功率放大器设计报告.docx
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功率放大器设计报告
电子技术课程设计报告
设计课题:
音频功率放大器
姓名:
黄黎华
学号:
082563
指导老师:
李强
专业:
自动化
校对:
审核:
设计时间:
2010年7月12日-7月23日
目录
1设计任务与要求......................................4
2初步设计方案.......................................6
3最终设计方案.......................................7
4测试方案...............................................10
5测试数据.................................................11
6设计总结....................................................12
a.设计任务与要求
根据技术指标和已知条件,选择合适的功放电路,如:
OCL电路等,完成对音频功率放大器的设计、装配和调试。
1.基本参数要求:
1 电源电压:
±15V
2 输入电阻:
Ri=20千欧
3 Au=Uo/Ui=30
4 负载电阻:
RL=8欧
5 输出功率:
Po=8W
6 通频带为:
20Hz—20KHz
2.选择电路方案,完成对确定方案的设计。
计算电路元件参数及参数选择(可用Multisim软件完成仿真)
3.根据原理图焊接电路板、写出课程设计报告书
b.初步设计方案
1.设计总体框图
2.方案一
首先考虑到若只用单管放大,则负载上的电流为(15-3)/8=1.5A,相对于运放输出电流放大倍数过大,因此选择用一只小功率管与一只大功率管复合,且大功率管的β值较小功率管小,输出电流主要由Q2提供。
C3,C4为旁路电容,用于使Q2,Q3的基极动态电位相等,减少信号损失。
C1为耦合电容,可以摒弃掉低频噪声。
Q1,Q4,R2,R9构成过流保护电路。
二极管D1、D2、D3和滑动变阻器R10一起构成偏置电路,消除交越失真。
(关于参数计算将在后说明)
(图中未接入输入信号,处于静态调节状态)
3.修改方案
参数计算:
1)由于Au=R3/R1=30,且Ri=30千欧,R8=900千欧。
2)由于通频带为:
20Hz—20KHz,低频由C1决定,因此由公式fl=1/(2πRiC1)→C1>0.265μf。
3)电路的静态工作点主要由I决定,调节I使得晶体管Q6、Q7工作在甲乙类状态,其中,I过小会使三极管Q6、Q7工作在纯乙类状态,此时输出信号会出现交越失真,I过大则会增加静态功耗,降低功率放大器的效率,因此,对于功率在2W数级的功率放大器,一般取I=1~3mA。
I主要依靠R6、R7进行调节:
I=(2Vcc-3UD)/(R6+R7+R10)
取I=3mA:
I=(30-3*0.7)/(R6+R7)(初始时,令R10为0欧,后续再调节,以消除
交越失真)
=〉R6=R7=4.7千欧(取标称值)
4)由于接入电源电压为±15V,因此选择正负电源接入为LM356的运放以符合要求。
5)由于要求保证高频特性,若要达到fH=20KHZ,β值在60时,fT=1.2MHZ,即可满足要求,因此,选择了BD243B与BD244B这两只大功率配对管。
6)R5、R8的作用是为了减小因前级电路扰动而给输出造成的影响,阻值过小会导致分流太大,而使总电流放大倍数过小,阻值太大又会导致分流过小而无法起到很好的抑制扰动的作用,因此使R5=R8=560欧姆。
7)由于过流保护电流对于我们所涉及的指标不是必要,因此删去。
在选定以上器件和电路图后,得出修改电路图如下:
(图中未接入输入信号,处于静态调节状态)
c.计算机仿真(EDA)
关于以上设计电路用软件Multisim10得到的仿真数据如下:
组图:
1.f=20HZ2.f=10KHZ
Au=8.418/0.28=30.06Au=8.026/0.28=28.66
3.f=20KHZ
Au=6.888/0.28=24.6
由仿真数据可得在20Hz-20KHz以内,放大倍数皆在30*0.707=21.21(这里取1kHZ时为中频对应参考值)
因此,该设计电路可以在仿真中实现。
d.最终设计方案
1 考虑到TIP41C/TIP42C的放大倍数fT比较大,因此将上述电路的双管复合放大方式改为由TIP41C/TIP42C构成的单管放大。
2 由于电源由线性可调稳压电源以及开关稳压电源提供,输入会存在毛刺,因此,在电源输入端接入电容(C3,C4=470μF),用来滤除交流成分对电路的干扰。
3 在±15V电源之间加入红色绿色两个发光二极管,用来调试时可观,以区分电路是否工作。
4 在原先设计的电路中,功放管基极电位不可调,因此最终电路改用电阻分压后接小功率三极管的形式来进行改进,以实现基极电位的连续可调。
5 R6,R7这两个大电阻串联则是为了起到限流作用。
6 由于直流耦合电路容易发生零点漂移,加了C2后可以隔直通交,电路对输入端的电流灵敏度很低,防止零点漂移,但是加了该电容后低频段就由C1,C2一同决定Au。
由以上改进可以得到最终的电路图如下所示:
e.测试方案
在完成对电路的焊接组装工作之后,得到的实物图(音频功率放大器)如下所示:
以下是对组装好的电路板进行调试:
1.关于静态工作点的调整:
1)接上负载,±15V电源,测量7线上(E点)电压VE
2)将运放6线断开(去除运放),将Rw从0点开始起调,使得UB1B2=1.0~1.4V,观察VE点电压,令VE=0~20mV以内。
3)加上运放后重复上述过程,任然要求VE=0~20mV。
2.关于Uimax,Uomax的测试:
在f=1KHz时,测量出最大不失真时的输入电压Uimax以及输出电压Uomax,并记录数据。
3.关于Au的测试:
在f=1KHz时,测量出最大不失真时的输入电压Uimax以及输出电压Uomax:
Au=Uomax/Uimax
4.关于最大功率Pomax的测试:
在测出Uomax后,由公式:
Pomax=Uomax2/(2*RL)
测得最大功率Pomax
5.关于效率的测试:
在测出Uomax后,根据公式:
ηmax=(π/4)*(Uomax/15)
可以测出效率
6.通频带测试:
将信号源在1KHz处增加幅度,直到放大倍数是在1KHz时的0.707倍时停止增加,记录数据,此时的频率即是fH。
将信号源在1KHz处减小幅度,直到放大倍数是在1KHz时的0.707倍时停止减小,记录数据,此时的频率即是fL。
此时:
fBN=(fL,fH)
(其中,上述过程均在输出达到最大值,即在最大不失真输出功率下完成)
f.测试数据记录
1.静态工作点数据:
1)不接运放时,VE=0.01mV
2)接上运放时,VE=12mV
2.关于Uimax,Uomax的测试:
在f=1KHz时:
最大不失真时的输入电压Uimax=0.23V
输出电压Uomax=6.85V
其中,在Uimax>0.23V时的输出波形如下图所示:
其中f=1KHz时的波形如下图:
且在f=20Hz与f=20KHz时的波形图分别如下左右两图所示:
3.关于Au的测试:
Au=Uomax/Uimax=6.85/0.23=29.78
4.关于最大功率Pomax的测试:
在测出Uomax后,由公式:
Pomax=(Uomax*Uomax)/(2*RL)
测得最大功率Pomax=(6.85*6.85)/(2*8)=2.93W
5.关于效率的测试:
在测出Uomax后,根据公式:
ηmax=(π/4)*(Uomax/15)
可以测出效率ηmax=(π/4)*(6.85/15)=35.87%
7.通频带测试:
如下图所示为高频段在放大倍数是在1KHz时的0.707倍时的截止频率fH。
其中测得fH=28.5KHz
如下图所示为低频段在放大倍数是在1KHz时的0.707倍时的截止频率fL。
其中测得fL=2.8Hz
此时:
fBN=(fL,fH)=(2.8Hz,28.5KHz)
以下是在各频率下的放大倍数及由此计算出的20lgAu:
f(频率)HZ
1
2.8
15
20
25
50
100
500
Au(Uo/Ui)
20.96
21.13
28.18
28.51
28.51
29.78
29.78
29.78
20lgAu
26.43
26.50
29.0
29.1
29.1
29.48
29.48
29.48
f(频率)
1K
5K
10K
15K
20K
28.5K
30K
Au(Uo/Ui)
29.78
29.28
28.18
27.23
22.65
21.06
20.99
20lgAu
29.48
29.33
29.0
28.7
27.1
26.47
26.44
则可以做出波特图如下:
()
g.设计总结
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