆润温暖,高音透明开扬,这些优点足以补偿它的缺点。
为了有效处理散热问题,A类扩音机必须采用大型沉热器,有些大功率设计还需要风扇散热。
因为它的效率低,供电器一定要能提供充足的电流,一部25瓦的A类扩音机供电器的能力至少够100瓦AB类扩音机用。
所以A类机的体积和重量都比AB类大,这令制造成本增加,售价当然较贵,一般而言A类扩音标机的售价约为同等功率AB类机的两倍或以上。
最佳的放大是一条有增益的电线,虽然不可能实现,但寓意线路愈简音愈好,今日许多前级和功率放大器正采用这种设计,事实证明讯号通道愈短引起失真和噪音的机会愈少。
一部扩音机从外表虽然不能断定音质,但如能观察到供电变压器和滤波电容器的大小已先对此机的性能或质素略知一二,A类扩音机固然需要巨大的供电器,即使AB类机也是愈大愈佳,今日许多优质扩音机都采用环型变压器,取其效率较方型高和漏磁少,滤波电容等于水塘,储水量愈多供水愈充足,扩音机的供电充足稳定才能支持输出晶体管的耗电,输出最大时供电取之不尽,否则便压缩动态甚至产生削波。
供电器中的电源变压器等于水源,只是水塘大而水源不足亦无济于事,所以优良的供电器必须同时采用大型变压器和电容器(D类除外)许多英国制的合并式扩音机虽然功率并不太大,但却有一个非常充沛的供电器,配合简单的讯号通道可以达成优异的声音。
有些产品的面板上除了音量、平衡、讯源选择和电源掣外其他的控制全部取消,令讯号通道尽量缩短,为求声音纯美不惜牺牲控制功能,这种设计受真正追求完美声音的人士欢迎,初玩HIFI的发烧友常喜欢功能多,其实有些控制甚少使用,它们无可避免对音质有影响。
第三章方案设计
3.1方案选择
方案一:
采用LM386一种音频集成功放,具有自身功耗低,电压增益可调整,电源电压范围大,外界原件少和总谐波失真小等优点,广泛用于录音机和收音机之中。
与通用型集成运方向类似。
方案二:
采用uA741运算放大器设计电路与四个三级管相结合组成,uA741通用高增益运算通用放大器,运放为电路的驱动级电路。
早些年最常用的运放之一。
应用非常广泛,双列直插8脚或圆筒8脚封装。
方案选取:
本设计选择方案一采用LM386和BJT9031就能满足实验要求了,这样设计电路简单,应用简单。
3.2对所选电路中运放LM386
LM386内部电路原理图如图所示。
与通用型集成运放相类似,它是一个三级放大电路。
第一级为差分放大电路,T1和T3、T2和T4分别构成复合管,作为差分放大电路的放大管;T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载;T3和T4信号从管的基极输入,从T2管的集电极输出,为双端输入单端输出差分电路。
使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载,可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。
第二级为共射放大电路,T7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数。
第三级中的T8和T9管复合成PNP型管,与NPN型管T10构成准互补输出级。
二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压,可以消除交越失真。
引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端。
电路由单电源供电,故为OTL电路。
输出端(引脚5)应外接输出电容后再接负载.电阻R7从输出端连接到T2的发射极,形成反馈通路,并与R5和R6构成反馈网络,从而引入了深度电压串联负反馈,使整个电路具有稳定的电压增益。
LM386的外形和引脚的排列如右图所示。
引脚2为反相输入端,3为同相输入端;引脚5为输出端;引脚6和4分别为电源和地;引脚1和8为电压增益设定端;使用时在引脚7和地之间接旁路电容,通常取10μF。
LM386的外形和引脚的排列如右图所示。
引脚2为反相输入端,3为同相输入端;引脚5为输出端;引脚6和4分别为电源和地;引脚1和8为电压增益设定端;使用时在引脚7和地之间接旁路电容,通常取10μF。
第四章心得体会
通过这次课设,我也深刻体会到了自己知识的匮乏。
意识到自己所学的知识的肤浅,只是一个表面性的,理论性的,根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。
因此,学习中应多与实际应用相联系。
总之,通过这次设计,不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。
而且提高了我分析问题及动手操作的能力。
使我的综合能力有了一个很大的提高。
附录:
附录1:
(电路图)
附录2:
(参考文献)
《电子技术基础》高教出版社(第四版)作者康华光
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