实用低频功率放大器设计

时间：10-02 整理：3721RD 点击：

本电路是一款采用集电极输出，并具有补偿和调零功能的实用低频功率放大器。该设计包括前置放大、功率放大、电源、波形变换、功率指示输出保护电路等部分组成。
关键词：集电极输出工作点漂移补偿交直流电压负反馈高频响应特性幅频特性
引入：
将输入信号放大并向负载提供足够大功率的放大器叫功率放大器。由于功率放大器运行中的信号幅度（电压、电流）大，其突出的问题是要解决非线性失真和各种瞬态失真。所以功率放大器的主要任务是在不失真前提下，放大信号的功率。一般在电路结构上采用不同形式，来减小信号的失真，提高输出功率，满足人们对音响设备的不同需求。经过多方查阅、试验，并对各种方案进行了对比，根据现有的条件进行了设计。
常见的音频功率放大器可分为甲类、乙类和甲乙类三种。另外为了完全消除甲乙类和乙类功率放大器产生的交越失真，近来又出现了超甲类放大器和直流放大器等，可供选择的方案有很多。根据设计题目要求，可供选择的功率放大可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。许多优质功放均是分立功放。但其中只要有一个环节出现问题或搭配不当，则性能很可能低于一般集成功放，为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。
现在市场上也有许多性能优良的集成功放芯片，厚膜块可供选择，典型的例如：LM1875、TDA2040A、TDA1514、TDA1521，功放厚膜块 STK4044XL。集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作易调试等特点，虽不及顶级功放的性能，但已能满足实际的需要。
我们熟悉的集成功放有LM185、TDA2040A、TDAPC1225等，其中TDA2040A功率裕量不大，TDA1514外围电路较复杂，且易自激。这两种功放的低频特性都欠佳，LM1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，它的不足之处是高频特性较差（BW≤70kHz）。而 NE5534无论在噪声、转换速率、增益宽积等方面性能都很优异，因此选用NE5534作推动级的功率放大。
设计要求前置放大输入交流短接到地时，RL=8Ω的电阻负载上的交流噪声功率低于10mV,因此要选用低噪声运放。本装置选用优质低噪声运放NE5532N。设计要求放大电压幅度为5～700mV时,输出都能以P0≥10W满功率不失真输出,信号需放大几十倍;又考虑到运放的放大倍数与通频带的关系,固应采用两级放大.增益调节可用电位器手动调节,也可用自动增益控制,但考虑到题目中的“实用”两字(例如输入信号不是正弦信号,而是大动态音乐信号),本装置采用手动增益调节.
电路原理图见图A-1-1～图A-1-4。
本电路功率推动级选择NE5534，主要承担电压放大任务，由于其在噪声、转换速率、增益宽积等方面优异的指标，而且具有一定的输出电流，做功率推动级很合适。T1、T3分别与T2、T4构成达林顿管，等效为相当于双射随输出，承担电流放大和阻抗匹配任务。本电路比较简洁，调整方便，可兼顾多方面的指标要求，所以选择此方案。
图A-1-1 前置放大级原理

一、主要电路的设计及计算
1．输出额定功率及增益分配
考虑到功率要求，初步选定输出功率P0=16W，由于负载为9Ω（市场上大功率电阻无Ω标称值），则要求输出正弦波幅值为
Vom=(2·po·R)1/2=(2×16×9)1/2≈17(V)
这一幅值同电源电压选择及效率密切相关，将在此后的电源部分进一步讨论。
由于输入正弦波幅值最小为5mV，故整个放大通道的电压增益为
AVO=20Lg(17/5×10-3)≈71dB
      功率放大仍采用大环电压并联负反馈，电压增益为
         AV2=20lg(R3/R1)≈20lg(270kΩ/22kΩ)
所以，前置放大级电压增益为：AV1= AVo- AV2=71-22=49dB确定前置级采用现两级。
2．前置放大级设计
前置放大级主要完成小信号的电压放大任务，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。据此两级放大器都设计为带有并联负反馈的放大器，因电压并联负反馈具有良好的抗共模干扰能力。
第一级前置级增益为
   AV1=(R2/R1)=(150KΩ/10KΩ)=15≈24dB
第二级前置级增益为
   AV2=(R5/R4)=(150KΩ/10KΩ)=15≈24dB
考虑到输入信号的变化范围很大，用RW1做分压器来改变整个系统的增益.为了稳定功放的工作点,前置级与功放级之间采用钽电容(CA)耦合.
3.功率放大级设计
(1)选择功率末级的推动管和输出管
一般推动管T1、T3的电流增益β1在100左右，输出管T2、T4的电流增益β2在40左右。这两类管子的两个关键参数为特征频率ｆT与集电极最大允许耗散功率PCM.
特征频率ｆT与放大电路上限(下降3dB)频率ｆH有如下关系：
ｆT≈ｆh·β
系统阶跃响应的上升时间tr与放大电路上限频率ｆh如下关系：
tr·ｆh≈0.35
推动管T1、T3的特征频率
ｆT≥(0.35/ tr) β1=(0.35/12×10-5) ×100≈3MHz
输出管T2、T4特征频率为
ｆT≥(0.35/ tr) β2=(0.35/12×10-5) ×100≈1MHz
对乙类OCL 放大器来说,PTM≈0.2POM. POM为单管最大管耗, POM最大不失真输出功率(假设为16W),甲乙类OCL应大于此。因此输出管PCM＞0.2×16W≈3W.
根据以上计算,并考虑到指标提高及工程实际,推动管选用对管2SB649﹑不2SD669,其参数ｆT=140MHz,PCM=15W,VCEO=180V.输出管选用对管2SA6114,2SC2707,其参数为ｆT=60MHZ,PCM=150W,VCEO=180,可以满足设计要求.
（2）功率放大器各管的工作点
考虑到本电路工作于甲乙类，若设效率为70%，则允许末级管耗PT为输出功率之30%。
PT=2VCC×Ieo=0.3PO(VCC≈21V,)
Ieo=(0.3×16/42)=0.114(A)
VR14=0.7+ Ieo·R14=0.725(V)
Ie1≈(VR14/R)=0.022(A)
Ub1≈0.7+ Ie1·R10=1.18(V)
RW2=(Vcc-Ub1)/｛(Ub1—Ud1)/[ R8＋(RW3/2)]｝
≈(21-1.18)/(0.48/250)=9.8(kΩ)
（3）要做到尽量小的失真
由于采用OCL电路，首先要保证正、负两边放大电路的对称，包括电源值的对称，T1与T3，T2与T4的放大倍数β相等，对应电阻值、二极管压降相等；第二为了减小交越失真，应把T1～T4的工作点适当提高。实际上电源值很难达到对称，尤其是推动管T1、T3和输出管T2、T4的β值更做不到对称相等。补偿方法一是通过调节RW2，RW4，RW1使输出点TP2-2的静态电位尽量接近零伏，二是为了补偿由于管结温的升高其β值的增加，采用具有负温度系数的二极管D1、D2（IN4148）对其进行补偿。同理具有负温度系数的热敏电阻RT也具有相同的作用(见图A-1-2).

4.电源电路的设计
⑴如前所述,本电路输出正弦波幅值为Π=17V,从提高效率考虑，功放级电源电压越接近17越好，但考虑到管压降等因素，选取用了一个双18V变压器。经整流滤波可得VCC≈±21V电压。在这种情况下，若本电路工作于乙类，则效率η为
η=∏/VCC=17/21≈64%
实际上，由于工作于甲乙类，效率将更低，若初步将效率定为60%，则要求变压器的输出功率Pdc为
Pdc=P0M/η=16/0.6=26.7W
（2）考虑系统其他部分的耗能及留有裕量，选择了一个40W、双18V输出变压器。
整个系统既存在大信号（功放级），也存在小信号（前置级），所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干抗。因此要采取单点接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上（见图A- 1-3）。

5．功率指示和保护
本电路附加了一功率指示和功率保护电路，其原理简述如下：从图A-1-3中F 点输出的信号经一电阻采样，送入TA7366（5位电平指示器，见图A-1-4），适当调整采样电阻的值，使电平指示的最高位对准本功放的临界失真功率。当最高位LED点亮时，其压降约1.8V，以此电压触发单向可控硅，再推动继电路，将功放通道的电源断开。不需要保护时只需将可控硅的阳极断开。
6.各部件的安放位置
变压器远离前置板和输入点；散热片靠外，远离前置板；IN4148，RT尽量靠近散热片。