低頻功率放大器的設(shè)計與制作

3章低頻功率放大器的設(shè)計與制作設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作具有弱信號放大力量的低頻功率放大器，其原理框圖如圖3-1所示：要求

3-1低頻功率放大器原理框圖120mV，等效負載電阻RL為8Ω條件下，放大通道應(yīng)滿足：〔1〕額定輸出功率Pout≥0.5W，輸出波形無明顯失真；帶寬BW50Hz～10kHz；在Pout下的效率≥50%；在Pout下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)≤5%；前置放大器與功率放大器承受+12V單電源供電。2、在放大通道的輸入端接入駐極體，應(yīng)能放大不失真的語音信號。3、自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。低頻功率放大器的總體方案設(shè)計依據(jù)系統(tǒng)原理框圖及要求，低頻功率放大器的總體電路構(gòu)造如圖3-2所示：A 200? BR

K +12V103 + 1

104μC C100Fμ3 2

C11000μFC132K R26 R4

100K1MR RP11 2μK +μ+4.7μF5.1K+

ICA2 1

μF

C10FR 91C4 R3 LM324+3 4

+6C ICB66 1

9 B74.7μF 1 87外100K供RA正 + 6A

100KR7

LM324 ++5 11 C7

3 6LM386 52 4 7IC2

220μF+C12弦ZL

K Kμ5 5 C10F0 Rμ5 5 1 1 8

K10 RPC18

++ C11

0.1μF BL號源3-2低頻功率放大器電路構(gòu)造圖

103

C100.1μF Ω R0100161 3 2 9 5 6 7 7 1 1 電路工作原理：電路共分兩級，第一級為前置放大局部，其次級為功率放大局部。電源經(jīng)C、C、C濾除其中的干擾信號，其中電阻R是將微小信號放大級與功率放大級隔離，避開兩級間的相互干擾，R是限流電阻，同時為駐極體供給適宜的靜態(tài)工作電流。駐極體產(chǎn)生的微小信號經(jīng)電容C1個運算放大器A的反相輸入端，對輸入信號進展電壓放大，R、R、R、R分壓，為運算放大器供給適宜的靜態(tài)工作點，避開放大信號的失真。信號經(jīng)C2B的同相輸入端，此運放構(gòu)成電壓跟隨器，用作前后級的阻抗匹配，抱負運放有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，可以抑制有用信號的衰減。信號經(jīng)B7腳輸出由電容C耦合到電位器RP，RP起到音量調(diào)整的作用，信號由RP的中心抽頭再LM386318腳之間的電阻61 3 2 9 5 6 7 7 1 1 進而調(diào)整功率放大倍數(shù)。最終信號從5腳輸出，經(jīng)電容C 連接到揚聲器。外圍的R

支路構(gòu)成大環(huán)12路電壓并聯(lián)負反響電路，穩(wěn)定輸出端的電壓信號，減小非線性失真。3-1所示：

11 2序號標稱名稱規(guī)格9C序號標稱名稱規(guī)格9C8電容器103序號標稱名稱規(guī)格22RP1可調(diào)電阻器10K/0.125W1ZL駐極體3V14R1電阻器200?/0.125W2BL喇叭8?/0.5W15R2可調(diào)電阻器100K/0.125W3C1電解電容器1000uF/25V16R3電阻器5.1K/0.125W4C2電解電容器100uF/25V17R4電阻器51K/0.125W5C3電容器10318R~R5 8電阻器100K/0.125W6C4電解電容器4.7uF/25V19R9可調(diào)電阻器100K/0.125W7C5電解電容器10uF/25V20R10電阻器100?/0.125W8C~C6 7電解電容器4.7uF/25V21R11電阻器1M/0.125W10C9電解電容器10uF/25V23RP2可調(diào)電阻器100K/0.125W11C~C10 11電解電容器0.1uF/25V24ICA1集成運放LM32412C12電解電容器220uF/25V25ICB1集成運放LM32413C13電容器10426IC2集成運放LM386功能電路的設(shè)計、制作與調(diào)試前置放大電路的設(shè)計一、前置放大電路的方案比較方案一：利用三極管實現(xiàn)前置放大。三極管是一個電流掌握型器件，具有電流放大作用，利用其電流的放大力量來實現(xiàn)電壓放大，調(diào)試工作量大，放大器性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響大，所用元器件較多，設(shè)計較簡單。方案二：利用集成運放實現(xiàn)前置放大。運算放大器的內(nèi)部實際上是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的三極管或者場效應(yīng)管電路，它的開環(huán)增益格外高，可以通過在外圍增加少量器件實現(xiàn)信號放大，使用便利，調(diào)試簡潔，對噪聲和干擾的抑制力量也很強，頻率特性也得到改善。經(jīng)比較，應(yīng)選擇方案二。二、主要元器件參數(shù)選擇依據(jù)1、運算放大器選擇型號：LM3242.3.3關(guān)于LM324簡介。2LM324構(gòu)成的前置放大器外圍元器件的選擇反相比例放大電路的根本關(guān)系式前置放大電路第一級承受反相比例放大電路，其根本電路如圖3-5所示：RfV+ui Ri _uuo+R V-p3-5根本反相比例放大電路RRR被稱為平衡電阻。f i p該電路根本關(guān)系式為：A u/uuf o i

R /Rf

(3.1)Auf

為閉環(huán)放大倍數(shù)，有時用20lgAuf

表示，記為分貝d；ui

uo

為輸出信號。F1/(1Auf

)Ri

/(Ri

R) (3.2)f式中，F(xiàn)為反響系數(shù)。

R [R Rf ID

/(2F)]1/2 (3.3)式中，R 為集成運放開環(huán)差模輸入電阻，通用集成運放R 一般在〔20K?~10M?〕之間；R為集成運ID ID o放開環(huán)輸出電阻，通用集成運放R在數(shù)十歐姆至數(shù)百歐之間。R 為考慮R 、R、F影響的反響電阻最o f ID o佳值。R Rp f

//Ri

(3.4)Rsi

為放大電路的輸入電阻。

R Rsi i

(3.5)R Rso o

(1FA) (3.6)Rso

為放大電路的輸出電阻；A為集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)。f GBWF/(2) (3.7)F式中，f 為閉環(huán)帶寬；GBW為開環(huán)增益帶寬積，其值等于單位增益帶寬。F單電源反相比例放大電路+12V單電源供電。承受單電源供電時，需在同相輸入端參加UCC

/2即6V的中點偏置電壓，其靜態(tài)〔ui

0〕輸出電壓Ujo

U /26V。當uCC

0時，輸出電壓在U

/26V的根底上隨uCC

反相變化而不失真的放大。實際設(shè)計的單電源供電反相放大器構(gòu)造如圖3-6所示：R4R4i+C2111+uo4R3LM324+34C6R+6CRAUCC55V

3-6單電源反相比例放大電路CCU2CCP

≥0.5WR

=8ΩP

有效得out

L out RLU 有效

=2p-p

U =5.6V；輸出溝通信號的峰值U 2有效 op2

U有效

222.8V，靜態(tài)時輸出電壓U Ujo CC

/2，輸出最大值Uom

U Ujo

。設(shè)計要求取UCC

12V，則Uom

LM324集成運放，當UCC

12V時飽和輸出電壓UB

U CC

U ，輸出波形om不會產(chǎn)生飽和失真，滿足要求。R5R6、C5RR的分壓阻值的選擇綜合兩方面因素考慮：5 6①穩(wěn)定性：R、R5 6能耗增大；RR阻值越大，該支路的電流就會越小，在其上的能量損耗就越小，但阻值太大，其中5 6點偏置電壓受負載電阻的影響就越大，即穩(wěn)定性變差。由于本例中偏置電路的負載為集成運放的差模輸入電阻，其值很大，故為耗電小，應(yīng)使R5

R支路6RR5 6

100k，C5

為高頻濾波電容，取C5

10uF/25V的電解電容。選擇電壓放大倍數(shù)A 、反響電阻R、輸入電阻R、輸入耦合電容C、輸出耦合電容Cuf1 4 3 4 6①電壓放大倍數(shù)A 的選擇uf1由于放大通道的最小輸入正弦信號電壓的峰峰值U 20mV，則系統(tǒng)整機放大倍數(shù)ippUA pu Uipp

5.6V20mV

280，考慮到后級功放電壓放大倍數(shù)可在20~200倍調(diào)整，故本級電壓放大倍數(shù)取Auf1

F1/(1Auf

)1/(110)0.0909由式〔3.7〕得閉環(huán)帶寬fF

GBWF/(2)，查LM324集成運放產(chǎn)品手冊得GBW1106Hz，則f 11060.0909/(23.14)14.5KHz10KHz故AF

Auf

越大，反響系數(shù)FAuf

的取值范圍在0.1~100為宜。R的選擇4〔3.R4

[R RID

/(2F)]1/2LM324集成運放手冊得RID

o

100，則R5106100/(2090)1/25，取系列值51k。4R的選擇3由式〔3.1〕得，輸入電阻R3

R/A4 uf1

51/105.1k，通常輸入電阻R3

R4

的取值為1k?~1M?，并盡可能通過選擇小阻值R3

Auf

1M?且阻值確實定誤差較大。從提高Auf

R3

R1k?~100k?為宜。4④輸入耦合電容C和輸出耦合電容C的選擇4 6輸入輸出耦合電容的主要作用是隔直通交，使前后級靜態(tài)工作點不相互影響。輸入耦合電容值由下式打算C1/[2f(Ri n

R)] (3.8)i式中，f10Hz；Rn

100?i

R3

5.1kC4

1/[210(05100)]3.12uF，取系列值4.7uF/25V，選用鋁電解電容。通常放大電路輸出耦合與輸入耦合取全都，故C6鋁電解電容。單電源同相電壓跟隨器

選用4.7uF/25V3-7所示：ACAC6R+54LM324117+C77R8RP1i uoA3-7單電源同相電壓跟隨器其輸出電壓等于輸入電壓，且跟隨輸入電壓變化相位全都，故稱為同相電壓跟隨器。利用其輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，使前級放大電路和后級功放電路阻抗匹配。由于承受單電源供電，RR串聯(lián)7 8支路供給U

/2RRR

RR

R R

CC 7 8

5 6

8 5 6C為前置放大電路的輸出電容，亦可看作同相電壓跟隨器的輸入電容，故其值由式〔 3.8〕得6C 1/[210(0R6

//R8

0.31uF；同理C7

為本級放大電路的輸出電容，亦可看作下一級功放電路的輸入電容，故其值由式〔3.8〕得C7

1/[210(0RP1

//Ri2

)]RP

為電壓輸出幅度調(diào)整電1位器，一般取值為10kRi2

為功放輸入電阻，查LM386 集成功放手冊Ri2

50kC 1/[210(010//501.91uFC7

、C、C4 6

4.7uF/25V鋁電解電容。電源退耦電路3-8所示：A+C C3

BR1 +C C1

+UCC+12V3-8電源退耦電路其主要作用是濾除由電源引入的高、低頻干擾信號。其中，C、C1 13

為功放電源退耦電容，C1

濾除低C1

220uF~1000uF1000uF/25V電解電容通常電解電容的耐壓要大于電源電壓的2倍以上故本例全部電解電容的耐壓都取25V。C 濾13除高頻干擾，一般取0.01~0.uF的瓷介電容為宜，本例取0.u〔即10，一般瓷介電容的耐壓都在63V以上，故在圖3-2104。注：C、C1 13

在焊接時距離LM3866腳盡可能近，這樣退耦效果好。C、C2 3

為前置放大電路電源退耦電容，C2

濾除低頻干擾，由于前置放大電路電源輸出電流較小，故C47uF~220uF為宜，本例取100uF/25V電解電容。C2

濾除高頻干擾，一般取0.01~0.1uF的瓷介電容為宜，本例取0.0u〔即10。注：C、C2 3效果好。

LM3244腳盡可能近，這樣退耦R1

R1

200R1兩端的壓降U=0.2V，則流過R1

的電流I1

/2001mA ，則R1

的功耗PI2R1062000.2mWR200/0.125WR

1 1 1 1 11/8W的標準電阻。3、駐極體及其負載電阻值的選擇駐極體話筒體積小，構(gòu)造簡潔，電聲性能好，價格低廉，應(yīng)用格外廣泛。駐極體話筒必需供給直流電壓才能工作，由于其內(nèi)部有場效應(yīng)管。具體內(nèi)部構(gòu)造如圖3-9所示：3-9駐極體話筒內(nèi)部構(gòu)造VCC2D4VCC2D4S3-10駐極體典型外圍電路R R2的大小可由下式算得：2

V UCC DSIDS

(3.9)式中：U —場效應(yīng)管漏源極兩端的電壓U 必需大于話筒的工作電壓〔通常在1.～12V之間，小DS DS于最大工作電壓U 。太小將影響話筒的動態(tài)范圍，故一般應(yīng)取電源電壓的1/2較為適宜。MDSI ——場效應(yīng)管漏源電流I 等于駐極體的工作電流I，指靜態(tài)時流過話筒的電流工作電流的離散性DS DS0.1～1mA之間。R2不僅是場效應(yīng)管的負載電阻，在電路中它還與后續(xù)放大電路的輸入電阻并聯(lián)后共同構(gòu)成話筒的負R

RL

3～5R2阻值過小常常會引起放大電路輸入阻抗的降低，從而破壞前后級之間的阻抗匹配，使放大器的效率降低。在本電路中，V =12V，則V =V /2=6V，取I =0.1mA，依據(jù)式〔3.9〕計算可得R 60k，電路CC DS CC DS 2100k的滑動變阻器進展調(diào)整。三、主要元器件裝配前的檢測2.3.3。2、電容的檢測2.3.2。3、駐極體的檢測3-11所示：DDS3-11駐極體底部外觀圖從底部外觀上看，與外殼〔地〕短路的半圓是源極S，而另外的半圓是漏極D。可以用數(shù)字萬用表的蜂鳴檔檢測，將紅黑表筆分別任意接觸兩個半圓和外殼，有蜂鳴聲的一個半圓，說明與外殼〔地〕是短路的，則該半圓就是源極S。在圖3-9中，在場效應(yīng)管的柵極與源極之間接有一只二極管，因而可利用二極管的正反向電阻特性來判別駐極體話筒的漏極D和源極S。具體方法：將數(shù)字萬用表撥至二極管蜂鳴檔，黑表筆接任一極，紅表筆接另一極。再對調(diào)兩表筆，比較兩次測量結(jié)果，當測得電壓為1.08V左右時，則紅表筆接的是源極S，黑表筆接的是漏極D；當測得電壓溢出時〔”，則紅表筆接的是漏極D，黑表筆接的是源極S。20k?檔，用紅表筆接漏極DS1.62k?的阻值，1.3~3k?的阻值變化，并且吹氣越強，變化幅度越大。四、前置放大電路的焊接與功能調(diào)試1、檢查各元器件的好壞將前置放大電路的元器件依據(jù)上述檢測方法進展檢測，并將檢測結(jié)果填入表3-3中：3-3前置放大電路元器件檢查狀況元器件識別及檢測內(nèi)容標稱元器件識別及檢測內(nèi)容標稱標稱值(含誤差) 測量值測量檔位R1R2R電阻器3R4R5R6R7R8元器件識別及檢測內(nèi)容標稱標稱值(μF)介質(zhì)C1C2C電容器3C4C5C6C7C13RP1駐極體 RP1駐極體 ZL質(zhì)量好壞IC1LM324質(zhì)量好壞3-2的前置放大電路構(gòu)造，依次進展焊接；上電前檢查，檢查LM324的4、11腳是否與電源和地連接好，檢查電路焊接質(zhì)量，是否存在虛焊、漏焊的狀況并準時改正；通電調(diào)試，通過直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生+12V電壓，將其接入到電路中，測試LM324各管腳直流3-4：3-4LM324各管腳直流電位管腳管腳123456711電壓〔V〕由低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1KHz，電壓10mV〔有效值，可用溝通毫伏表進展測量〕的正弦波信號ui送入C4電容的負極端用數(shù)字示波器在LM324的1腳可以觀看到電壓uo1與輸入信號，電壓有效值為mV，且放大倍數(shù)滿足倍關(guān)系的正弦波，此運放滿足 設(shè)計要求；在LM324的7腳可觀測到uo2電壓有效值為mV，與1腳波形方向的正弦信號，此運放滿足設(shè)計要求。將波形繪制在表3-5中。3-5輸入、輸出電壓波形輸入電壓輸入電壓ui波形周期幅度量程范圍量程范圍輸出電壓uo1波形周期幅度量程范圍量程范圍輸出電壓uo2波形周期幅度量程范圍量程范圍功率放大電路的設(shè)計一、功率放大電路的方案比較方案一：利用三極管實現(xiàn)功率放大。利用三極管可以構(gòu)成OTL甲乙類互補對稱功率放大電路，可以減小交越失真，改善輸出波形；但此假設(shè)此電路靜態(tài)工作點失調(diào)或電路內(nèi)元器件損壞，將造成一個較大電流長時間流過負載，可能造成電路損壞，而且電路設(shè)計較簡單，所用元器件較多，受溫度影響明顯。方案二：集成功放芯片，具有自身功耗低、更內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。經(jīng)比較，應(yīng)選擇方案二。二、主要元器件參數(shù)選擇依據(jù)1、功率放大器選擇型號：LM386功率放大電路通常處于電子設(shè)備的最終一級，能供給足夠大、不失真的信號功率，驅(qū)動功率負載如揚LM386外圍元件少、電壓增益可調(diào)、低失真度等優(yōu)點。其內(nèi)部電路如圖3-12所示：3-12內(nèi)部構(gòu)造圖LM386內(nèi)部電路由輸入級、中間級和輸出級等組成。輸入級由V2、V4組成雙端輸入單端輸出差分放大電路，V3、V5是其恒流源負載，V1、V6是為了提高輸入電阻而設(shè)置的輸入端射極跟隨器，R1、R7為偏置電阻，該級的輸出取自V4、V5的集電極。R5是差分放大電路的放射極負反響電阻，管腳1、8開路201、8間外接旁路電容，以短路R5兩端的溝通200。LM3868腳雙列直插式塑料封裝，管腳排列如圖3-13所示：增益設(shè)定反相輸入同相輸入地

增益設(shè)定旁路電容12312348765輸出3-13引腳排列LM3864～12V660mW300kHz〔1、8開路〕；50kΩ。LM3863-14所示：3-14典型應(yīng)用電路1、83-14RPC2RP即可使集成功20～20073-10C5，C5可與R2組成直流電源去耦電路。中間級是本集成功放的主要增益級，它由V7和其集電極恒流源(I0)負載構(gòu)成共放射極放大電路，作為驅(qū)動級。輸出級由V8、V10復(fù)合等效為PNP管與NPN管V9組成準互補對稱功放電路，二極管V11、V12為V8、V9供給靜態(tài)偏置，以消退交越失真，R6是級間電壓串聯(lián)負反響電阻。3-14中，5腳外接電容C3為功放輸出電容，以便構(gòu)成OTL電路，R1、C4是頻率補償電路，用以抵消揚聲器音圈電感在高頻時產(chǎn)生的不良影響，改善功率放大電路的高頻特性和防止高頻自激。輸入信號C132腳接地，故構(gòu)成單端輸入方式。2、功率放大倍數(shù)確實定依據(jù)前面的計算，系統(tǒng)總放大倍數(shù)應(yīng)當為280倍，前置放大級選擇放大倍數(shù)A 為-10倍，則功率放uf1281、8之間串接阻容電路的R9=50K，C9=10uF。三、主要元器件裝配前的檢測1、LM386的檢測在萬用表電池充分的狀況下，利用數(shù)字萬用表的二極管蜂鳴檔，可快速檢測LM386芯片的好壞。將數(shù)字萬用表撥至蜂鳴檔，用黑表筆接觸11腳，紅表筆依次接觸其他管腳，假設(shè)測得的電壓范圍滿足表3-6所示的電壓，則說明LM386芯片電路完好。3-6LM386各管腳靜態(tài)電壓管腳1234578電壓(V)0.85~0.860.63~0.651.39~1.450.63~0.650.77~0.780.840.82、揚聲器的檢測揚聲器又稱“喇叭”。是一種格外常用的電聲換能器件，在發(fā)聲的電子電氣設(shè)備中都能見到它。揚聲器有兩個接線柱〔兩根引線，當單只揚聲器使用時兩根引腳不分正負極性，多只揚聲器同時使用時兩個引腳有極性之分。一般試驗室用的喇叭的正常電阻值是4、8、12或16200“喀喇”〔小喇叭能不會發(fā)聲〔數(shù)字表輸出電流太小喀喇”聲即為正常。四、功率放大電路的功能調(diào)試1、檢查各元器件的好壞將功率放大電路的元器件依據(jù)上述檢測方法進展檢測，并將檢測結(jié)果填入表3-7中：3-7前置放大電路元器件檢查狀況元器件識別及檢測內(nèi)容標稱元器件識別及檢測內(nèi)容標稱標稱值(含誤差) 測量值測量檔位電阻器R9R10R11RP2喇叭BL質(zhì)量好壞元器件識別及檢測內(nèi)容標稱標稱值(μF)介質(zhì)C8電容器C9C10C11C12IC2LM386質(zhì)量好壞23-2的功率放大電路構(gòu)造，依次進展焊接3、上電前檢查檢查LM386的64、通電調(diào)試接入+12V直流電源，測試LM3863-8：管腳12345管腳12345678電壓〔V〕5、功能調(diào)試由低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1kHz，電壓有效值為10mV的正弦波信號送入LM386的3腳，同時接入8?喇叭通過數(shù)字示波器在LM386的5腳則可觀看到與輸入信號電壓有效值為mV，且放大倍數(shù)滿足倍關(guān)系的正弦波，此電路滿足 設(shè)計要求。6、負載對功率放大倍數(shù)的影響接入負載電阻R=8?，使輸入信號電壓Ui=10mV、f=1kHz，用溝通毫伏表測量輸出電壓U，計L oAu3-9中。R

=∞，重復(fù)上述步驟。L總結(jié)負載對功率放大倍數(shù)的影響。3-9負載對放大倍數(shù)的影響負載狀況負載狀況Ui/mVUo/mVA U/Uu o iRR=8?LR=∞L結(jié)論整機電路調(diào)試及測試結(jié)果分析1、兩級聯(lián)調(diào)，不加反響設(shè)置滑動變阻器RP=5〔101KH，110mV〔有效值，可用溝通毫伏表進