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电子技术课程设计报告——高传真音频功率放大器魔都大学机自学院自动化系自动化专业姓名:学号:指导老师:2018年6月29日一、用途家庭、音乐中心装置中作主放大器二、主要技术指标1.正弦波不失真输出功率Po＞5W(f=1kHz,RL=8，Pomax＞5W)2.电源消耗功率PE＜10W3.输入信号幅度VS=200～400mV（f=1kHz，RL=8Ω，Po＞5W)4.输入电阻Ri＞10k(f=1kHz)5.频率响应BW=50Hz～15kHz(RL=8，Po＞5W)三、设计步骤1．选择电路形式功率放大器的电路有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽电路和变压器耦合功放电路等等。这里选用OTL电路。OTL功率放大器通常由功率输出级、推动级和输入级三部分组成。功率输出级有互补对称电路和复合管准互补对称电路，前者电路简单易行，但由于大功率管β不大，故推动级要求有一定功率，复合管准互补对称电路的优点是大功率管可用同一型号，复合后β较大，推动级只要小功率管就可以了，但复合管饱和压降增大故电源电压要相应高一些，晶体管数目要多一些。推动级通常是甲类放大，其工作电流大于功率管基极推动电流，故有一定电流要求。由于推动极电压幅度与输出级相同，通常采用自举电路达到，一般推动级都是共射极放大电路，具有一定的电压增益。输入级的目的是为了增大开环增益，以便引入深度负反馈，改进电路的各项指标。本次设计采用较简单的互补对称OTL电路，电路中的二极管是为消除交越失真而设。推动级的偏置由功放级引入电压并联负反馈形式进行，起稳定工作点的作用，整体交流电压串联负反馈改善放大器各项指标。输入级的目的是为了增大开环增益，以便引入深度负反馈，改进电路的各项指标。电路中的R11是稳定功放管静态电流用的;推动级的偏置由功放级引入电压并联负反馈，起稳定工作点的作用;整体交流电压负反馈改善放大器各项指标。特点：较典型的OTL电路，局部反馈稳定了工作点，总体串联电压负反馈控制了放大倍数并提高输入电阻和展宽频带，退耦滤波电容及校正电容是为防止寄生振荡而设。图1总设计图2.设计计算2.1电源电压确定𝑽𝒄𝒄≈𝟏.𝟐𝟓√𝟖𝑹𝑳𝑷𝒐=𝟏.𝟐𝟓√𝟖×𝟖×𝟓≈𝟐𝟐𝑽2.2功率级设计功放管参数：𝑰𝑪𝑴=𝑽𝑪𝑪𝟐𝑹𝑳=𝟐𝟐𝟐∗𝟖=𝟏.𝟑𝟕𝟓𝑨𝑽𝑪𝑬𝑴=𝑽𝑪𝑪𝟐=𝟐𝟐𝟐=𝟏𝟏𝑽𝑃𝐶𝑀=0.2∗𝑃0=0.2∗5=1𝑊经查，BD137（12.5W、60V、1.5A）、BD136（12.5W、60V、1.5A）能满足上述要求。功率管所需推动电流：𝑰𝒃𝟑𝑴=𝑰𝑪𝑴𝜷=𝟏.𝟑𝟕𝟓𝑨𝟓𝟎=𝟐𝟕.𝟓𝒎𝑨耦合电容𝐶6:𝑪𝟔=(𝟑~𝟓)𝟏𝟐𝝅𝒇𝑳𝑹𝑳≈𝟐𝟐𝟎𝟎𝝁𝑭(取2200𝝁𝑭/25V)稳定电阻：过大则功率损失太大，过小温度稳定性不良，通常取0.5~1Ω。2.3推动级设计𝐼𝐶2𝐼𝐵3𝑀=30𝑚𝐴取𝐼𝐶2=44𝑚𝐴,𝑽𝑪𝑬𝟐𝑴=𝑽𝑪𝑪=𝟐𝟐𝑽𝑷𝑪𝟐𝑴=𝑽𝑪𝑪𝟐×𝑰𝑪𝟐=𝟐𝟐𝑽𝟐×𝟒𝟒𝒎𝑨=𝟎.𝟒𝟖𝑾为了消除交越失真，这里选用二极管1N4002.𝑹𝟗+𝑹𝟏𝟎=𝑽𝑪𝑪𝟐−𝑽𝑩𝑪𝟑𝑴𝑰𝑪𝟐=𝟐𝟓𝟎𝜴一般有𝐑𝟏𝟎𝐑𝟗≫𝐑𝐋,故取𝐑𝟗=𝟖𝟎𝛀，𝐑𝟏𝟎=𝟏𝟕𝟎𝛀。𝑪𝟓=(𝟑~𝟓)𝟏𝟐𝝅𝒇𝑳𝑹𝟗||𝑹𝟏𝟎≈𝟏𝟏𝟎𝝁𝑭,故取𝟏𝟏𝟎𝝁𝑭/𝟏𝟓𝐕。𝑰𝑩𝟐=𝑰𝑪𝟐𝜷=𝟒𝟒𝒎𝑨𝟏𝟎𝟎=𝟎.𝟒𝒎𝑨典型电路中R7+W1，R8支路电流应不小于（3~5）𝐼𝐵2,取𝐼𝑅8=1.2𝑚𝐴，则𝐑𝟖=𝟎.𝟕𝐕𝟏.𝟐𝐦𝐀=𝟓𝟖𝟎𝛀,𝐑𝟕+𝐑𝐖𝟏=(𝐕𝐂𝐂𝟐)𝐈𝐑𝟖+𝐈𝐁𝟐=𝟏𝟏𝟏.𝟐+𝟎.𝟒≈𝟔.𝟖𝟕𝟓𝐤𝛀选择𝑅7=2.5𝑘𝛀，𝑾𝟏=𝟒.𝟕𝒌𝛀进行调节以达到最佳工作点。𝐑𝟕+𝐑𝐖𝟏上反馈电流的峰值：𝑰𝒃𝟐𝑴=𝑰𝒃𝟐=𝟎.𝟒𝒎𝑨𝑹𝒃𝒆𝟐=(𝟏+𝜷)𝟐𝟔𝑰𝒆=𝟔𝟓𝛀𝑹𝒃𝒆𝟑=(𝟏+𝜷𝟑)𝟐𝟔𝑰𝒆=𝟏.𝟖𝛀其中，𝑅𝑏𝑒3为大功率管的输入电阻，由于乙类放大𝐼𝑒是变化的，难以准确计算，以𝐼𝐶𝑀/2为𝐼e的计算值。𝑹𝑳𝟐′=170||1.8+(1+50)×8||80=372𝛀𝑨𝒗𝟐=−𝜷𝟐𝑹𝑳𝟐′𝑹𝒃𝒆𝟐=−𝟏𝟎𝟎×𝟑𝟕𝟐𝟔𝟓=−𝟓𝟕𝟐𝑽𝒃𝟐𝑴=𝑽𝑪𝑪𝟐/𝑨𝒗𝟐=11/572=0.02V𝑰𝑹𝟖𝑴̃=𝑽𝒃𝟐𝑴𝑹𝟖=𝟎.𝟎𝟐𝑽𝟓𝟖𝟑=𝟎.𝟎𝟑𝐦𝐀𝑰𝑹𝟕𝑴̃=𝑽𝑪𝑪/𝟐𝑹𝟕+𝑹𝑾=𝟏𝟏𝑽𝟔.𝟗=𝟏.𝟔𝐦𝐀由于𝐼𝑅7𝑀≫𝐼𝑅8𝑀,所以𝐼𝑅8𝑀可以忽略不计𝑰𝑴=𝑰𝑩𝟐𝑴+𝑰𝑹𝟕𝑴+𝑰𝑹𝟖𝑴≈𝑰𝑩𝟐𝑴+𝑰𝑹𝟕𝑴=𝟐.𝟎𝟑𝒎𝑨2.4输入级设计由于推动级需要2.2mA的交流推动信号，故输入级静态电流需大于2.2mA，取𝐼𝐶1=0.4𝑚𝐴,推动级所需电压信号只有0.2V，故输入级电压的配置可以比较随意，取R3、R4为2kΩ,R6为1kΩ，各压降分别为8V，8V，4V。𝑽𝑪𝑬=𝟐𝟐−𝟐𝟎=𝟐𝑽,取T1为BD137𝑰𝑩𝟏=𝑰𝑪𝟏𝜷=𝟎.𝟎𝟒𝒎𝑨取𝐼𝑅2=4𝐼𝐵1=0.16𝑚𝐴,则𝑹𝟐=(𝟒𝒎𝑨×𝟐𝑲+𝟎.𝟕𝑽)𝟎.𝟏𝟔𝒎𝑨≈𝟓𝟒.𝟒𝒌𝜴,取R2=51kΩ𝑹𝟏=𝟐𝟎𝑽−𝟖.𝟕𝑽𝟎.𝟏𝟔𝒎𝑨≈𝟕𝟎.𝟔𝒌𝜴，取R1=62kΩ耦合电容选取𝐶2=10𝜇𝐹/10𝑉，𝐶3=𝐶4=100𝜇𝐹/15𝑉2.5负反馈设计取R5=8Ω,不宜太大以免降低总开环倍数。由Po6W,即𝑉𝑖√𝑃𝑜×𝑅5≈6.3𝑉𝑨𝒗𝒇=𝑽𝑶𝑽𝒊=𝟔.𝟑𝑽𝟑𝟎𝟎𝒎𝑽=𝟐𝟏𝑨𝒗𝒇=𝟏𝑭𝒗=(𝑹𝟏𝟐+𝑹𝟓)𝑹𝟓=21解得𝑹𝟏𝟐≈𝟏𝟔𝟗𝛀取𝑅12≈100Ω+470Ω（滑动变阻器）以便于调试。2.6电路指标验算不失真功率𝑷𝟎设Q1、Q2的V𝐶𝐸𝑆等大约要损失电源电压2V，则实际输出幅度V𝑂𝑀＝9V电源消耗功率𝑷𝑬灵敏度（可计算闭环增益𝑨𝑽𝒇）𝑨𝒗𝒇=(𝑹𝟏𝟐+𝑹𝟓)𝑹𝟓=𝟏𝟔𝟎+𝟖𝟖=21𝑨𝒗𝒇=(𝑽𝑶)𝑽𝒊=√𝑷𝑶𝑹𝑳𝑽𝒊𝑽𝒊=√𝑷𝑶𝑹𝑳𝑨𝒗𝒇=√𝟓×𝟖𝟐𝟏=303mV满足要求。输入电阻𝐑𝒊R𝑖=R1∥R2∥{[𝑟𝑏𝑒1+(1+𝛽1)R5](1+𝐴𝑉0𝐹𝑉)=62k∥51k∥{[850+101x10]x16}=28K10K符合指标要求。3.1静态调试图2如图2所示，输出级中点电压𝑽𝟎=𝟏𝟏.𝟏𝟔𝟖𝑽≈𝑽𝑪𝑪𝟐=𝟏𝟏𝑽3.2动态调试输出功率Po在f=1kHz，RL=8Ω,输出波形基本不失真时，测出输出电压值VO有效值必须大于6.325V，计算出输出功率大于5W。在f=1KHz、R𝐿=8𝛺，输出波形即将失真时，波形如下图3所示：𝑉𝑂𝑀=18.1072=9.0535𝑉𝑃𝑜=𝑉𝑂×𝑉𝑂2𝑅𝐿=9.0535𝑉×9.0535𝑉2×8≈5.13W,符合要求图3（幅值大的为输出）灵敏度测试在f=1kHz，RL=8Ω，Po＞5W时，测出VS的值，必须控制在200～400mV之间。将信号略减小使输出保持约6.325（实际6.327V）伏，测得输入电压的值220mV在200～400mV之间，仿真结果如图4所示。图4当输出电压为6.325V时，此时Vs为222.4mV200mV,符合条件。电源消耗功率用电流表测量电源电流，计算电源消耗的功率，如下图5。图5由图5可知：电流I=419.93mA，电源功率P=UI=22V×419.93mA=9.24W10W，满足题意。输入阻抗𝑹𝒊在放大器输入端串一只10k电阻R1，保持输出5W功率（即输出电压6.325V），分别测出R1前端电压值V1和后端电压值V2，由𝑹𝒊=𝑉2𝑉1−𝑉2×𝑅1计算出输入电阻。图6图7由图6得，𝑉1≈221.8𝑚𝑉,由图7得，𝑉2≈126.6𝑚𝑉𝑹𝒊=𝑉2𝑉1−𝑉2×𝑅1=126.6221.8−126.6×10𝐾≈13.3𝑘Ω10kΩ,符合条件频率响应在上述情况下增加或降低输入信号频率（幅度不变），输出电压随之下降，当其下降到原来的0.707倍时，或输出波形产生明显失真，记下放大器的上、下限频率值。为了测出上限频率，将Q4的Zero-biasB-Cjunctioncapacitance(CJC)参数，把原来的0改为pF级的电容值（如9e－12）。这里我采取-3dB测量。测试结果如下图：图8最高分贝图9𝒇𝑳图10𝒇𝑯由图9得下限频率𝑓𝐿=10.781𝐻𝑧，由图10得上限频率𝑓𝐻=69.251𝑘𝐻𝑧，符合要求四、小结及感想这次课程设计对于我是一个不小的挑战。在这次设计中也让我认识到了自己的很多问题，如在学习时太偏重于理论，到了实际应用时才发现自己对于电路设计的经验过于不足。我在设计的过程中遇到了以下一些困难：首先最重要的困难是不了解三极管的选用。平时学习中我们用的都是理想三极管，而到了设计时就要考虑三极管的参数，否则很容易出现三极管被击穿的现象。在经历多次失败后，最终我在网上搜索到了常用的音频放大器三极管型号，从中选择了BD136与BD137，符合本次设计要求。其次是不了解电阻的选用。在设计计算时，有好几个电阻按照我计算的值仿真出来达不到设计要求，我只能在网上查阅资料，不断调整各个电阻的值，使电路在输出波形无明显失真的情况下达到设计要求。这也让我明白好多时候计算出的值和实际是不同的，要根据经验对许多元件的值进行适当的调整。最后是搭建电路，调试时不够细心。在一开始调试时，我发现我的电路静态指标和输出功率总是达不到设计要求并且相差很多，各种元件进行调整后仍旧不达标。调试了几个小时后，最终我发现我的三极管Q4放错了位置，导致Q4的集电极和发射极接反了。这样一个低级错误导致我数个小时毫无进展。也使我明白在搭建电路时一定要细心，仔细检查每一个元件，否则调试时除了问题很难找到原因。总之通过本次课程设计，我对模电有了更多应用上的理解，而不是只会做题。希望以后能有更多的机会积累实验经验。