音频功放电路设计与制作

音频功率放大器设计与制作项目6：制作项目音频功率放大器设计与制作项目来源这是2009年全国大学生电子大赛高职组（G)组设计题目，由于学生在参赛过程中出现了一些问题，导致参赛成绩不理想。如果想在比赛中取得好成绩，从组织参赛、平时训练、比赛，每一个环节都不能出错。音频功率放大器设计与制作项目任务：设计并制作一个高保真音频放大器。要求末级功放管采用分立的大功率MOS管。音频功率放大器设计与制作项目要求1．基本要求（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV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）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。（4）尽可能提高功率放大器的整机效率。2.发挥部分（1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。（2）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。音频功率放大器设计与制作焊接工具、耗材、仪器仪表1、电烙铁、焊锡丝、导线、螺丝刀、河口钳子、吸锡器；2、电路板、元器件、电路原理图；3、信号发生器、万用表、示波器、稳压电源；4、笔、记录本。音频功率放大器设计与制作项目原理图(一）前置放大电路音频功率放大器设计与制作项目原理图(二）功率放大电路部分音频功率放大器设计与制作项目元器件列表对照元器件列表，分发元件，学生对照元件列表检查元件数量。分类元件名称数量元件名称数量元件名称数量元件名称数量运放NE55321NE55341电解电容47u2电解电容220u4MOS管IRF5301IRF95301电解电容10u11044电位器503210414.7k122p1电阻110K22.2K13.3K11K2电阻22k1472200215k2音频功率放大器设计与制作项目制作的方法1、分模块制作：项目分两个个模块前置放大电路，功率放大电路；2、分模块测试：逐步制作，逐步测试，按照信号的传递方向，循序渐进；3、紧扣任务要求，技术参数要逐级达标。音频功率放大器设计与制作电路制作、调试关键点1、前置放大电路制作、调试方法经过精确计算，当输入5mv的正弦信号时，前置放大电路输出7V左右正弦波信号。调整电位器RW1和RW2即可。2、功率放大电路制作、调试方法经过精确计算，当输入5mv的正弦波信号时，功放输出15v左右的信号。调整电位器RW3和RW即可，减少噪音干扰。音频功率放大器电路原理（一）前置放大电路方案分析采用集成运放前置放大级时，必须选用满足指标要求的集成运放芯片。经综合考虑本设计选用NE5532。集成运放构成前置放大电路时，为提高其输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，必须采用同相放大电路结构。为尽可能保证不失真放大，采用两级运放电路。每级增益取决于电阻之间的比值。这两级前置放大电路的增益安排在60dB左右。音频功率放大器电路原理（二）低频功率放大级也有两种电路可以选择，即分立元件和集成低频功率放大器，常见的功率放大器可分为甲类、乙类和甲乙类三种。本次设计功放采用甲乙类放大。分立元件低频功率放大器虽快被淘汰，但是由于分立元件低频功率放大器可对每级工作状态和性能逐级调整，由很大的灵活性和自由度，因此分立元件低功放比较容易满足题目中给出的指标。音频功率放大器设计与制作MOSFET低功放电路（即本设计采用电路）而MOSFET低功放电路的出现，给低功放OTL电路带来更大的方便。OCL的输入激励若采用集成运放，则电路结构更为简洁且设计更加容易。我们最终选择NE5534和大功率MOSFET管IRF530和IRF9530组成的低功放电路。NE5534担任电压驱动激励级，大功率MOSFET管担任OCL功率放大。调整电位器使两管的静态电流为15mA~20Ma左右，即为正常工作状态。9.1功率放大电路概述能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放电路的要求：Pomax大，三极管极限工作=Pomax/PV要高失真要小9.1.1功率放大电路的特点一、主要技术指标1.最大输出功率Pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为Po＝IoUo。最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率2.转换效率功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。3.最大输出电压Uom功率放大电路的分类在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类甲类(=2)tiCOIcm2ICQtiCOIcm2ICQ乙类(=)tiCOIcmICQ2甲乙类(2)丙类：导通角小于。丁类：功放管工作在开关状态，管子仅在饱和导通时消耗功率。集电极电流iC将严重失真。三、无输出变压器的功率电路OutputTransformerless（OTL电路）用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百~几千微法的电解电容器）图9.1.4OTL电路静态时：前级电路应使基极电位为VCC/2，发射结电位为VCC/2，故电容上的电压也VCC/2。单电源供电。T1和T2特性对称工作时：T1和T2轮流导通，电路为射极跟随状态。OTL工作在乙类工作状态，会出现交越失真。如何消除？动画avi\17-4.avi四、无输出电容的功率放大电路OutputCapacitorless（OCL电路）双电源供电,T1和T2特性对称图9.1.5OCL电路静态时:T1和T2均截止，输出电压为零。工作时:T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。五、桥式推挽功率放大电路BalancedTransformerless（BTL电路）图9.1.6BTL电路单电源供电，四只管子特性对称静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。当ui0时，T1和T4导通，T2和T3截止，负载上获得正半周电压；当ui0时，T2和T3导通，T1和T4截止，负载上获得负半周电压。因而负载上获得交流功率工作时，9.2.1OCL电路的组成及工作原理一、电路组成RLT1T2+VCC+ui+uoVCCui0T1导通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui0T2导通T1截止iC1io=iE2=iC2,uO=iC2RLui=0T1、T2截止9.2互补功率放大电路目前使用最广泛的功放是OTL电路和OCL电路若考虑三极管的开启电压，输出波形将产生交越失真。动画avi\17-3.avi请完成OCL电路仿真，观察输入和输出波形；对于出现的问题将如何解决？二、消除交越失真的OCL电路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：图9.2.2消除交越失真的OCL电路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui=0，给T1、T2提供静态电压UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2。静态时应调节R1，使UE为0,即u0为0。动画avi\17-2.avi当ui=0时，T1、T2微导通。当ui＞0(至)，T1微导通充分导通微导通；T2微导通截止微导通。当ui＜0(至)，T2微导通充分导通微导通；T1微导通截止微导通。当输入信号为正弦交流电时图9.2.3T1和T2管在ui作用下输入特性中的图解分析二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放电路工作在甲乙类状态。9.2.2OCL电路的输出功率及效率当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析图9.2.4OCL电路的图解分析图中I区为T1管的输出特性，II区为T2管的输出特性；二只管子的静态电流很小，可认为Q点在横轴上。Uop=VCC–UCES最大输出电压幅值最大不失真输出电压的有效值2UVUCESCCO－＝m动画avi\17-1.avi最大输出功率L2CESCCLO2OR2UVRUP）－（＝＝mm电源VCC提供的电流tisinRUVLCESCCC－＝电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积。0CCLCESCCVVsinRUV1Ptdt－＝LCESCCCCVRUVV2P）－（＝转换效率CCCESCCVOVUV4PP－＝＝m理想情况下，UCES可忽略；但大功率管UCES较大，不能忽略复习：1.功放电路的性能指标：最大输出电压、最大输出功率和效率2.功放电路的分类：甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类变压器耦合、OTL、OCL和BTL3.OCL功放的性能指标：2UVUCESCCO－＝mUop=VCC–UCESL2CESCCLO2OR2UVRUP）－（＝＝mmLCESCCCCVRUVV2P）－（＝CCCESCCVOVUV4PP－＝＝m9.2.3OCL电路中晶体管的选择一、最大管压降UCEmax=2VCC二、集电极最大电流LCES1CCEmaxCmaxRUV－＝=IILCCCmaxRV＝I三、集电极最大功耗）－（　＝＝4UUVR1sinRU)sinUV(2121POM2OMCCL00LOMOMCCT=ttdttdiuCCE如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3CCCCOMV6.0V2U0=＝，可以求得，令OMTdUdPm0L2CC2maxTP2.0RVP＝晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数BUCEO＞2VCCICM＞VCC/RLPCM＞0.2Pom[例9.2.1]在图9.2.2所示电路中已知VCC＝15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES＝3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL＝4欧，（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。解（1）Wmm18R2UVRUPL2CESCCLO2O=）－（＝＝628.0VUV4PPCCCESCCVO=－＝＝m（2）因为UO≈Ui，所以UOm≈8V。最大输出功率Wmm1648RUP2LO2O=＝＝RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3音频功率放大器设计与制作验收要点1）基本要求：•会根据原理图正确安装、焊接；•元件焊点平滑光亮、均匀无毛刺、直径在2MM（根据情况）以内；•焊接手法快速、无虚焊、假焊、脱焊、堆焊等现象；•无焊接时烧坏元件的现象；•元器件的拆焊迅速；•元器件弯脚插接、布局符合要求。5532芯片介绍•发放电路原理图•仿真完成前置放大电路.使用虚拟仪器完成信号放大任务。项目制作方法1、分模块制作：项目分两个个模块前置放大电路，功率放大电路；2、分模块测试：逐步制作，逐步测试，按照信号的传递方向，循序渐进；3、紧扣任务要求，技术参数要逐级达标。前置放大电路调试方法将大信号放大，且输出端不失真；输出效率尽量要高；输入噪音尽量要低；频带要宽。布置任务•分发元器件•搭建电路。通频带测试NE5534芯片介绍及周围电路功能介绍电压驱动电路简单讲解功率放大电路1、MOSFET低功放电路（即本设计采用电路）而MOSFET低功放电路的出现，给低功放OTL电路带来更大的方便。OCL的输入激励若采用集成运放，则电路结构更为简洁且设计更加容易。2、我们最终选择NE5534和大功率MOSFET管IRF530和IRF9530组成的低功放电路。NE5534担任电压驱动激励级，大功率MOSFET管担任OCL功率放大。调整电位器使两管的静态电流为15mA~20Ma左右，即为正常工作状态。功率放大电路任务•搭建电路；•测试电路，有无虚