低频功率放大器的设计与制作

-1-目录摘要……………………………………………………………（2）第一章方案设计与选择……………………………………（3）第二章电源…………………………………………………（4）2.1桥式整流电路…………………………………………………………………（4）2.1.1电路组成和工作原理………………………………………………………（4）2.2变压器…………………………………………………………………………（4）2.2.1分类…………………………………………………………………………（5）2.3滤波原理…………………………………………………………………………（5）2.3.1电容滤波……………………………………………………………………（6）2.3.2电容滤波电路的特点………………………………………………………（7）2.4稳压电源…………………………………………………………………………（8）2.4.1集成稳压………………………………………………………………（8）第三章实验内容………………………………………………（9）第四章安装与调试过程………………………………………（10）第五章总结与体会……………………………………………（12）第六章致谢……………………………………………………（13）附录一………………………………………………………………（14）附录二………………………………………………………………（15）-2-低频功率放大器的设计与制作（分离件）作者：李明[摘要]：功率放大是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载.整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路共4个部分构成,电路结构简单,所选器件价格便宜,并给出了测试结果.功率放大器的主要任务是为了获得一定的不失真的输出功率，一般在大信号状态下工作。输出信号去驱动负载，如：驱动扬声器，使之发出声音；驱动电机伺服电路，驱动显示设备的偏转线圈控制电机运动状态。实验结果表明该功率放大器在放大倍数、效率、等方面具有较好的指标、较高的实用性,为功率放大器的设计提供了广阔的思路.[关键词]：功率放大器放大倍数效率-3-前言随着电子技术的飞速发展，电子新技术、新产品不断涌现，电子技术的广泛应用，促进了工农业生产、也丰富了人们的物质文化生活。其中功率放大器也随着科技的不断进步得到了很大的发展功率放大器简称功放,它和其它放大电路一样，实际上也是一种能量转换电路，这一点它和我们以前学的电压放大电路没有本质区别。但是它们的任务是不相同的，电压放大电路属小信号放在电路，它们主要用于增强电压或电流的幅度，而功率放大器的主要任务是为了获得一定的不失真的输出功率，一般在大信号状态下工作。输出信号去驱动负载，如：驱动扬声器，使之发出声音；驱动电机伺服电路，驱动显示设备的偏转线圈控制电机运动状态。因此它在实际的应用中是很大的而本论文主要对低频功率放大器的工作原理有详细的介绍和分析通过此论文把我在大学3年的学习成果做了个总结因此平时学到的很多知识点在该论文中都得到了体现。在本论文写作过程中参考了网络和书籍，且引用了其中的部分资料，同时次论文的完成也离不开指导老师的细心指导，在此，一并向有关书刊杂志的作者及指导老师表示衷心的感谢。-4-第一章方案设计与选择1、方案讨论与选择方案一：如图1所示是变压器耦合单管甲类功率放大器，图中T1为输入变压器，T2为输出变压器，Rb1、Rb2组成分压偏置电路，Re是直流负反馈电阻，用来稳定工作点，Ce是交流旁路电容，Cb是偏置电路的旁路电容。图1输入变压器T1倒相作用，使V1和V2两管的基极信号大小相等、方向相反。输出变压器T2的初级也设有中心抽头，分别将V1和V2两管的集电极信号耦合到次级，使负载获得输出信号。方案二：图2OTL功率放大器电路-5-图2所示为OTL低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。IC1的一部分流经电位器RW2及二极管D，给T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号U1时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，U1的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在U1的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。C2和R构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。经过对2个方案的分析，第一种方案由于变压器体积大、重量大、耗损大、频率特性差、不易集成等都不如方案二。所以我们选择了第二种方案第二章电源下图就是我们做的输出直流+5V稳压电源电路图稳压电源由变压部分、整流部分、滤波部分、稳压部分组成，下面就各个部分分别介绍：2.1变压器-6-变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。2.2桥式整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用将交流电变换成单方向的直流电的。因此，二极管是构成整流电路的关键元件。常见的小功率整流电路，有半波整流、全波整流、和桥式整流等几种。其中以桥式整流电路最为常用。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大2.2.1电路组成和工作原理单相桥式整流电路如图3所示，图中，四个整流二极管D1～D4接成电桥形式（故名桥式整流电路），其输入是来自电源变压器T副边的正弦交流电压u2(=2Usinwt)，其输出加至要求直流供电的负载电阻上。需特别指出的是，整流桥的四个二极管，必须严格按照图3（A）所示的方式连接于A,B,C,D四点之间，否则，将导致变压器短路。图4（B）是桥式整流电路的简化画法。图3（A）-7-图4（B）由二极管的单向导电性，不难得出桥式整流电路的工作波形。当u2=（2Usinwt）处于正半周时，图（A）所示电路中的A点电位高于B点二极管D1和D3处于正向偏置而导通,D2,D4则因反偏而截止。电源经D1,D3向负载供电，输出一个与u2正半波相同的电压，同理，当u2为负半周时，B点电位高于A点，D1,D3转为反偏而截止，D2与D4则因正偏而导通。电源经D2,D4向负载供电，此时，u0=-u2,其波形与u2的正半波相同。可见，在交流电压u2变化一周时，负载Rl上得到的却是单方向脉动的电压u0和电流i0。由于该电路在正弦电压u2的正，负半周都有输出，故称这种整流方式为全波整流。滤波电路主要由储能元件电容，电感组成。下面着重介绍小功率整流电路中最常用的形式——电容滤波电路。2.3滤波原理交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。2.3.1电容滤波RL接入（且RLC较大）时如图5所示电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。-8-图52.3.2电容滤波电路的特点(a)UL与RLC的关系：RLC愈大C放电愈慢UL(平均值)愈大一般取：RLC≥(3-5)T/2(T:电源电压的周期)近似估算:UL=1.2U2图6(b)流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大(c)输出特性(外特性)输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo和S也随之改变。如:RL愈小(IL越大),Uo下降多,S增大-9-结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。2.4稳压电源稳压电路的作用（图8）图82.4.1集成稳压电源随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。三端集成稳压器分为固定式和可调式。其中固定式分为正稳压W78××和负稳压W79××(型号后××两位数字代表输出电压值)。W78系列（输出正电压）；W79系列（输出负电压）输出电压额定电压值有：5V、9V、12V、18V、24V。-10-第三章实验内容在整个测试过程中，电路不应有自激现象。1、静态工作点的测试按图16－1连接实验电路，将输入信号旋钮旋至零（ui=0）电源进线中串入直流毫安表，电位器RW2置最小值，RW1置中间位置。接通＋5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出级管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因（如RW2开路，电路自激，或输出管性能不好等）。如无异常现象，可开始调试。1)调节输出端中点电位UA调节电位器RW1，用直流电压表测量A点电位，使。2)调整输出极静态电流及测试各级静态工作点调节RW2，使T2、T3管的IC2＝IC3＝5～10mA。从减小交越失真角度而言，应适当加大输出极静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以一般以5～10mA左右为宜。由于毫安表是串在电源进线中，因此测得的是整个放大器的电流，但一般T1的集电极电流IC1较小，从而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。如要准确得到末级静态电流，则可从总电流中减去IC1之值。调整输出级静态电流的另一方法是动态调试法。先使RW2＝0，在输入端接入f＝1KHz的正弦信号ui。逐渐加大输入信号的幅值，此时，输出波形应出现较严重的交越失真（注意：没有饱和和截止失真），然后缓慢增大RW2，当交越失真刚好消失时，停止调节RW2，恢复ui＝0，此时直流毫安表读数即为输出级静态电流。一般数值也应在5～10mA左右，如过大，则要检查电路。输出极电流调好以后，测量各级静态工作点，并记录IC2＝IC3＝6mAUA＝2.5VT1T2T3UB(V)1V2.29V3.11VUC(V)2.29V3V5.03VUE(V)0.31V0V3V注意：①在调整RW2时，一是要注意旋转方向，不要调得过大，更不能开路，以免损坏输出管CCAU21U-11-②输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动RW2的位置。2、最大输出功率P0m和效率η的测试1)测量Pom输入端接f＝1KHz的正弦信号ui，输出端用示波器观察输出电压u0波形。逐渐增大ui，使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫伏表测出负载RL上的电压U0m，则。2)测量η当输出电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流IdC（有一定误差），由此可近似求得PE＝UCCIdc，再根据上面测得的P0m，即可求出。第四章安装与调试过程(一)、准备工作为了顺利地完成元器件的组装工作，特准备了如下工具及焊接辅助用品：1、电烙铁1把2、剪刀1把3、万用表1只4、示波器1台5、焊锡丝、松香若干(二)、布局为了减少系统硬件电路的错误及故障，提高系统的可靠性，特采用了如下一些抗干扰措施：1、在电源输入端加滤波电容2、元器件和连线要排列整齐，按电路顺序排列，输入与输出远离，导线不要并行，防止寄生藕合引起