学号：
XX大学
毕业设计
题目：低频功率放大器的研究与设计
作者届别
系别专业电子信息工程指导老师职称教授
完成时间
摘要
本论文以毕业设计任务书为根据，在反复复习、巩固低频电压放大与功率放大专业知识的基础上，进行了较好的方案论证和电路的参数指标分析，成功地设计了由双运放组成的前置小信号放大器；之后又由分立元件设计了共模抑制比较高、非线性失真小，且具有深度负反馈的三级级联功率放大器，完全达到了任务书提出的指标要求。
关键词：前置放大；功率放大；达林顿BJT
Abstract
This paper designed to graduate under the mandate of the repeated review, consolidate and enlarge low-voltage power amplifier expertise on the basis of a better demonstration of the programme and the parameters of circuit analysis, design successfully transported by double-group 10% of the pre-small-signal amplifier; followed by discrete components designed common mode in a relatively high, nonlinear distortion small, Juju deep negative feedback cascade of three power amplifier, fully meet the mandate of the indicators proposed requirements.
Key words: preamplifier, power amplifier; Darlington BJ
目录
摘要.......................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... II 第一章: 绪论. (1)
1.1 背景综述 (1)
1.1.1 国内对本课题的研究动态 (1)
1.1.2 依据和意义 (1)
1.2 课题任务 (2)
1.3 论文的编排 (2)
第二章: 方案论证 (3)
2.1 基本思路 (3)
2.2 基本方案组成框图及原理 (3)
2.3 主要参数指标分析 (4)
第三章: 电路设计 (5)
3.1 前置放大级电路设计 (5)
3.2 功率放大级电路设计 (6)
3.3 数字音量控制和电平指示电路设计 (8)
第四章: 总结 (11)
4.1 所做工作的回顾 (11)
4.2 体会与收获 (12)
致谢 (13)
参考文献 (14)
第一章: 绪论
1.1 背景综述
1.1.1 国内对本课题的研究动态
随着科技的不断进步和电子化产品的日益普及，电子产品的规模和体积有了巨大的变化，各种复杂电路不断出现，体积不断缩小，产品更新的速度不断加快。这些新的变化使得电路的设计工作变得日益复杂和繁重。电子产品设计时使用常规的人工方法，要耗费大量的人力和财力，近年来，随着无线通讯的飞速发展，无线通信里的核心部分—无线收发器越来越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的体积，而作为收发器的最后一级，功率放大器所消耗的功率在收发器中已占到了60%～90%，严重影响了系统的性能。所以，设计一种高效低谐波失真的功率放大器对于提高收发器效率，降低电源损耗，提高系统性能都有十分重大的意义。目前，无论国内外，低频功率放大电路多数都已集成化和小型化，这是一个总的发展趋势。
1.1.2 依据和意义
设计的依据
在本设计制作过程中，首先对电压放大和功率放大的概念作一说明。从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，通常是在大信号下工作，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率。这些知识在所学技术基础课中均已讲授，再参考些技术资料，便可进行设计。
设计的意义
随着科技的发展，人们生活水平的提高，人们的生活方式有了很大的改变，不再以物质享受为主，而是要能更好的享受生活，比如对电器的使用不再注重只要可以使用，而是更注重产品的质量好坏所带来的效果。因此，制造安全先进的电器能给人民带来生活上的方便。落后的家用电器给人们带来了困扰，先进的电器更适合现代人民的生产生活，人民生活舒适显得非常重要。因此，设计低频功率放大器，高保真的音频功放，能让人民享受到更优美的音乐，生活更舒适。因此设计低频功率放大器是很有意义的。
毕业设计是带有研究性质的专题研究分析和工程设计，是完成教学任务、培养人才的一个重要实践性教学环节。通过毕业设计，可以培养学生的开发和设计能力，提高综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力，对于检验学生的学习效果等也具有重要意义。本课题与本人所学专业知识结合非常紧密，通过毕业设计，可以对所学过的基础理论和专业知识进行一次全面、系统地回顾和总结，使理论和实践相结合，巩固和拓展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能，提高工程实践能力和创新意识，为参加工作打下一定的基础。
1.2 课题任务
（1）总结出与设计任务有关的几种低频功率放大电路的设计方法。
（2）设计一个低频功率放大电路，达到如下要求：
A）放大通道的正弦输入电压幅度为5mv～700mv,等效负载电阻R
L
=8Ω。
B）能输出功率P
OR
≥10W。
C）带宽达到BW≥100H
Z ～5KH
Z
。
D）非线性失真不大于3%。
E）在P
OR 下的效率η
C
≥55%。
1.3 论文的编排
本论文分为五章，第一章绪论主要介绍了低频功率放大器的发展现状及应用的前景、本课题的任务以及本论文的结构安排。第二章设计任务方案分析及主要技术指标分析。第三章为电路设计，主要是叙述前置放大级电路、功率放大级电路以及数字音量控制和电平指示电路。第四章是对本论文的总结，包括本毕业设计所做的工作以及一些收获和体会以及致谢和参考文献。
第二章: 方案论证
2.1 基本思路
低频功率放大器是一种能够为功率负载，如音响设备的扬声器、电视机的扫描偏转线圈、电动机控制绕组等输出功率的装置。与电压放大器不同的是，功率放大器在负载上要求获得一定程度的不失真（或失真较小）输出功率，而电压放大器在负载上要求获得一定程度的不失真电压。一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器和功率放大器等电路组成，如一些集成功率放大器芯片，内部就集成有电压放大器和功率放大器等电路。
2.2 基本方案组成框图及原理
图2.2.1所示为一个实用的低频功率放大器的基本组成原理框图。
图2.2.1 实用低频功率放大器的组成原理框图
该功率放大器的功能是：将信号源提供的正弦波弱电压信号通过开关转换，一路先进行电压放大，再进行功率放大，为等效负载电阻提供一定的输出功率；另一路进行波形变换，使之变成脉冲波，再进行电压和功率放大，为等效负载提供一定的脉冲功率。本课题主要是研究前一路，即正弦波放大电路。
主要技术指标：
额定输出功率P OR：在输出信号失真度小于某一规定值时，额定负载电阻上获得的最大功率。
带宽BW：功率放大器的工作频率范围。
非线性失真系数：在额定输出功率P OR下和一定的带宽BW内，输出信号的非线性失真程度。通常用百分比%表示。
噪声电压：在功率放大器的输入为零时输出负载上的电压。
效率η：负载上输出的额定功率P OR与消耗的电源功率P DC之比。
由图2.2.1可见，低频功放电路的前置放大级为弱信号电压放大器；然后再进入功率放大级，也包括激励级和大功率放大级等，直到在R L=8Ω的负载上得到要求的输出功率。
2.3 主要参数指标分析
功率放大器的输入电压信号V i由信号源提供幅度为5mV~700mV的正弦波，输出电压信号V0从8Ω的等效负载电阻上获得。额定输出功率P0≥10W，这项指标说明在输入信号5mV~700mV的范围内，均以P0≥10W的满功率不失真输出，即小信号输入时，要求满功率不失真输出；大信号输入时，也要求满功率不失真输出，因此，要求放大器的增益是可以调节的。
功率放大器的带宽要求BW≥100Hz~10kHz。这项指标指出了功率放大器的工作频率范围，通常用3dB带宽来表示，是指放大器的电压增益下降3dB时所对应的频率，即最低频率f L≤100Hz，最高频率f H≥10kHz。
功率放大器在额定输出功率P0下和BW内，非线性失真系数≤3% 。这项指标指出,经过功率放大器放大后的正弦波的非线性失真所容许的范围，只要信号是经过线性放大，一般都能够满足非线性失真≤3%的要求。否则，要对信号的非线性失真进行改善。
在P0下的效率η≥55%。这项指标说明功率放大器输出功率的转换效率，通常用输出功率与电源消耗的总功率之比值来表示，即η= P0/P DC。η≥55%，说明功率放大器的功率输出级只能工作在甲乙类或者乙类，不能工作在甲类，因为甲类功率放大的效率最高也不能超过50%。
当前置放大级的输入端交流短接到地时，R L=8Ω上的交流声功率≤10mW。这项指标是指在没有信号输入时，放大器输出的噪声功率，即要求前置放大级的输入端引入的噪声越小越好，同时放大器本身的内部噪声也很小。
第三章: 电路设计
设计思路：逐步分析已知条件和未知因素之间的关系。如本课题中，输入信号的大小和输出信号的功率是已知的，但它们之间传输通道信号的大小则是未知的，需要逐一求出。可按照从前置放大级到功率放大级的顺序逐一设计计算，也可以从功率放大级到前置放大级的顺序设计计算。下面以后者为例进行设计。
3.1 前置放大级电路设计
前置放大级电路的主要功能是将5mV~700mV的输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的1.4V输入信号。因此，需要解决两个问题：一是本级280倍的电压放大倍数和带宽BW≥100Hz~10kHz的矛盾；二是对5mV~700mV范围内的信号，都只能放大到1.4V，以满足额定输出功率P0≥10W的要求。对于前者，可以采用二级放大器，因为放大器的增益带宽积是一个常数，每级的增益减小，带宽就可以提高。对于后者，可以设计一个音量控制电路或者自动增益控制电路，使功放级的输入信号控制在1.4V左右。根据以上思路，设计的前置放大级电路如图3.1.1所示。其中，NE5532是一个双运放集成运算放大器，可以用来构成A
、A二级放大器。其主要性能参数如下：
增益带宽积10MHz转换速率9V/μs，共模抑制比100dB，输入电阻300K Ω。设前置放大器A1的增益为
A V1 = R2/R1 = 150kΩ/10kΩ= 15
对于幅度为5mV~700mV的输入信号，A1的输出幅度为75mV~10.5V。选电源电压+V CC = +12V ，－V EE=－2V。第二级放大器A2的输入信号的大小由音量控制电位器R P1进行控制。设A2的增益为
A V2 = R5/R4 = 200kΩ/10kΩ= 20
对于75mV的输入信号，不经过电位器RP1，直接由A2放大至1.5V；对于大于75mV的信号，则调节音量控制电位器RP1先进行衰减后再放大，使得经A2放大后的信号的幅度也为1.5V，以满足功率放大级输出功率P O≥10W的要求。
3.2 功率放大级电路设计
当功率放大器以P0≥10W的满功率不失真输出时，输出电压的幅度为
V OP
(3-1-1)
为留有充分余地，取V OP=14V。由此可以计算功率放大器的总电压增益为Av，即
Av = V OP/V IP= 14V/5mv = 2800 (3-1-2)
用分贝表示，Av=20lg（V OP/V IP）=68.9dB 。
如何将这2800倍的总电压增益比较合理地分配给前置放大级和功率放大级，这是设计中很关键的一步，这与所选用的器件、电路类型以及实际经验都有关系。通常，功率放大器的电压增益不能太大，因为这一级的信号比其他级的信号要大很多。增益太大容易产生自激，一般取十几倍。可以暂取10倍进行计算，以后再通过实验电路进行调整。这样，前置放大器的电压增益就为280倍。电压增益分配如图3.2.1所示。
图3.2.1 功率放大器各级的电压增益分配
功率放大级电路可直接选用集成功率放大器，如STK4191,其最大输出功率为2×50W，频率响应20Hz~50kHz，完全满足本课题的要求；也可以选用分离元件来组成。二者各有其特点：集成功率放大器的调节比较简单，但进行级联时，如果要对整机的性能进行改善，靠集成功率放大器的调节往往达不到目的；而由分离元件组成的功率放大器，虽然电路的调节比较繁琐，但可以通过功率放大级的调节改善整体的性能。选用由分离元件晶体管组成的功率放大电路，如图3.2.2所示，其中，晶体管T1、T2组成差分放大器，如果电路的参数完全对称，则电路具有很高的共模抑制比，可以克服由温度变化引起的静态工作点的漂移。晶体管T3组成电压放大器，为末级功率放大器提供驱动电压。晶体管T4、T5、T6组成末级功率放大电路，输出端为互补对称的OCL电路。这3级之间采用直流耦合，并引入直流负反馈，电压增益由反馈电阻决定，即A V=R10/R7=10。反馈支路并联电容C3可以减小高频自激。
+18V
图3.2.2 功率放大级电路
（1）末级功率放大电路
课题的技术要求：在额定功率下，输出的正弦波信号的非线性失真系数≤3%。效率≥55%，所以末级功率放大电路工作在甲乙类比较好。因为工作在甲类状态，虽然非线性失真系数小，但效率较低，一般小于50%；如果工作在乙类状态，虽然效率较高，但输出波形容易产生交越失真，达不到非线性失真系数≤3%的要求。图3.2.2中3只二极管D2、D3、D4和电位器RP3是用来调整电路的工作状态的。静态时，调节电位器RP3，使A、B间的电压为2.8V，即近似等于晶体管T4 、T5、T6 、T7的be结电压之和。晶体管T4 、T5、T6 、T7静态时处于微导通状态，O点对地的电压应为0V，从而可克服交越失真。
采用+V CC 、–V EE双电源供电，由式（3-1-1）可得，输出电压的幅度为+14V，则V CC≥+14V，为留有余地，选+V CC = +18V，－V EE = －18V。
功率输出晶体管T6、T7。选用一对大功率互补对称的场效应晶体管2N3055和MT2955。
其特征频率f T≥10MHz，耗散功率P C≥20W，选β>50。驱动管T4、T5也是一对互补对称的晶体管，其特征频率f T≥100MHz，耗散功率P C≥500mW，选β>80。（2）电压放大电路
电压放大电路给末级功放提供驱动电压，由晶体管T3构成；静态工作点由电阻R4、R8、R9决定，取集电极电流I C3为6mA左右。电容C2是高频电压负反
馈电路，防止高频自激。
（3）差分放大器电路
差分放大器电路由晶体管T1、T2构成。选择差分放大器电路作为功率放大级的前级，主要是为了提高电路的抗干扰能力。电路的静态工作点由电阻R6和RP2及R2、RP1等决定，差分对管的集电极电流通常取1mA左右。
3.3 数字音量控制和电平指示电路设计
为了满足输入信号的幅度在5mV~700mV的范围内，功率输出级的输出功率P OR≥10W的额定功率的要求，在前置放大级的第二级A2的输入端采用电位器R P1（见图3.2.2）对大信号进行衰减，如果R P1不是处在最大的衰减位置，而输入信号又比较大，则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率，很有可能烧坏功率放大器。为了避免这种情况的出现，设计了一个数字音量电路，如图3.3.1，其中，CD4051是一个8选1的模拟开关，CD4516是一个4位十六进制异步可逆计数器，由555组成单稳态电路，产生计数脉冲，脉冲宽度tp = 1.1R13C5 = 1.1×100kΩ×0.1μF = 0.1s，电路工作原理是：接通电源，由C3、R11组成的置数电路给计数器CD4516置数，其输出Q2Q1Q0=000，则8选1开关CD4051接通I/O ，这时输入信号经过电阻网络最大的衰减后，再由CD4051的I/O输出，从而避免了因输入信号较大而损坏功率放大器的情况。CD4051的输出信号经耦合电容C4和电位器R P1进一步调节后使输出保持V01=75mV左右，再送前置放大器第二级A2的输出端。输入信号V1来自前置放大器第一级A1的输出，V1的范围为75mV~10.5V。当V1为75mV时，调节计数脉冲，使计数器的输出Q2 Q1Q0=111，则CD4051接通I/O7，输出V01= 75mV;当V1为10.5V时，使计数器的输出Q2 Q1Q0=000，则CD4051接通I/O0，输出为（10.5V/7.5）×0.5 = 700mV；再调节R P1使V01 = 75mV。由此可见，对于75mV~10.5V范围内的输入信号，经过数字音量控制电路后均变为75mV左右，从而满足了输出额定功率的要求。
图3.3.1 数字音量控制和电平指示电路
电平指示电路是功率放大器的功能扩展电路。在音量控制电路中，只要增加1只74LS138译码器和8只发光二极管就可以实现电平指示功能。如图3.3.1所示。因为计数器的输出Q2Q1Q0的状态与CD4051的输入信号V1的大小是一一对应的，所以74LS138译码器的输出也与V1的大小相对应，则8只发光二极管可以将V1分成8级进行显示。
第四章: 总结
4.1 所做工作的回顾
本设计利用低频功率放大器AD603来提高不失真信号的输出，而一个使用的低频功率放大器通常由电压放大器和功率放大器等电路组成。输入的正弦信号采用分离的而不采用集成的电路是可以改变整体的性能。功率输出部分采用了互补对称的OCL电路可以克服交越失真。整个系统是将5mv～700mv的输入信号不失真地放大到所需的电压信号,以满足输出功率P OR≥10W。带宽BW≥100H Z～10KH Z，即最底频率f L≤100HZ，最高频率f H≥10kH Z。
本设计偏重于模拟电路处理，得到了很高的功率放大和较小的噪声。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片作增益控制，利用分离元器件作后级功率放大器，设计很灵活也很容易实现。
写论文步骤
1、确定研究课题
一般确定研究课题是导师给定题目这种方式的好处是大脑不用考虑选题了，只有一个劲的往这个题目上想问题；弊端是没有选择，不管你是否对这方面感兴趣2、查阅相关文献
研究课题确定后，一定要了解你所研究问题的范围，这点可以从课题关键字上把握。
搜集文献资料：可以在学校中国学术期刊网、维普资讯、文档在线等网站上下载，那里可以找到一些可以全文下载的文章。
阅读文献资料：阅读后，把搜集的文献进行分类整理，归纳出研究该课题的几种方法及前人研究所得出的重要结论。
3、设计研究思路
结合自己所要研究的课题，设计研究思路。研究思路可以多想几种，这样可以在找不到相关数据的情况下，换其他的思路来写。
4、结合所有能搜集到的数据以及研究问题模型进行实证分析
找数据是写文章过程中的一大难事，因为你之前并不知道，按照设计思路来做，数据能否找到，数据资料与你的设计研究思路也是有很大关系的。
5、应注意的其他问题
写文章过程中，最重要的是如何运用所学知识理论与所研究的问题很好的结合起来，这一点需要继续加强。
4.2 体会与收获
体会：
经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
收获：
我觉得写论文能很大的提升自己的能力：
1、文字表述
论文里的语言非常讲究，这方面需要继续加强。
2、交流、讨论、团结
在写文章的过程中和大致内容写完后，一定要和老师、其他同学多交流，让他们多提点建议。一些软件使用方法，可以向同学老师们请教。
3、细心
模型公式编辑、标点符号、文章各段格式等，都需要细心地学习与操作。
4、搜索找资料
需要搜索很多资料，如何在短时间找到你想要得资料，得在搜索关键词上有所设置才行。一些好的电子类论文网站，需要随时记录下来，以便日后继续学习和使用。
致谢
首先，我要感谢我的导师郭老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要求，同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我的帮助。在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利地完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。
接着，我要感谢和我一起做毕业设计的同学。在毕业设计的短短几个月里，你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚地谢谢你们。同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。
最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利地完成大学学习。
还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友，在此无法一一列举，在此也一并表示衷心的感谢！
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