《電子電路設(shè)計(jì)與制作》 任務(wù)四 功率放大器的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)四功率放大器的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述設(shè)計(jì)并制作一個(gè)功率放大器，能夠利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的β倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流放大，實(shí)現(xiàn)功率放大。二、任務(wù)分析功率放大器通常由3部分組成：前置放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、末級(jí)功率放大器。（1）前置放大器起匹配作用，其輸入阻抗高（不小于10kΩ），可以將前面的信號(hào)大部分吸收過(guò)去，輸出阻抗低（幾十Ω以下），可以將信號(hào)大部風(fēng)傳送出去。同時(shí)，它本身又是一種電流放大器，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，并給予適當(dāng)?shù)姆糯蟆＃?）驅(qū)動(dòng)放大器起橋梁作用，它將前置放大器送來(lái)的電流信號(hào)作進(jìn)一步放大，將其放大成中等功率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)末級(jí)功率放大器正常工作。如果沒(méi)有驅(qū)動(dòng)放大器，末級(jí)功率放大器不可能送出大功率的聲音信號(hào)。（3）末級(jí)功率放大器起關(guān)鍵作用。它將驅(qū)動(dòng)放大器送來(lái)的電流信號(hào)形成大功率信號(hào)，帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，它的技術(shù)指標(biāo)決定了整個(gè)功率放大器的技術(shù)指標(biāo)。功率放大器的主要性能指標(biāo)：輸出功率：是指功放電路輸送給負(fù)載的功率。人們對(duì)輸出功率的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)方法很不統(tǒng)一，使用時(shí)注意。①額定功率（RMS）：它指在一定的諧波范圍內(nèi)功放長(zhǎng)期工作所能輸出的最大功率（嚴(yán)格說(shuō)是正弦波信號(hào)）。經(jīng)常把諧波失真度為1%時(shí)的平均功率稱為額定輸出功率或最大有用功率、持續(xù)功率、不失真功率等。很顯然規(guī)定的失真度前提不同時(shí)，額定功率數(shù)值將不相同。②最大輸出功率：當(dāng)不考慮失真大小時(shí)，功放電路的輸出功率可遠(yuǎn)高于額定功率，還可輸出更大數(shù)值的功率，它能輸出的最大功率稱為最大輸出功率，前述額定功率與最大輸出功率是兩種不同前提條件的輸出功率。③音樂(lè)輸出功率（MPO）：音樂(lè)輸出功率MPO是英文MusicPowerOutpur的縮寫，它是指功放電路工作于音樂(lè)信號(hào)時(shí)的輸出功率，也就是輸出失真度不超過(guò)規(guī)定值的條件下，功放對(duì)音樂(lè)信號(hào)的瞬間最大輸出功率。④峰值音樂(lè)輸出功率（PMPO）：它是最大音樂(lè)輸出功率，是功放電路的另一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，若不考慮失真度功放電路可輸出的最大音樂(lè)功率就是峰值音樂(lè)輸出功率。頻率響應(yīng)：反映功率放大器對(duì)音頻信號(hào)各頻率分量的放大能力，功率放大器的頻響范圍應(yīng)不低于人耳的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍，因而在理想情況下，主聲道音頻功率放大器的工作頻率范圍為20-20kHz。國(guó)際規(guī)定一般音頻功放的頻率范圍是40-16kHz±1.5dB。失真：是重放音頻信號(hào)的波形發(fā)生變化的現(xiàn)象。波形失真的原因和種類有很多，主要有諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等。動(dòng)態(tài)范圍：放大器不失真的放大最小信號(hào)與最大信號(hào)電平的比值就是放大器的動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，該比值使用dB來(lái)表示兩信號(hào)的電平差，高保真放大器的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于90dB。自然界的各種噪聲形成周圍的背景噪聲，而周圍的背景噪聲和演奏出現(xiàn)的聲音強(qiáng)度相差很大，在通常情況下，將這個(gè)強(qiáng)度差稱為動(dòng)態(tài)范圍，優(yōu)良音響系統(tǒng)在輸入強(qiáng)信號(hào)時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生過(guò)載失真，而在輸入弱信號(hào)時(shí)，有不應(yīng)被自身產(chǎn)生的噪聲所淹沒(méi)，為此好的音響系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，噪聲只能盡量減少，但不可能不產(chǎn)生噪聲。信噪比：是指聲音信號(hào)大小與噪聲信號(hào)大小的比例關(guān)系，將攻放電路輸出聲音信號(hào)電平與輸出的各種噪聲電平之比的分貝數(shù)稱為信噪比的大小。輸出阻抗和阻尼系數(shù)：①輸出阻抗：功放輸出端與負(fù)載（揚(yáng)聲器）所表現(xiàn)出的等效內(nèi)阻抗稱為功放的輸出阻抗；②阻尼系數(shù)：阻尼系數(shù)是指功放電路給負(fù)載進(jìn)行電阻尼的能力。三、相關(guān)知識(shí)（一）功率放大器的種類傳統(tǒng)的功率放大器主要有A類(甲類)、B類(乙類)和AB(甲乙類)，除此之外，還有工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的D類（丁類）功放。A類功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過(guò)功率放大器件,其晶體管總是工作在放大區(qū)，并且在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)晶體管始終工作在線性放大區(qū)域，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的失真比較小,缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍小、效率低，理想情況下其效率為50%,考慮到晶體管的飽和壓降及穿透電流造成的損耗,A類功率放大器的最高效率僅為45%左右。B類功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間為50%,因?yàn)槠渚w管只在輸入信號(hào)的正半周工作在放大區(qū)，在輸入信號(hào)的負(fù)半周是截止的。它的優(yōu)點(diǎn)是效率理想情況下可達(dá)78.5%,比A類的提高了很多，其缺點(diǎn)是非線性失真卻比甲類功放大，而且會(huì)產(chǎn)生交越失真,增加噪聲。AB類(甲乙類)功率放大器是以上兩種放大器的結(jié)合,使每個(gè)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間在50%～100%。此類放大器目前最為流行,它兼顧了效率和失真兩方面的性能指標(biāo),在設(shè)計(jì)該功率放大器時(shí)要設(shè)置功率晶體管的靜態(tài)偏置電路,使其工作在甲乙類狀態(tài)。這類功放失真小于乙類功放，但其效率比乙類功放要低一些。D類功率放大器又叫開(kāi)關(guān)型功率放大器，現(xiàn)在又有人稱之為數(shù)字功率放大器。它利用晶體管的高速開(kāi)關(guān)特性和低的飽和壓降的特點(diǎn)，效率很高，理論上可以達(dá)到100%，實(shí)際上可以達(dá)到90%。此電路不需要嚴(yán)格的對(duì)稱，也不需要復(fù)雜的直流偏置和負(fù)反饋，使穩(wěn)定性大大提高。用同樣的功耗的管子可得到比AB類放大器高4倍功率的輸出。D類功放的功率器件受一高頻脈寬調(diào)制(PWM)脈沖信號(hào)的控制,使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),理論上其效率可達(dá)100%。因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積，在體積、效率和功耗上要求較高的場(chǎng)合具有很大的優(yōu)勢(shì)。另外，現(xiàn)代保真音響系統(tǒng)常采用數(shù)字音頻設(shè)備如CD、DAT（digitalaudiotape），近年發(fā)展起來(lái)的DVD、計(jì)算機(jī)多媒體設(shè)備、MP3等也都是數(shù)字音頻信號(hào)源。數(shù)字音頻信號(hào)采用脈沖編碼調(diào)制技術(shù)（PCM），信號(hào)分辨率通常為12位或16位，采樣頻率為44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于數(shù)字信號(hào)在存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)出來(lái)上的優(yōu)點(diǎn)，使人們開(kāi)始追求數(shù)字式功放代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬功放，這也使得D類功率放大器受到更大的關(guān)注。D類放大器雖然具有很高的效率,但由于功率晶體管的開(kāi)關(guān)工作方式,D類放大器引入的失真通常大于線性放大器,這是目前D類放大器在音頻放大領(lǐng)域并未得到廣泛應(yīng)用的主要原因。隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展,高速、大功率器件已越來(lái)越多,人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化,所以D類(丁類)音頻功率放大器越來(lái)越受到人們的重視。（二）集成功率放大電路集成功率放大電路種類很多,一般用集成功放和外圍元件構(gòu)成OTL或OCL電路,集成功放具有體積小、工作穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn),因而獲得了廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)目以LM386和TDA2030A為例對(duì)集成功率放大器作一介紹。1.集成功放芯片LM386LM386是一種低電壓通用型低頻集成功放。該電路功耗低、允許的電源電壓范圍寬、通頻帶寬、外接元件少,廣泛用于收錄音機(jī)、對(duì)講機(jī)、電視伴音等系統(tǒng)中。（1）LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)LM386內(nèi)部電路如圖所示，共有3級(jí)。VT1～VT6組成有源負(fù)載單端輸出差動(dòng)放大器作輸入級(jí)，VT5、VT6構(gòu)成鏡像電流源作差放的有源負(fù)載以提高單端輸出時(shí)差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)。中間級(jí)是由VT7構(gòu)成的共射放大器,也采用恒流源I作負(fù)載以提高增益。輸出級(jí)由VT8～VT10組成準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功放,VD1、VD2組成功放的偏置電路以利于消除交越失真。（2）LM386管腳介紹引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；引腳7和地之間接旁路電容，通常取10μF。（3）LM386特性●靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電●工作電壓范圍寬,4-12Vor5-18V●外圍元件少●電壓增益可調(diào),20-200●低失真度（4）LM386典型應(yīng)用電路如圖4-3-a，當(dāng)1、8腳開(kāi)路時(shí),負(fù)反饋?zhàn)钌?電壓放大倍數(shù)最小,設(shè)定為Auf=20。如圖4-3-b，當(dāng)1、8腳間接入10μF電容時(shí),內(nèi)部1.35kΩ電阻被旁路,負(fù)反饋?zhàn)钊?電壓放大倍數(shù)最大,Auf=200（46dB）。如圖4-3-c，當(dāng)1、8腳間接入電阻R和10μF電容串接支路時(shí)，調(diào)整R可使電壓放大倍數(shù)Auf在20～200間連續(xù)可調(diào)，且R越大,放大倍數(shù)越小。當(dāng)R2=1.24kΩ時(shí),Auf=50。放大器增益=20放大器增益=200

放大器增益=50低頻提升放大器LM386放大增益電路2.集成功放芯片TDA2030TDA2030是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖4-4所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。（1）管腳介紹

1腳是正相輸入端2腳是反向輸入端3腳是負(fù)電源輸入端4腳是功率輸出端5腳是正電源輸入端。（2）特性●外接元件非常少；●輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)；●采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密