低频功率放大器的设计与制作

低频功率放大器的设计与制作 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.前言关键词: 功率放大器 放大倍数 效率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。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T为输入变压器，T为输出12变压器， R 、R 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 b1 b2旁路电容， C 是偏置电路的旁路电容。b图1输入变压器 T 倒相作用，使 V 和 V 两管的基极信号大小相等、方向相反。输出变压1 1 2器 T2 的初级也设有中心抽头，分别将 V 和 V 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 2 OTL 功率放大器电路图2所示为OTL低频功率放大器。其中由晶体三极管T组成推动级（也称前置放大级），1T 、T 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23 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。T管工作于甲类状态，它的集电极电流I由电位器R进行调节。I的一1 C1 W1 C1 部分流经电位器 R 及二极管 D， 给 T 、T 提供偏压。调节 R ，可以使 T 、T 得到合适的W2 2 3 W2 2 3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 R 来实现，又由于 R 的一端接在 A 点，因此在电路中引入交、直流电压并联W1 W1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T放大、倒相后同时作用于T、T的基极，U1的负半1 2 3周使T管导通（T管截止），有电流通过负载R，同时向电容C充电，在U1的正半周，T2 3 L 0 3导通（T截止），则已充好电的电容器C起着电源的作用，通过负载R放电，这样在R上2 0 L L 就得到完整的正弦波。C 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。2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1 3W7805 -|-o +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零，2.2.1 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DD接成电桥形式（故名桥式 14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 u （=2Usinwt ），其输出加至 2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)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u二（2Usinwt ）处于2正半周时，图（A）所示电路中的A点电位高于B点二极管D和D处于正向偏置而导通,D,D1324则因反偏而截止。电源经D,D向负载供电，输出一个与u正半波相同的电压，同理，当1 3-2-u 为负半周时， B 点电位高于 A 点， D,D 转为反偏而截止， D 与 D 则因正偏而导通。电源 21324经 D,D 向负载供电，此时， u=-u, 其波形与 u 的正半波相同。2 4 0 2 2可见，在交流电压u变化一周时，负载R上得到的却是单方向脉动的电压u和电流i。2 l 0 0由于该电路在正弦电压 u 的正，负半周都有输出，故称这种整流方式为全波整流。2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R 接入（且 RC 较大）时 如图 5 所示 LL电容通过 R 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L充电， u 会逐渐下降。o图52.3.2 电容滤波电路的特点（a）U 与 RC 的 关系：LLRC愈大t C放电愈慢t U （平均值）愈大LL一般取：RC $（3-5）T/2 （T:电源电压的周期）L近似估算:U=1.2UL2图6(b) 流过二极管瞬时电流很大 整流管导电时间越短 i 的峰值电流越大D(c) 输出特性(外特性)输出波形随负载电阻 R 或 C 的变化而改变, U 和 LoS 也随之改变。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)、有被纹的直槪粧Z直癥图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W78XX和负稳压W 79 XX （型号后XX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。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（u=0）电源进线中串入直流毫安i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。U -UA 2 CC2） 调整输出极静态电流及测试各级静态工作点调节RW2，使T、T管的I =1 =510mA。从减小交越失真角度而言，应适当加大W2 2 3 C2 C3输出极静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以一般以-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T的集电极电流I较小，1 C1 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 I 之值。C1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 u 。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i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u =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510mA左右，i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I =1 = 6 mA U =2.5VC2 C3ATTT123U (V)B1V2.29V3.11VU (V)C2.29V3V5.03VU (V)E0.31V0V3V亠注意： 在调整 RW2 时，W2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 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。W22、最大输出功率P0m和效率n的测试1） 测量 Pom输入端接f=lKHz的正弦信号u，输出端用示波器观察输出电压u波形。逐渐增大 i0u，使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫伏表测出负载R上的电压U0m，贝UPOm2)测量nU2OmRL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n直流电源供给的平均电流POmPEIdC （有一定误差），由此可近似求得PE =UccIdc，再根据上面测得的POm，即可求出。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，防止寄生藕合引起电路自激。元器件插脚和连线要尽量短而直，防止分 布参数影响电路性能。（三）、组装工作步骤：1、将集成电路 IC 插座按布局图插在万能印刷板上，并用电烙铁及焊锡丝焊接好。2、连线。为了排除连线焊接不良的现象，在进行连线焊接前，首先用剥线钳对 连线的绝缘包皮剥去 1.5mm 左右，然后用松香和焊锡丝进行表面处理，清除 导线表面的氧化层，最后将连线焊接到印刷板上。3、在焊接电阻、电容前，首先用万用表对元器件进行测量，排除一些不合格的 元器件，以免留下后患。4、安装过程中要注意以下几点：（1）分清三极管的基极、发射极、极电极（2）电容的正、负极（长正短负）所要接的元件（3）7805 三极管的三个引脚5、安装完毕后，接通电源调试，先用万用表测量电源变压器输出为 5.04V（5V 左右可用），然后把函数信号发生器打到1K的档位上，用示波器测量Ui和UO的波形，再用数字万用表 负极（黑色）接地，正极（红色）接A点，测得结果如下：Ua=2.5v, Uces=l.84v，用交 流毫伏表测量UO的值，得U0=llOmv,然后求得P0mO.65w,PDc=1.28W n=50%.第五章 总结与体会 经模拟运行表明，本电路可以实现将输入的低频信号进行放大后，产生足够大的电流去推 动扬声器进行声音的功放。当然这次毕业设计不是那么的顺利，在刚开始做的时候，由于 对各个元器件的不熟悉，致使我们在做电路的时候很碍手碍脚，还搞错了元器件的正负极， 使电路直接没反映，还有在做电源的时候，由于少接了一根线，使我在测量电压的时候没 有输出电压，后来我们看书上面的电路图，一步一步仔细的寻找原因，后来终于找出问题 的所在。在调试电路的时候，开始的时候没有波形出现，后来才发现是三极管坏了，当找 出原因的时候心里面真的很高兴，因为是自己努力的。经过半个月的毕业设计，我不仅在专业技能方面有了明显提高，还了解了产品开发所必须 的全过程：资料收集、功能分析、分析电路、安装、调试等。虽然时间不长但我感觉有很 大的收获，通过学习使自己对课本上的知识进一步了解加深，能够充分利用图书馆的资料， 增加了除课本以为的许多知识。增强了自己对电路图的认识，加深了解了电路图每一部分 的作用及其是如何工作的。与此同时，我还明白了团结合作的团队精神的可贵性，与队友 的合作更是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。 而团队合作也是当今社会最提倡的。同时也提高了自己动手能力，包括使用万用表等测量 仪器测量数据，以及利用仪器如何检查故障的根源，怎样排除故障的方法，培养了自己的 自学能力以及人际交往能力。从而使我能够更好地适应社会工作。这次实践活动的时间虽短，但它留给我们的启迪却是深刻而长远的，是我们人生道 路上坚实的一步。我通过积极参加社会实践活动，认识了社会，认识到自己的社会位置， 明确了自己的历史使命，激发了自己的学习热情，我会不断地调整和完善自己的知识结构， 战胜前进道路上的各种挫折，锻炼自己的意志和毅力，为适应今后的工作做好准备。实习 工作结束了，但这不是终点，而是另一个新的起点。实习的一些收获和体会，都对于我们 今后走上工作岗位，都有很大的帮助。经过这次实习，也提高了我的专业水平。相信在以 后的工作上，还会有更大的进步。此次毕业设计虽然结束了，也留下了很多遗憾，因为由于时间的紧缺和元器件的缺 乏，并没有做到最好，但是，最起码我们没有放弃，它是我们的骄傲！相信以后我们会以 更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。我们的激情永远不会结束，相反，我 们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了 自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。 参考文献周良权 方向乔 编数字电子技术基础高等教育出版社2004 年陈小虎 主编电工电子技术高等教育出版社2004 年附杨毅录德 一主编模拟电路重庆大学出版社2004 年1、设备与元器件清单元件清单序号名称规格型号位号数量1电阻器2.4KRB21支2电阻器3.3KRB11支3电阻器510QR1支4电阻器100QRE1支5电阻器680QRC11支6电源变压器输入220V输出5V1个7电解电容10 uC11个8电解电容100uC、C、C2E13支9电解电容0.01uC1支10电解电容1000uCO1支11电解电容0.33C1支12三极管9011、012、013T1、 T2、 T373支13滑动变阻器1K、 10KRW1、 RW22支14扬声器8QRL1个15二极管IN4007D1个16三端稳压器TSL 78051个17插头1只5 、 直流电压表6、 直流毫安表7、 频率计设备： 1、 5V 直流电源2 、 函数信号发生器3 、 双踪示波器4、 交流毫伏表附录二