低频功率放大器

学科分类号

本科学生电子课程设计论文

题 目： 低频功率放大器

姓 名 罗 清

学 号 2006180824 院 （系） 工 学 院

专业、年级 0 6 电子技术教育 指导教师 兰浩老师

2008年 9月 5日

指导教师评定成绩 评审基元 选题质量15% 选题恰当 查阅文献 资料能力 综合运用 知识能力 研究方案的 设计能力 评审要素 目的明确 符合要求 理论意义或 实际价值 评审内涵 选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到课程设计论文综合训练的目的。 符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。 题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。 能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。 能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。 整体思路清晰；研究方案合理可行。 满分 5 5 5 10 10 5 20 5 15 10 10 指导教师 实评分 能力水平50% 能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、研究方法和手实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信段的运用能力 息。 外文应用 能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外能力 文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。 写作水平 写作规范 论文篇幅 论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。 符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。 5000字左右。 设计论文35% 实评总分 成绩等级

指导教师评审意见： 指导教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。

第1章 绪 论

1.1电子技术发展现状

1.2 模拟电路中低频功放电路的发展现状

低频功放电路大多数使用在音响技术上，所以说低频功放电路的发展历史就是音响技术的发展历史，音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如\"威廉逊\"放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员--集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD<0.01%（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。

音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。预计音响技术今后的发展主流为数字音响技术。 音响行业技术和市场发展现状 技术发展概况

单纯从技术应用的角度上看,国内专业音响产品的研发,设计及制造技术已达到相当高的水平.其中,模拟音响产品的技术和质量水平已可与国外知名品牌相提并论,只是在数字音响产品上尚需进一步努力.

在产品性能上,国内主要厂家生产的调音台和功放产品的的方案设计合理性,电性能技术参数指标以及内外功能的设置等主要方面的测试分析结果,都与国外知名品牌的产品相差无几;并且,国内正规大厂对产品的出厂质量相当重视,为把住产品运行的稳定性和可靠性的关口,有载运行8小时以一的老化试验程序已得到了普遍的设置.近些年,半导体行业新材料和新技术应用的不断深入,国外相关厂商为国内专业音响行业所使用的晶体管及集成电路等元器件的质量水平,也基本实现了与国外主流水平的同步.

在产品的制造工艺上,国内主要厂家的产品在个别方面存在一定的不足,比较明显的是有些

厂家的机械设备的工艺性能相对较差,机械加工原料的选材不够严格,产品的表面处理工艺的技术水平有待进一步提高.此外,一些厂家的产品外包装过于脆弱,很难经受中远途运输的考验,从而导致产的开箱合格率较低,还有些厂家只是一味地追求产品的电性能的高低,而严重忽视了设备工艺性的重要性.国内主要厂家的专业音性产品的使用性,总体上值得肯定的,但也有个别厂家为压缩产品成本,在一些机械器件的选购上偷工减料,从而影响到产品电性能的充分发挥,给用户留下了不好的印象,最终的结局,说近了就是损坏了企业自身的形象,说远了就是给国内专业音响制造行业抹下不小的败笔. 市场发展现状

经过多年的发展,中国内地逐渐成为专业音响产品的重要制造基地.尤其在广东地区,涌现出一大批朝气蓬勃的企业,它们具有独立知识产权的技术研发能力,拥有现代化的厂区厂房,先进的数控加工生产设备以及大量的研发技术队伍的产业工人,在生产过程中实施严格的全员全过程质量管理体系.

不可否认的是,国内主流厂家产品的综合水平,与行业高档的国外知名品牌相比,还存在一定的差距.世界专业音响业界对中国制造的认知水平比较高,但认可程度尚低.造成这一局面的一个重要原因在于,国内大量电子制造企业,基本没有对自身品牌形象的建立和维护的诉求,只是一味地追逐为国外知名品牌代工组装的订单.中国的专业音响产品已走出国门,但真正融入国际市场,还需要一定时日,在这个过程中,行业内上规模有实力的厂家应发挥领军作用,建立和维护好民族品牌,逐步拓展出更广阔的国际市场.

日前来看,国内专业音响行业的市场形势正处在新一轮的上升阶段中,行业整体的利润水平仍保持在较高的位置.由于市场的品牌集中度尚低,国内专业音响行业内的竞争氛围正日趋浓重.用户对选购产品的品牌和技术有了更加明确的严格的要求,行业内优胜劣汰的进程显得愈发严峻.未来数年内,国内专业音响灯光行业的发展趋势已然明朗,企业要想从这一轮实力的竞争中胜出,唯有以技术为纲,以品牌为目,不断积累,不断创新,才能为自身的长远发展奠下坚实的基础.在经历了这一轮风雨的洗礼之后,中国的专业音响行业也会变得更加成熟,日后的发展道路也会走得更加地坦荡.

1.2 选题意义

1、巩固模拟电子技术基本知识，综合运用所学知识

2、掌握模拟电子线路的调试方法，增强工程实践能力和综合分析问题的能力。 3、了解现代功放技术的现状及发展趋势，运用一些先进的技术设计电路。

1.3 本设计的工作

……

第2章 硬件部分简介

2.1 具体方案论证与设计

一、解析题目：

低频功放要求接8Ω负载，输出功率达到10W以上，于是可以计算输出电压最大值：

Uom的增益：

2PomRL210812.65V

要求放大通道在正弦信号输入电压幅度为(5-700)mV，于是当输入为5mv时，整个电路

Gv20lg12.6568dB3510

电路整增益需68dB，于是考虑要进行多级放大。我们可以把低频功放采用两个模块来实现：前级放大器和后级功率输出放大器。这就牵涉着增益的分配问题，功放的后级功率输出放大也一般是进行电流的放大，所以可以分配绝大部分的放大。那么前级就只需承担极小部分的放大，以减小共模信号对电路的干扰。我们也就想到采用两级放大器来进行放大。这样我们很快就可以找到设计方案。 二、方案选择：

⑴前级放大电路的选择

考虑采用集成运放进行前级放大，采用反向比列运算放大，可以稳定输出电压。电路模型如下：

图中电路的增益取决于电阻R7、R8有，

Gv= －R8/R7 ⑵后级功率输出放大器的选择

因为功放电路的要求在PoK下的效率≥55％，又要求非线性失真系数≤3％。为了减小非

线性失真就要用到甲乙类功放，但同时会降低效率。所以这两方面因数必须兼顾，即可采用ocl电路来实现功率放大级。ocl双电源互补对称电路的机构包括差分放大级、推动级、功率管电流放大。

零漂的大小决定了电路的优劣，又零漂对电路影响最严重的一级是第一级，但由于前级放大倍数不大，所以把差分放大电路放在后级放大的第一级，来有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化所引起的零点漂移。其差模放大倍数为：Avd=－βRl'/(Rs+rbe)。 电压放大部分中，起到电压放大作用，是功率放大器中要求放大倍数最高的。

功率放大部分，其中二极管D1、D2起到抑制交越失真的作用，整个功率放大部分起到最后的电流放大作用。 ⑶保护电路的选择

由于信号的输入过大或电路产生的一切不利的因数，使输出电压和电流急剧上升，有可能损坏负载。电路模型如下：其中R11、Q8、Q9组成过流保护电路。

⑷稳压电源的选择

前级放大电路和功率保护电路，后级功率输出放大器由于Uom=12.65V，所以加上功率管的压降就需大于此值，采用正负16电源供电。

2.2 2.2主控芯片的简介 集成运放LF347的介绍

第3章 低频功率放大器的原理

3.1电路的原理图和计算

⑴前级放大电路

采用两级运放，选用性能较好的集成运放，可选用lf347，里面含有四个运放，用其中的一个即可。

前级放大电路，只要求放大8dB。输入信号的范围是Uim=(5~700)mV，而运算放大器采用的是正16V电源，可以推出第一级的最大放大倍数，

Gv1=4dB

则输出U1o=(20~2800)mV

根据的取值可以确定各个电阻的阻值：R1=1kΩ；R2=3.9 kΩ

前级放大器电路原理图1 前级放大器仿真波形图2

⑵后级功率输出放大电路

输入级Q2、Q3采用差分放大级，起平衡激励作用，因此PNP管Q2、Q3应该严格对称,β也需一样。选β≥200，fT≥100MHZ。

第二级Q1为电压放大级，它提供大部分电压增益，要求β≥150，fT≥100MHZ，C2是相位补偿电容，防止电路的自激震荡。

末级由Q4、Q5和Q6、U4分别构成NPN和PNP复合管互补输出，要求功率管前的三极管β≥100，fT≥100MHZ，功放管Pcm＞3W，β≥30，fT≥20MHZ。

Ocl电路要求中点电位达到0V，以致在没有输入信号时没有输出对负载的干扰。如果中

点电位不为零，可以调节滑动变阻器R2使其为零。

令复合管的微导通电压为1V左右，那么D1和R5之间电压可以知道为1V左右，再令电压放大管的Ic为7mA，可以计算出R4的阻值为: R5＝（Vcc-1)/(7×10）＝2.14K

此电路全部采用直流偶合，所以静态之间相互牵制。所以差分电路的静态和，其他一些参数可通过访真获得。

-3

Ocl低功放电路原理图1

Ocl低功放仿真波形2

（3）保护电路

负载R10,当电路的输出电流过大时，就必须有保护电路来工作。下面分析电路的两种工作状态：

当输出电压、电流正常时,电阻U1、U2上的电压小，不足以使三极管Q8、Q9导通，故三极管Q8和Q9都是截止的，R11、Q8、Q9所组成的保护电路不工作，不影响电路的正常工作。

负载上电流过大时，U1、U2两个大功率电阻上的电流增大，则U1、U2电阻上的电压随之升高，从而使Q8、Q9两个三极管从截止区工作到放大区，从而减小两个大功率管Q5、U4的基级电流，以达到减小输出电流，达到保护的作用

3.2元件清单、工具、仪器

前级放大电路 名称 集成运放 电阻 参数 F347D 3.9k 数量 1个 2个 名称 参数 数量 1个 电阻 1 .0k 功率放大加保护电路 名称 电解电容 电阻 参数 数量 名称 瓷片电容 参数 数量 1个 1个 2个 2个 3个 10uf/50v 1 个 2.2K 1 个 1个 2个 2个 4个 150pf 1 个 电阻 4 .7k 电阻 2 20 可变电阻 大功率管 大功率电阻 0 .5Ω /2w TIP35C 三极管 N PN 电阻 47k 电阻 22k 可变电阻 三极管 二极管 1N4001 PNP 10k 1 个 50k 1 个 工具和仪器 名称 万能板 导线 烙铁 万用表 数量 1块 若干 1只 1块 名称 信号发生器 示波器 稳压电源 电脑 数量 1台 1台 1台 1台 3.3电路调试

按照已经设计好的原理图，把各元件有调理的焊接到万能板上，以便调试的方便。完成了焊接部分，按照以往的经验不能马上接电源，首先要检查一下元器件，观察安装和焊接是否正确可靠。特别要看二极管、三极管、电解电容的极性有无装反。待一切看见的问题解决后，就可以接通电源调试。

1.空载调试 根据Ocl电路的特点和性质，先不接负载．接通电源后，用手触摸功放管，

感觉功放管的温度，只要没有管子格外的烫手，即使一个管子热点，另一管凉些，都可以放心的测量静态工作点。用数字万用表直流电压档测量输出中点电压。当管子严格对称，从理论上说中点的电压为0V，但是中点电压在50mV以内，都可以认为是正常的。但是如果中点的点位偏离过大，就可以通过调节电阻R2,使之靠近0V。除Q8和Q9以外的所有三极管基极和发射极这间的电压在0.6V左右，两个二极管处在导通状态。

2.用8Ω大功率电阻作负载调试 先调节滑动电阻器R3，使差分放大电路工作在放大区，再试着改变推动级的集电极电阻R5，使所接的复合管工作在微导通区。再同时调节滑动电阻器R2和R3使静态中点电位小于50mV。 做好上面的步骤，就可以进行信号放大了。采用信号发生器，输入60Hz，幅度较小的正弦波信号。再用双踪示波器观察输入、输出的波形，如发现波形有失真，变可用示波器观察前面的差分放大和电压放大的波形是否失真，一级一级的排除失真。滑动电阻器R2可以改变Ocl电路的增益，增大R3减小增益，改变集电极电阻R5可以调节推动级的动态范围。

3.得到了不失真且满足要求的正弦波后便可以接入扬声器进行试音。加入信号在略高于正常听音电平下试听1小时左右反复测输出中点电压和静态电流。一般中点电压<士100mV，静态电流<100mA且无持续升高现象。

3.4 实际电路参数的更改和波形测试

1.本电路属于模拟电路，其仿真参数和实际电路参数有一定的差别。就在空载和接上负

载后的情况可能会完全不同，在实际电路中，我就碰到了这种情况：在空载时中点电压小于50mv,可是我忽略了其他要求，所以接上负载后电路不能正常工作，对称的复合功率管有一组复合功率管不工作，后来经过仔细的检查，才查到是焊接技术太差，使得某个三极管的引脚焊接到一起了，再重新改接好电路，重新调试，才使整个电路工作正常。

2、前级放大加功率放大级测试波形如下：

正常放大时的波形 最大不失真波形

输入过大输出波形失真 3.5

指标的计算

A、额定输出功率：

Pok=Uo2/RL=Uom2/2RL=Up-p2/8RL=23.42/8×8=8.55 B、在PoK下的效率： ξ=Uom/Vcc=12/16=0.75

η=Po/Pe×100%=π/4×ξ×100%=π/4×0.75×100%=62%

C、在前置放大级输人端交流短路接地时，RL=8Ω上的交流声功率±50mV，所以

交流噪声功率小。

第4章 结论

由于本人在对专业的爱好，在设计之前就阅读了大量的关于本课题的材料，再加之十来天的不懈努力，所以在本设计中，各部分都达到了指标，其最大的优点是功放电路采用的是直接耦合，适应于现代大众的低频需要，本设计还包括过流、过压装置等。通过这次课程设计，更好地掌握了基本电子电路的工作原理、主要我以及电路之间的互连匹配等基本知识，设计出满足技术要求、性能可靠成本低廉的应用电子电路，乃到构成某种功能完善的电子系统。

本设计中的不足：

（1）本设计存在的缺点是电路采用OCL功率放大，采用这种工作方

式电路自身的效率较低，加之调试的不到位让效率得不到更大的提高。因此，此电路还需调试，让电路的效率提高。

（2）本设计存在的缺点是电路只用了单声道，因此，我们可以根据电路的对称性，添加另外一个声道。

参考文献

[1] 康华光 《电子技术基础》 高等教育出版社 [2]张兴龙 《电子技术基础》 高等教育出版社

[3] 谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社

[4] 杨帮文《新型集成器件家用电路》北京：电子工业出版社 [5] 陈梓城《家用电子电路设计与调试》北京：中国电力出版社

致谢

本设计到最后能够调试成功，主要在于指导老师兰浩老师、邓海涛老师的精心辅导，在此感谢兰浩老师、杨小钨、邓海涛老师，这三位导师对我的细心栽培。另外还要感谢汪鲁才老师，因为他的建议打开了我的思路，让本设计进一步得到完善。还要感谢班上向我提供技术帮助同学。