项目2音频功率放大器的制作

江西省电子信息技师学院江西省电子信息工程学校实用模拟电子技术项目教程主编:罗国强罗伟内容介绍:江西省电子信息技师学院电子系项目1直流稳压电源的制作项目2音频功率放大器的制作项目3远距离调频无线话筒的制作项目4温度指示器的制作项目5节能调节器的制作项目2音频功率放大器的制作许多电子产品都要用到音频功率放大器，诸如音响、电视机、收音机等，均要求放大电路的末级有足够的功率去推动扬声器（喇叭）音圈振动发出声音。这种用于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。音频功率放大器的作用是将微弱的声音电信号放大为功率或幅度足够大、且与原来信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。江西省电子信息技师学院电子系内容提要任务1前置放大电路制作1任务2负反馈在放大电路的应用2任务3功率放大电路的制作33江西省电子信息技师学院电子系任务1前置放大电路制作任务目标：1．能熟练画出分压偏置式放大电路图，并对其能自动稳定工作点的原理进行分析。2．能准确分析电路元件参数对静态工作点的影响，并正确设置静态工作点。3．能熟练掌握直流工作点与放大器非线性失真的关系。4．能熟练安装、调试分压偏置式放大电路。江西省电子信息技师学院电子系知识1分压偏置式放大电路温度变化会引起放大电路的静态工作点发生偏移，从而影响放大电路的正常工作。为了提高静态工作点的稳定性，在放大电路中通常采用分压偏置式放大电路来提高静态工作点的稳定性。分压偏置式放大电路是最常用的音频信号前置放大电路。下面以NPN型晶体三极管所组成的分压偏置式放大电路为例，介绍放大电路的工作原理。江西省电子信息技师学院电子系1．电路结构及各元件的作用电路结构如图2-1所示。Rb1为上偏置电阻，Rb2为下偏置电阻，Rb1、Rb2的阻值一般为几十千欧。电源电压VCC经Rb1、Rb2分压后得到基极电压UBQ，给三极管V的发射结提供合适的正向偏置电压，同时给基极提供一个合适的基极电流。图2-1分压偏置式放大电路Re为发射极电阻，也称发射极负反馈电阻，主要起到稳定工作点的作用。江西省电子信息技师学院电子系Ce称为发射极交流旁路电容，作用是避免交流信号电压在发射极电阻Re上产生压降，造成放大电路电压放大倍数下降。Rc为集电极电阻，电源通过Rc给集电结加上反向偏压，使三极管工作在放大区。V为晶体三极管，是放大电路的核心元件。RL为负载电阻。2．稳定工作点的原理当温度升高时，由于三极管V的β、ICEQ增大及UBEQ减小而引起集电极电流ICQ增大，则发射极电阻Re上的压降UEQ增大。基极电位VBQ由Rb1、Rb2串联分压提供，大小基本稳定，因此发射结电压UBEQ(UBEQ=VBQ－UEQ)减小，于是集电极电流ICQ的增加受到限制，达到稳定静态工作点的目的。上述自动稳定工作点过程总结如下：温度t升高集电极电流ICQ增大发射极电流IEQ增大发射极电位VEQ升高发射结电压UBEQ下降基极电流IBQ减小集电极电流ICQ下降。江西省电子信息技师学院电子系注意：分压偏置式放大电路稳定工作点的关键在于利用发射极电阻Re两端的电压来反映集电极电流的变化情况，实质上是通过Re的变化量来控制并调节集电极电流ICQ的变化，最后达到稳定静态工作点的目的。可从以下三点加深理解：1）由于温度变化对β、ICEQ及UBEQ等参数产生影响，将导致三极管集电极电流ICQ变化，从而引起放大电路工作点的偏移。因此，要稳定工作点，关键在于稳定三极管集电极电流ICQ。2）放大电路中三极管基极电压UBEQ由偏置电阻Rb1、Rb2分压得到（即分压式偏置电路），故三极管基极电压相对比较稳定，与温度无关。3）由于三极管发射极电阻Re的存在，与基极电压共同起作用，稳定了三极管集电极电流的变化，使放大电路的静态工作点趋于稳定。江西省电子信息技师学院电子系3．元件参数对静态工作点的影响静态工作点合适与否决定着电路能否正常进行交流放大，可以用以前学过的估算法求出静态工作点，也可以用作图的方法求出。图2-2所示为共射基本放大电路的直流通路，在集电极回路可以列出如下方程：UCE=VCC－ICRc这就是直流负载线方程。UCE与IC是线性关系，是一条直线。在输出特性曲线所在坐标中，只需在坐标轴上确定两个特殊点VCC和VCC/Rc，便可作出这条直流负载线MN，其中当iB=IBQ的这条输出特性曲线与直流负载线MN的交点即为Q点，如图2-3所示。江西省电子信息技师学院电子系图2-2直流通路图2-3直流负载线与Q点电路中元件参数Rb、Rc对静态工作点Q的影响见图2-4所示。江西省电子信息技师学院电子系（1）增大Rb时，静态工作点由Q下移到Q1；减小Rb时，静态工作点由Q上移到Q2。（2）增大Rc时，静态工作点由Q左移到Q3；减小Rc时，静态工作点由Q右移到Q4。同理可分析VCC对静态工作点Q的影响。江西省电子信息技师学院电子系知识2直流工作点与放大器非线性失真的关系对放大器的最基本的要求是实现交流信号的不失真放大，即输出信号的波形与输入信号的波形应是相似的。如果放大器的工作点设置不合适，将导致输出波形产生失真现象。例如，在音频放大电路中，表现为声音失真；而在电视扫描放大电路中，将表现为图像比例失真。这种失真是由于电路的工作范围超出了三极管的特性曲线的线性区而产生的，称为非线性失真。它包括饱和失真和截止失真两类。江西省电子信息技师学院电子系1．交流通路与交流负载线放大电路在输入交流信号的情况下处于动态工作状态，称为动态。在动态时，放大电路在输入信号ui和直流电源VCC共同作用下工作，电路中既有直流分量，又有交流分量，形成了交、直流共存于同一电路之中的情况，各极的电流和各极的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号ui作相应变化的交流分量。由于耦合电容对交流信号可看成短路，而直流电源VCC对交流信号则看成直接对地短路，由此可画出放大电路的交流通路图。如图2-5（a）所示为基本共射放大电路的交流通路图，图中，RL'=RL//Rc称为交流等效负载。江西省电子信息技师学院电子系（a）放大电路的交流通路(b)放大电路的交流负载线图2-5放大电路的交流通路与交流负载线由图2-5（a）可知uce=－icRL'而uce=uCE－UCE，ic=iC－IC，代入上式可得uCE－UCE=－（iC－IC）RL'上式表明，动态时iC与uCE的关系仍为一直线，该直线的斜率为（－1/RL'），它由交流负载电阻RL'决定，因此称为交流负载线，如图2-5（b）所示。显然，这条直线通过工作点Q（UCE、IC），且与两坐标轴的交点分别为：A（UCE+ICRL'，0），B（0，IC+UCE/RL'）。江西省电子信息技师学院电子系2．放大电路的非线性失真1）饱和失真现象在如图2-1所示的音频信号前置放大电路中，当输入信号ui为正弦信号时，若上偏置电阻Rb1设置为5.1kΩ，基极电流IBQ就较大，此时放大电路输出的电压波形就会产生失真，其负半周被削去一部分，称之为饱和失真，如图2-6所示。图2-6饱和失真波形与图解分析江西省电子信息技师学院电子系根据图解分析法可以从图2-6看出，IBQ偏大时，静态工作点Q点偏高，在饱和临界点附近，iB增大无法使ic相应增大，于是会在ic的正半周、uce的负半周出现饱和失真（切割失真）现象。为了克服放大电路出现的饱和失真现象，可适当增大上偏置电阻Rb1，使IBQ降低，Q点下移。2）截止失真现象在如图2-１所示的音频信号前置放大电路中，当输入信号ui为正弦信号时，若上偏置电阻Rb1设置为330kΩ，基极电流IBQ就较小，此时放大电路输出的电压波形也会产生失真，其正半周被削去一部分，称之为截止失真。如图2-7所示。图2-7截止失真波形与图解分析江西省电子信息技师学院电子系Q点选择不当引起放大电路的非线性失真，可概括如表2-1所示。表2-1Q点设置引起的放大电路非线性失真为了减小或避免非线性失真，必须合理选择静态工作点位置，一般选在交流负载线的中点附近，同时限制输入信号的幅度。江西省电子信息技师学院电子系3．放大电路的的最大不失真输出电压幅度最大不失真输出电压幅度是指放大电路不产生截止或饱和失真时，输出所能获得的最大电压幅度，用Uom表示，如图2-8所示。图2-8放大电路最大不失真输出电压幅度江西省电子信息技师学院电子系显然，为了充分利用晶体管的放大区，使输出动态范围最大，直流工作点应选在交流负载线的中点处，即线性放大区的中点，这样，正、负半周信号都能得到充分放大，并最大限度地利用动态范围。江西省电子信息技师学院电子系任务2负反馈在放大电路中的应用任务目标：1．掌握反馈的概念、类型及其特点。2．能理解负反馈的概念及特点，并掌握判断负反馈放大电路类型的方法。3．了解负反馈对放大电路性能的影响。江西省电子信息技师学院电子系引言：反馈在电子电路中的应用十分广泛，特别是在放大电路中引入负反馈可大大改善放大电路的性能，前面介绍的分压偏置式放大电路实质上就是利用负反馈原理来稳定静态工作点的。知识1反馈的类型与判断1．反馈的概念反馈就是把放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路送回到输入端。从输出端反馈到输入端的信号称反馈信号，传递反馈信号的电路称为反馈电路，如图2-14所示，其中Xi为外部输入信号，Xd为净输入信号，Xf为反馈信号。江西省电子信息技师学院电子系2．反馈的类型反馈有正、负之分，在放大电路中通常引入负反馈以改善放大电路的性能，正反馈则多用于振荡电路。1）正反馈。如果反馈信号加到放大电路的输入端，使输入端的信号得到加强，这种反馈称为正反馈。正反馈会使放大电路信号越来越强，最后形成自激振荡，如话筒啸叫现象。2）负反馈。如果反馈信号加到放大电路输入端，使输入端信号减弱，这种反馈类型则称为负反馈。负反馈能增强放大电路的稳定性，故广泛应用于各类放大电路中。江西省电子信息技师学院电子系3．负反馈的四种类型及其类别1）负反馈的四种类型根据反馈信号与输出信号的关系，可分为电压反馈与电流反馈。如果反馈量取自输出电压，反馈信号为电压信号则称为电压反馈，如图2-14(c)、(d)所示。电压负反馈能够稳定放大电路的输出电压，降低输出电阻；如果反馈量取自输出电流，反馈信号为电流信号则称为电流反馈，如图2-14(a）、(b)所示。电流负反馈能够稳定放大电路的输出电流，提高输出电阻。江西省电子信息技师学院电子系图2-15负反馈放大电路的四种类型江西省电子信息技师学院电子系根据反馈信号与输入信号的关系，可分为并联反馈与串联反馈。如反馈信号输入端与放大电路输入端呈并联关系，则称为并联反馈，如图2-15（a）、(d)所示，此时的反馈信号与输入信号通常在同一节点引入；如果与放大电路输入端呈串联关系，则称为串联反馈，如图2-15（b）、（c）所示，此时的反馈信号与输入信号不在同一节点。由以上反馈组合，可得出放大电路中负反馈共有以下四种类型。（1）电流并联负反馈，如图2-15（a）所示。（2）电流串联负反馈．如图2-15（b）所示。（3）电压串联负反馈，如图2-15（c）所示。（4）电压并联负反馈，如图2-15（d）所示。2）负反馈类型的判别现以图2-15（c）为例，来说明负反馈类型的判别方法。（1）瞬时相位极性法判别是正反馈还是负反馈瞬时相位极性法是判断电路中反馈极性的基本方法，具体做法如下：假设输入信号瞬时对地有一正向（或负向）的变化，即瞬时电位升高时，相应的瞬时极性用“（+）”表示，瞬时电位降低时，相应的瞬时极性用“（－）”表示；江西省电子信息技师学院电子系按照信号先放大后反馈的传输途径，根据电路的工作原理，确定各有关点的相位关系，从而逐级推出电路中有关点的瞬时极性；③判断反馈到输入回路的反馈信号是增强还是削弱了原来的输入信号。如果反馈信号增强了原来的输入信号，则是正反馈；如果反馈信号削弱了原来的输入信号，则是负反馈。如图2-15图（c）所示，根据共射极放大电路集电极电位与基极电位反相的特性，在电路中可以标出某一瞬时的信号极性，由此判断反馈信号削弱了放大器输入信号（ui减小），故为负反馈。（2）判别是电压反馈还