低频功率放大电路的设计

课 程 设 计 报 告 所属院系：      电气工程学院          专    业：          自动化            课程名称：      电子技术基础A          目：   低频功率放大电路的设计    班    级：                                  学生姓名：                                学生学号：                                指导老师 :                             完成日期：                            课程设计题目：低频功率放大电路的设计 要求完成的内容：设计一个低频功率放大电路。技术指标要求为： (1) 最大不失真输出功率Pom≥5W， (2)负载阻抗（扬声器）RL=4Ω，频率响应△f=50HZ—20KHZ， (3)失真度γ≤3%，输入信号vi<10mV； (4)输入短路时，静出噪声电压VN<15mV， (5)电源电压较大变化时，输出漂移△VO≤100mV。 要求：（1）根据设计要求，确定电路的设计，计算并选取电路的元件参数。 （2）分析、测量电路的相关参数，修改、复核，使之满足设计要求。 （3）综合分析计算电路参数，满足设计要求后，认真完成设计。         指导教师评语：       评定成绩为： 指导教师签名： 年 月 日   低频功率放大电路的设计 低频功率放大电路主要解决输出功率，效率，和非线性失真之间的矛盾。电路由两部分组成：前置放大电路和功率放大电路。前置放大器主要完成对小信号的放大，功率放大电路主要完成对电流的放大。 一、设计方案 低频功率放大电路是一种以输入低频信号，输出较大功率为目的的放大电路。他一般直接驱动负载，带负载能力强。从能量控制的观点来看，功率放大电路实质上是能量转换电路。主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。综合以上条件考虑，现在拟定系统方案框图如下： 输出信号 功率放大电路 前置放大电路 低频输入信号 图1 低频功率放大电路的系统组成框图 1．根据拟定系统方案框图，现提出两种方案如下： （1）方案一：采用OTL单电源互补对称功率放大电路： 图2 OTL单电源互补对称功率放大电路 （2）方案二：采用OCL双电源互补对称功率放大电路： 图3 OCL双电源互补对称功率放大电路 （3）方案三:乙类功率放大电路： 图4 乙类功率放大电路 2．方案的分析和比较： 第一种方案是采用OTL单电源互补对称电路的低频功率放大器，其利用两个二极管消除了交越失真，使波形接近为正弦波形，利用两个值较大的电容来提高其动态性能；第二种方案，第二种方案在第一种方案的基础上进行了改进，采用OCL双电源互补对称电路的低频功率放大器，也用二极管消除了交越失真，输出信号波形斗比较稳定，但其工作的稳定性比第一种方案的好，第二种方案完成的技术指标最完善的同时也是最简单、容易实现的，从选材的经济角度上讲，第一种方案也优于第一种方案。于是我们选取第二种方案。第三种方案虽然简单，但其输出信号波形容易出现交越失真。三种方案的输出波形图如下： 图5 OTL单电源互补对称功率放大电路的波形图 图5 OCL双电源互补对称功率放大电路 图6 乙类功率放大电路波形图 由三组波形图可以看出：第三种方案失真严重，第一二种方案波形稳定，放大倍数稳定良好。但第二种方案相对更稳定，同时也是最简单、容易实现的，从选材的经济角度上讲，第一种方案也优于第一种方案。于是我们选取第二种方案。 总体的电路设计图如下： 图7 低频功率放大电路图 二、单元电路的设计和计算 1. 输入级：前置放大电路： 由于所提供的信号比较微弱，而且有不小的噪声。因此我们采用一级的基极分压射极偏置的前置放大电路对信号进行放大以及减小噪声，限制温漂。考虑到设计电路对于频率响应及零输入（即输入端短路）时的噪音、电流、电压的要求，前置放大电路的设计图如下： 图8 前置放大电路图 各电路元件及电路参数： ★ 晶体三极管Q3为NPN管，型号为2N5172， ★ 直流稳压源Vcc=18V。 ★ C1取10uF，C2取10uF,C3取50uF,R4取2K欧姆，R5取2K欧姆，R6取14K欧姆，R7取15K欧姆，R9取6K欧姆。 2. 输出级：OCL双电源互补对称功率放大电路： 功率输出级的电路结构有多种形式，这里选用OCL双电源互补对称功率放大电路，晶体三极管为：PNP管2N3906和NPN管2N3904. 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。他一般直接驱动负载，带负载能力强,，其主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。综合以上条件考虑，其电路原理如图所示： 图9 OCL双电源互补对称功率放大电路 电路中加入的二极管和和三极管型号如下： 表一 元件型号 二极管 D1 1N4148 D2 1N4148 三极管 Q2 PNP管2N3906 Q3 NPN管2N3904           负载RL=4欧姆，C3取220uF，C4取1000uF. 直流稳压源Vcc=18V. 三、总体设计 将两部分组合在一起就是总的低频功率放大电路，总电路图如下： 图10  总的OCL双电源互补对称功率放大电路 1， 确定前置放大电路的静态工作点： VB=R7*VCC/(R6+R7)=15*18/(14+15)=9.31V IE=(VB-VCE)/R5=8.61/2000=4.3mA IC=IE=4.3mA 因为所取三极管的β=100,.所以： IB=IC/100=43uA 2. 确定电路中的电阻阻值： 直流稳压源的工作电压是18V，,根据题目要求，输出功率Pom≥5W， POm=VCC*VCC/2 RL=  18*18/8=40.5W，满足要求。 在此我们取Pom=7W  又Po =Io2×RL 故Io=( Po/ RL)?= ( 7/ 4)?=1.32A IE=IC=Io=1.32A IB= IC /β=1.32/100=13.2mA R2=(VCC-2VBE)/ IB=(18-2×0.7)/ 0.132=125Ω 所以我们取R2=R3=120Ω 3. 输入短路时，如下图所示： 图11  输入短路时的电路图 此时测量静出噪声电压VN,将R7短路，可以从万用表看出电流I=0A，电压VRL=1.253PV,所以VN=VRL=1.253pV. 上述实验结果满足静出噪声电压VN<15mV的要求，故实验符合指标要求。 其输入波形余输出波形如下： 图12  输入短路时输入与前置电路输出波形 图13  输入短路时功率放大电路的输入输出波形 输入波形为正弦波，而输出波形因为短路，没有信号输出，是一条直线。 4. 输入输出波形处于不失真状态时的波形如下： 图14  不失真状态时的输入输出波形 5.失真系数及两种状态下的参数数据： （1）功率放大后输出波形处于临界失真状态时的各个参数列出一组数据如下： 输入频率f 100Hz 输入电压Vi 10mV 输出交流电压Vo 6.352V 输出交流电流Io 1.592A 负载功率Po 10.14W 失真系数 4.614%     其中失真系数直接测出，负载功率Po=Vo×Io计算得出。 （2）功率放大后输出波形处于不失真状态时的各个参数列出两组如下： 输入频率f 100Hz 100Hz 100Hz 输入电压Vi 9mV 8mV 7mV 输出交流电压Vo 5.903V 5.13V 4.68V 输出交流电流Io 1.476A 1.328A 1.170A 负载功率Po 8.71W 6.81W 5.48W 失真系数 2.180% 1.919% 1.783%         其中失真系数直接测出，负载功率Po=Vo×Io计算得出。 6.  当满足RL=4Ω，输入信号Vi<10mV时： 实验结果达到题目要求Pom≥5W和γ≤3%的指标。故此实验结果符合题目要求。 7.  观测电源电压较大变化时，输出漂移△VO的值: 当电源电压为25V时，输出静电压为Vo1=11.779mV 当电源电压为15V时，输出静电压为Vo2=89.298mV 当电源电压经较大变化从25V到15V时，输出漂移△VO为Vo2 -Vo1=77.519mV 满足输出漂移△VO≤100mV 的指标要求，实验满足要求。 8.  元器件清单： 位置编号 名称 规格 数量 备注 XFG1 函数信号发生仪   1台 25?C XSC1 示波器   1台 25?C XDA1 失真分析仪   1台 25?C XMM1 万用表   1台 测电流 XMM2 万用表   1台 测电压 R1 电阻 4Ω 1个 25?C R2.R3 电阻 120Ω 2个 25?C R4.R5 电阻 2KΩ 2个 25?C R6 电阻 14 KΩ 1个 25?C R7 电阻 15 KΩ 1个 25?C R9 电阻 6 KΩ 1个 25?C D1，D2 二极管 1N4148 2个 25?C Q3 三极管 2N5172 1个 25?C Q1 三极管 2N3904 1个 25?C Q2 三极管 2N3906 1个 25?C VCC 直流稳压源 18V 1个 25?C VDD 直流稳压源 -18V 1个 25?C C1.C2.C4 电容 10uF 3个 25?C C3 电容 50uF 1个 25?C           四、小结 这次课程设计是我对模拟电子技术这门学科有了进一步的认识，将所学的知识应用在具体时间中，而不只是单纯的学习其理论知识，还应该做到理论与实际相结合! 在设计电路原理图时，我感觉到自己的知识确实不够用，真正体会到了“书到用时方恨晚”的道理，于是就从图书馆借了一些参考，进行研究，参照书上的电路图慢慢摸索，在大概领会其要领后设计了一份电路图。同时也和做同样设计的同学交流了一下。在交流中，我有了新的感悟。 设计完后我有仔细看了几遍电路图，发现还有很多方面自己还没有考虑到，例如各个元器件值如何选取。在进行仿真调试时，我熟悉了软件的操作（特别是Multisim仿真软件的熟练操作），了解了一些设计方法和步骤，更加深刻理解了一些基本概念。在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，同时仿真软件也方便了验证自己的设想。 能够完满的完成，也是对我的耐心的一次磨练；由于自己的知识不足，以后应该增强对知识的学习。   五 参考文献： 1.童雅月主编  李书旗副主编  《电子技术基础实验》（上册）——模拟电子技术及其EDA    机械工业出版社    2004 2.康华光主编  《电子技术基础（模拟部分）》  高等教育出版社  2009 3.林春方主编  《电子线路学习指导与实训》  电子工业出版社  2003