2014届本科毕业设计集成功率放大器的设计
姓名：燕历科
系别：物理与电气信息学院
专业：通信工程
学号：100313040
指导教师：曹连江
2014年4月17日
商丘师范学院学士学位毕业设计
目录
摘要与关键词...................................................................... II
0 引言 (1)
1 概述 (1)
1.1系统概述 (1)
1.2 设计目的 (2)
1.3设计任务 (2)
2 LM386工作原理 (2)
2.1 LM386的主要参数 (2)
2.2 LM386的引脚和典型接法 (2)
2.3 LM386的电路框图及工作原理图 (3)
3 电路设计与分析 (4)
3.1 电路总体结构框图 (4)
3.2 部分电路结构分析 (5)
3.2.1电源输出入部分电路 (5)
3.2.2 差分输入级 (6)
3.2.3中间放大级 (6)
3.2.4OTL输出级 (7)
4元器件明细表 (7)
5结语 (8)
参考文献 (8)
致谢 (9)
集成功率放大器的设计
摘要
电子技术的迅速发展使得集成功率放大器成为现今的主流功放，本次利用LM386设计电压增益可以调节的双输出功放，该功放不仅具有一般集成电路轻便小巧，成本低廉，外部接线大大减少，可靠性高的特点；而且还具有温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小等优点，此外它还可以将各种保护电路，如过流保护、过热保护以及过压保护等也集成在芯片内部，使用更加安全。
关键词
集成功率放大器；LM386；电压增益可调
Design of integrated power amplifier
Abstract
The rapid development of electronic technology makes the integrated power amplifier power amplifier become mainstream today, the dual output power amplifier is designed by the use of the LM386 , whose voltage can be adjusted , not only has the general integrated circuit, portable, low cost, external wiring is greatly reduced, the characteristics of high reliability;but also has good temperature stability, High power utilization, low power consumption, the advantages of nonlinear distortion is small, In addition it can also be a variety of protection circuit, overcurrent protection, overheat protection and overvoltage protection is integrated in the chip, the use of it is more security.
Keywords
integrated power amplifier; LM386; the voltage gain which can be adjusted
0 引言
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[1]也随着科技的不断进步得到了很大的发展。首先是早期的晶体管功放，随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出电容的功率放大电路OCL （Output Capacitor Less）电路[2]或无输出变压器的功率放大电路OTL（Output Transformer Less）电路[3]，最后发展到现在的主流功放——集成功率放大器。
集成功率放大器除了具有一般集成电路的公共特点，例如成本低廉，轻便小巧，外部接线减少，因而除使用方便及可靠性高等以外，从功率放大器的要求看，还有一些突出的优点，主要有温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小等，还可以将各种保护电路，如过流保护、过热保护以及过压保护等也集成在芯片内部，使用更加安全。功率放大器的具体特点和要求如下：
输出功率较大，为此要求放大电路的输出电压和输出电流都要有足够大的变化量。所谓最大输出功率就是指在输入正弦波信号下，输出的波形不超过规定的非线性失真时，放大电路的最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。
具有较高的效率，直流电源提供放大电路输出给负载的功率。在输出功率较大的情况下，效率问题非常突出。若功率放大电路的效率不高，不仅会造成能量的浪费，而且还会将消耗在电路内部的电能转换成为热量，致使晶体管、电阻等元器件的温度升高，因而要求选用具有较大容量的放大管，其他元器件及设备，这样算下来很不经济。
尽量减小非线性失真，在功率放大电路中，三极管的工作点会在大范围内发生变化，致使三极管特性曲线的非线性问题充分暴露出来，因此输出波形的非线性失真比之小信号放大电路要严重得多。因此在实际的功率放大电路中，应根据实际负载的要求来规定允许的失真度范围。
性能指标以分析功率为主，着重计算三极管的输出功率、三极管的消耗功率、电源的供给功率和效率。由于功率管处于大信号工作状态，所以在分析计算时只能采用图解法估算，不能用微变等效电路法分析。
就目前发展形势来看，利用集成电路工艺已经能够生产出种类繁多的集成功率放大器。从用途划分，有通用性功放和专用型功放，前者适用于各种不同的场合，用途非常广泛；后者专为某种特定的需要而设计，例如专用于收音机、录音机或电视机等的功率放大电路。从芯片内部的构成划分，有单通道功放和双通道功放，后者可以用于立体声音响设备中。从输出功率划分，有小功率功放和大功率功放等，有的集成功放输出功率在1瓦之下，而有的集成功率输出功率则可高达几千瓦。
1 概述
1.1 系统概述
LM386[4]是美国的国家半导体公司生产的音频功率放大器，它主要被应用于低电压消费类产品。LM386使外围元件大大减少，其内置电压增益约为20倍（26dB），但在其1脚和8脚之间增加一只外接电阻或电容，便可将电压增益调为任意值，直至200倍(46dB)。输入端以地为参考，同时输出端被自动地偏置到电源电压的一半，工作电压范围宽，4V至12V 或5V至18V，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW。使得LM386特别适用于电池供电的场合，因此LM386将会主要应用于低电压应用设计的音频功率放大器、集成电路适用于调幅 - 调频、无线电放大器、便携式磁带重放设备、内部通信电路、电视音频系统、线性驱动器、超声波驱动器以及功率变换电路[5]等各种电子电气设备设计上。
1.2 设计目的
本设计是一个利用集成功放LM386的音频功率放大器，在设计中运用了功率放大的知识，结合放大电路与LM386芯片对功率放大实现音频的放大。介于集成功放的这些优点，本次毕业设计的目的就是设计一个轻便、小巧、实用的可以调节音量大小的迷你音响。
1.3 设计任务
（1）整个电路设计一共由输入级、中间级以及输出级三大部分组成，其中： 输入级是用100μF 耦合电容[6]和100k Ω电位器构成的电路，它具有隔直、调节音量及增益的作用；
中间级是用集成运放LM386以及电阻、电容构成的增益放大电路；
输出级是用低通滤波器[7]以及扬声器构成的电路，其中L 1为高频扼流圈。当高频噪声被L 1扼制时，通过R 4及C 5流入地线。所需要的低音频信号就会通过L 1、C 4，然后流经扬声器放出音乐。
（2）对已经设计好的集成功放进行系统测试，确认设计无误后再对各个模块进行系统调试，以达到设计完美的系统性能指标，从而实现本次设计的目的。
2 LM386工作原理
2.1 LM386的主要参数
表1 LM386主要技术指标（大气温度T A =25℃）
参数
测试条件
最小 典型 最大 单位 工作电源电压（V +） 4 12 V 静态电流（I Q ） V +=6V , U i =0 4 8 mA 输出功率（P o ） V +=6V , R L =8Ω, THD =10% 250
325 mW 电压增益（Au ）
V +=6V , f =1kHz ,
引脚1、8间接10μF 的电容
26
dB 带宽（BW ） V +
=6V ,引脚1和8开路 300 kHz 总谐波失真（THD ）
V +=6V , R L =8Ω, P o=125m W, f =1kHz ,引脚1和8开路 0.2 % 电源抑制（PSRR ） V +=6V , f =1kHz,C B =10μF 引脚1和8开路,指输出端
50 dB 输入电阻（r i ）
50 kΩ 输入偏置电流（I IB ）
V +=6V ,引脚2和3开路
250
nA
2.2 LM386的引脚和典型接法
2
1
增益控制 1反相输入端 2同相输入端 3
地 4
8 增益控制7 旁路电容Cb 6 V+5 输出端
图1 LM386引脚图
LM386一共有8个引脚，其中每个引脚的功能如图1所示，如果将引脚1和8两端之间开
路，则功率放大电路的电压增益倍数约为20倍。如果将引脚1和8两端之间仅仅接入一个大电容C ，则该段电路相当于交流短路，此时的电压增益倍数约为200倍。当引脚1和8两端之间接入不同阻值的电阻时，就可以得到20到200之间的电压增益倍数。但接入的电阻必须与一个大电容C 串联在一起，即在1和8两端之间接入的元器件不能改变放大电路的直流通路。
10Ω
+
LM38661
8
5
742
3
+
V +
U i
10KΩ
C ?*
C ?*C ?*
C ?*
10μF 250μF
0.05μF C b
图2 增益为200的典型接法
集成运放LM386的典型接法如上图2所示。交流输入信号U i 加在LM386的同相输入端3，LM386的反相输入端2接地。输出端5通过一个大小为250μF 的大电容接到一个大小为8Ω的负载电阻（扬声器）上，此时LM386、电阻和电容元器件就组成了OTL 准互补对称电路。LM386的引脚6接直流电源V +
，引脚4接地。引脚7则先通过一个旁路，然后经过一个电容C b 接地。引脚1和8两端之间仅接入一个10μF 的电容，不接入任何电阻时，此时的电压增益达到最大，约为200倍。由于在本次的功率放大器的设计过程中采用放大增益可以调节的功放，所以在引脚1和8之间采用的是电容和电位器的串联，这样才能通过滑动电位器来改变功放的放大倍数，达到此次设计增益可调的功率放大器的目的。由于扬声器是感性负载[8]，会使电路容易产生自激振荡或出现过压，以至于损坏LM386中的功率三极管，故在功放电路的输出端5接入10Ω电阻与0.05μF 电容的串联电路来进行补偿，使负载扬声器接近于纯电阻。
2.3 LM386的电路框图及工作原理图
输入 输出 差分输入级 中间放大级 OTL 输出级 U i
图3 LM386电路框图
如图3的电路框图所示，LM386集成功放属于直接耦合的多级放大器，它是一个三级
放大电路。其输入级由差分放大器组成，它可以克服因直接耦合而产生的零漂现象，从而使电路稳定工作。中间放大级要求有较高的电压增益，因此由共射放大电路组成，它为输出级提供足够大的信号电压，中间放大级是该电路框图的核心部分。输出级要驱动负载，所以要求输出电阻小，输出电压幅度高，输出功率大，因此采用互补对称功放电路。
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2
1D
C
B
15k 15k
150 1.35k
15k
50k
50k
2
6
5
4
3
1
8
7
R 3R 2R 1R 4R 5R 6R 7V T 1
V T 2
V T 3
V T 4
V T 6
V T 5
V T 7
V T 8
V T 9
V T 10
V D 1
V D 2
图4集成功放LM386电路原理图
由图3、4可见，集成功放LM386的内部包括三个放大级，即输入级、中间级和功率输
出级。
输入级为双端输入、单端输出的差分放大电路。其中PNP 型三极管VT 1与VT 2以及VT 3
与VT 4分别组成了两个复合管，作为差分放大管。NPN 型三极管VT 5和VT 6则组成了镜像电流源，二者分别作为两个差分放大器的有源负载。放大后的信号最终由VT 3的集电极输出，再传送到中间级。
中间级是由NPN 型三极管VT 7组成的共射放大电路，恒流源作有源负载，可以用来增大放大倍数。
输出级是由PNP 型三极管VT 8和NPN 型三极管VT 9组成的PNP 三极管型复合管，最后再与NPN 型三极管VT 10组成准互补对称电路。二极管VD 1和VD 2起到了在两个功率放大管的基极之间提供一个偏置电压的作用，它能使功率放大管在静态时能够存在一个比较小的集电极电流，以防止产生明显的交越失真[9]。
从输出端5到VT 3的发射极1端之间通过电阻R 6引入一个电压串联负反馈，它起的作用是减小输出波形的非线性失真，提高带负载能力，以及展宽通频带等。
引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL 电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。
3 电路设计与分析
3.1 电路总体结构框图
由于此次设计的是双声道的功率放大器，所以上、下两部分电路几乎是完全相对称，两部分的电路工作原理也完全相同，因此在对电路工作原理作出解释时，仅拿上半部分电路为例进行分析。
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3
26815
74
3
26185
74
3
2 lm386
lm386
C 1
C 2
C 3C 5
C 4
C 11
C 12
C 7
C 6
C 8C 9
C 10
R 1
R 2R 3
R 4
R 6
R 5
R 7
R 8
Vcc
Vcc
Vcc
S 1
S 3
S 2L 1
L 2
LS 1
LS 2
图5电路整体结构框图
3.2 部分电路结构分析
3.2.1 电源输出入部分电路
3
2
C 1
C 11
C 12
R 1
Vcc
Vcc
S 3
图6 电路电源输入部分
如上图6所示，电源V CC 用6V 的直流电源供电，该电源可用220V 的交流电源经过变压器变压输出6V 的直流电压。图中的开关S 3可控制电源V CC 的连接与断开。电路中的耦合电容C 1(100μF)和电位器R 1(100k Ω)起到了隔直、调节音量以及改变增益的作用。
另外该电路的电源并接上了C 11(220μF)和C 12(10nF)的电容，这两个电容器可以起到滤除变压器提供的掺杂在直流电源中的纹波[10]，使得提供给集成运放电路的6V 电压保持恒定不变。
3.2.2 差分输入级
6815
74
3
2 lm386
C 1
C 3R 1
Vcc
图7 电路输入级
如上图7所示， LM386的2脚接地，输入信号由同相输入端3脚接入放大器。对于300Hz 至3.4KHz 的音频信号，耦合电容C 1(100μF)的阻抗为0.47Ω至5.2Ω。当R 1的滑点在滑动变阻器的最底端时，就会使集成运放LM386的输入端造成短路，使输入电压为零，此时增益最小即音响音量也零；当R 1的滑点在滑动变阻器的最顶端时，输入电压为音频交流电压，且此时增益也最大。（此时应调节滑动变阻器R 2上的输入阻值，从而使集成运放的固有增益达到最大，约为200） 3.2.3 中间放大级
3
2
6815
74
3
2 lm386
C 2
C 3R 1
R 2R 3
S 1
图8电路放大级
如上图8所示，该电路中间放大级是由集成运放LM386、R 2、R 3、C 2、C 3等组成的放大电路。
工作原理：输入信号通过C 1耦合输入到集成运放LM386，当需要大增益时，需将开关S 3闭合，集成运放LM386的5输出端经过R 3反馈[11]到反相端输入端，形成电压并联反馈。当R 2的滑点滑到滑动变阻器的中点时（此时R 2的接入电阻为5k Ω），集成运放LM386的放大倍数约为-50，根据反相比例运算关系计算可知，如果放大倍数约为-50。
则:
50k 5R 3
-=-
Ω
(1) Ωk 250
R 3=? (2)
由公式（1）、（2）可知反馈电阻R 3约为250k Ω，根据市场上电阻阻值有240k Ω和270k Ω，同时为保证50的增益，故选择270k Ω。
当需要小增益时，需将开关S 3断开，靠运放固有放大增益实现放大作用，在LM386的1脚和8脚之间接有一个可变电阻R 2和和一个10μF 电容C 2，可以调节可变电阻的输入电路阻值将电压增益调为任意值，直至-200（反向放大）。 当R 1的滑点在滑动变阻器的最底端时，就会使集成运放LM386的输入端造成短路，使输入电压为零，此时增益最小即音响音量也零；当R 1的滑点在滑动变阻器的最顶端时，输入电压为音频交流电压，且此时增益也最大。（此时应调节滑动变阻器R 2的输入阻值使运放的固有增益达到最大，约为200）
对于中间放大级总的来说就是使用两种增益对音频信号就行放大，当需要较小的增益时，可断开反馈电阻上的开关S 1、S 2（与R 7相连的开关），用LM386本身的放大增益进行放大；若需要较大的增益时，就需将LM386增益调至最大，同时将S 1、S 2闭合，滑动音量调节钮(R 2、R 6)即可大范围调节输入电压及增益。 3.2.4 OTL 输出级
3
2C 5
C 4
R 4
S 1
L 1
LS 1
图9电路输出级
如上图9所示，该电路的输出级是由低通滤波器、电容、扬声器组成。
其中L 1为高频扼流圈[12]。对于频率为300Hz 至3.4KHz 的音频信号，1.0mH 的线圈阻抗值约为1.9Ω至21.3Ω，对于频率100KHz 的高频噪声信号，1.0mH 的线圈阻抗值约为630Ω，故可选1.0mH 的线圈作为此输出级的高频扼流圈。
当输出的为高频噪声时，该信号就会被高频扼流圈L 1扼制，通过R 4后再经C 5流入地线。当输出的为300Hz 至3.4KHz 的低音频信号时，信号能通过L 1、R 4、C 4，但是由于C 5的阻抗约为0.99k Ω至11k Ω，故该低音频信号只能先流经C 4(其中C 4起着隔直、耦合的作用：隔断直流电压，因为直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈，同时耦合音频的交流信号)，然后再经过扬声器LS 1使其放出音乐。
4 元器件明细表
本次设计所需要的所有元器件如表2所示。
表2元器件明细表
元器件名称参数备注
C1、C6100μF 电容x2 C2、C3、C7、C810μF 电容x4
C4、C9、C11220μF 电容x3
C1210nF 电容x1
C5、C1047nF 电容x2
R3、R7270kΩ电阻x2
R4、R810Ω电阻x2
R1、R5100kΩ电阻x2
R2、R610kΩ电阻x2
L1、L21mH 电感x2电源适配器220V交流到6V直流x1
LM386 x2
开关S x3扬声器LS1、LS2x2
合计30
5 结语
这次毕业论文设计给我留下了深刻印象，尤其是对于未知知识的探索和理解，整个过程都充满着乐趣和成就感，刚开始的时候我对集成功率放大器的认识是非常肤浅的，但是经过网络与书本、老师与同学的帮助最终使我对它有了一个全新的认识，虽然我能借助许多的资料、询问旁边的老师，但是在电路的设计过程中仍然遇到了不少问题，包括对原理的理解，protel软件的安装、学习与应用，实验电路的设计与调试，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，在调试过程中不能出现理想实验结果的情况，但是在经过对问题的仔细分析以及对实验器材的进一步认真调试，终于一步步的解决问题，并最终得出了理想的实验结果。
参考文献
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致谢
在本设计的过程中得到了曹连江老师和同学的全力指导和帮助，使我对集成功率放大器的设计知识有了一个较全面的了解。之后我对我所搜集的相关材料进行了认真的筛选和学习理解，使我在论文设计报告时少走了许多弯路。这一次的毕业设计，我的收获是巨大的，首先，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计制作理念中，我觉得这是这是一个非常有意义的过程。在写开题报告时，结合老师和同学对我提出整改意见，使我顺利完成开题报告。在写初稿时，曹老师给我们介绍了论文的具体方法，内容中分为几个部分，模式如何写等。在我写本论文之前，曹老师对我的选题进行了悉心的指导，并给了我很多的鼓励，对于曹老师给我的不倦的指导我深表感谢！还有我的同学，也给了我很多的帮助，谢谢大家！
大学美好的四年很快就要过去了，我们即将离开这座知识的殿堂而踏上新的征程，到社会上去锻炼自己。回顾这四年，老师在生活和学习上都给了我们许多的指导和帮助。在这里，我要向物理与信息工程系的所有老师表示感谢，并祝他们身体健康，工作顺利，万事如意！