模电功率放大器电路课设

电子技术课程设计论文——功率放大器电路设计

院系：信息工程学院

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绪论 (2)

第一章系统总体方案设计 (3)

1.1功率放大电路 (3)

1.1.1功率放大电路的特点及主要研究对象 (3)

1.1.2 参数公式及计算 (4)

1.1.3 功率放大电路的工作原理 (4)

第二章集成功率放大器 (5)

2.1功率放大器特点 (6)

2.2功率放大器的工作状态 (6)

2.3功率放大器的散热 (7)

第三章电路板选择、焊接和调试 (8)

3.1万用电路板选择和焊接 (8)

第四章在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施 (10)

4.1在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施 (10)

第五章心得体会 (11)

参考文献 (12)

附录 (13)

绪论

这次的模拟电路课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放，音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受利用BJT构成放大电路，根据所给的三极管及电阻，电容计算放大电路的增益

利用集成放大器件LM386构成功率放大，使扬声器发。

集成功放块的种类很多。由三级电压放大，一级功率放大以及偏置、恒流、反馈、退耦电路组成。最主要的组件为集成功放块，它的内部电路与一般分立元件功率放大器不同，通常包括前置级、推动级和功率级等几部分。有些还具有一些特殊功能（消除噪声、短路保护等）的电路。其电压增益较高（不加负反馈时，电压增益达70～80db，加典型负反馈时电压增益在40db以上）

第一章系统总体方案设计

1.1 功率放大电路

1.1.1 功率放大电路的特点及主要研究对象

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。

一般直接驱动负载，带载能力要强。

研究对象：

（1）要求输出功率尽可能大

为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。

（2）效率更高

由于输出功率大，因此直流电源消耗的哦那个绿也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高。

（3）非线性失真要小

功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就将为次要问题了。

（4）功率器件的散热问题

在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，器件承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。

1.1.2 参数公式及计算

图2-1 参数计算公式图

1.1.3 功率放大电路的工作原理 功放的工作原理其实很简单，就是将音源播放的各种声音信号进行放大，以推动扬声器发出声音，从技术角度看，

功放好比一台电流的调制器，它将交流电转变对直流电，然后受音源播放声音信号控制，将不同大小的电流，按照不同的频率传输给扬声器，这样扬声器就发出相应大小、相应频率的声音了。其中电路中的电流大小可以通过电位器，实现在电路中线路的电流方向和大小的改变。

本电路属于共射极放大电路，其中三极管和集成块实现放大作用。在放大电路中设置静态工作点事必不可少的。因为放大电路的作用是将微弱的输入信号惊醒不失真地放大，为此，电路中的BJT必须始终工作在放大区，如果没有直流电压和电流，则在输入信号的整个周期内BJT始终是截止的，因而输出电压没有变化量，即使输入电压幅值足够大，BJT也只能在输入信号正半周大于Vth的时间内导通，这必然使得输出电压出现严重失真。所以必须要给放大电路设置合适的静态工作点。

对于动态工作情况，此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。基极—发射极间的电压Vbe=Vbeq+Vbe,Vbe是Vs在发射结上产生的交流电压。当Vbe的幅值小于Vbeq,且使发射结上所加正向电压仍然大于Vth时，Vbe随Vs的变化必然导致受其控制的基本电流ib、集电极电流ic 产生相应变化，即ib=Ibq+ib,ic=Icq+ic,其中ic=βib是交流电流。集电极—发射极间的电压vce也将发生变化。因此，电压在静态Vceq的基础上将减小。在vs 的负半周，情况则相反，于是vce与vs是反向的。将vcs用适当方式取出来，作为该放大电路的输出电压。只要选择合适的电路参数，就可以使输出电压的幅度比输入电压的幅度大得多，实现电压放大的作用。阻尼系数是功放额定输出阻抗，它是取扬声器输入阻抗和放大器输出内阻之间的比例，并表示对某一个过程中进行变化的物理量加以抑制的状态。在扬声器中，要抑制振膜在没有信号输入的情况下所作的惯性振动。扬声器的振膜是不能用机械阻尼方式来制动的，它只能使用电磁方式的阻尼，而这种方式要求系统必须尽量处于发电机状态。前面曾说到扬声器会很容易进入发电机状态，当输入信号消失后的一瞬间，扬声器振膜在惯性作用下还在振动。此时会在音圈中产生出一个感应电压，这时如果放大器输出内阻不大时，就相当于在扬声器端子上并接一个小电阻，音圈上的感应电压就会产生一个较大值的电流流经放大器的内部线路，就是说扬声器这时已成为电源，而放大器的功率输出级线路却变成负载。根据电磁感应定律，这个电流是音圈在永久磁铁的磁场中振动所产生的，所以这个音圈电流肯定会产生一个和振动方向相反的力去抵消振动。放大器的内阻越小，电流就越大，抵消惯性振动的作用也就越强。扬声器在重播低频时的振幅最大，所造成的惯性振动也最严重，如果此时不加以抑制会使低频控制力变差，缺乏力度、弹性和层次感，但过份抑制

则会使声音变得干瘦。

第二章集成功率放大器

2.1 功率放大器特点

（1）输出功率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。所谓最大输出功率指在正弦波输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积

（2）具有较高的效率放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的。在输出功率比较大的情况下，效率问题尤为突出。如果功率放大电路的效率不高，不仅将造成能量的浪费，而且消耗在电路内部的电能将转换成为热量，使管子、元件等温度升高，因而要求选用较大容量的放大管和其他设备，很不经济。（3）尽量减小非线性失真由于在功率放大电路中，三极管的工作点在大范围内变化，使管子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。在实际的功率放大电路中，应根据负载的要求来规定允许的失真度范围。

（4）性能指标分析以功率为主着重计算输出功率，管子消耗功率、电源供

给功率和效率。由于功率管处于大信号工作状态，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。

2.2 功率放大器的工作状态

在分析电路工作情况时，常用三极管在信号的一个周期内导通的角度作为工作状态分类的标准。在整个输入信号周期内，管子都有电流流通，即导通角θ=2

I比较大；π，称为甲类工作状态，如下图(a)所示，此时三极管的静态工作电流

CQ

在整个输入信号周内，管子只有半周期有电流流通的，即导通角θ=π的称为乙类工作状态，如图（b）所示；在整个输入信号周期内，管子有半个多周

期有电流流通，即导通角π<θ<2π，则称为甲乙类工作状态，如图（c）所示

图 功率放大器的工作状态

甲类放大的优点是波形失真小，但由于静态工作电流大，故管耗大，放大电 路效率低，所以主要应用于小功率放大电路中。乙类与甲乙类放大由于管耗小， 放大电路效率高，在功率放大器中已获得广泛的应用。

2.3 功率放大器的散热

在功率放大器中，功率管中流过的信号电流大，管子又存在一定压降，因此 功率管功率消耗较大，其中大多被处于较高反偏电压的集电结承受转化为热量， 使集电结温度升高。 当温度超过手册中规定的最高允许结温TjM 时，将使管子 损坏。这就限制了功率管的管耗。如果采用散热措施，在相同结温下，可提高管 子所承受允许最大管耗，使功率放大电路有较大功率输出而不损坏管子。

一般功率管极限功耗的大小与管子环境温度、散热途径和散热状况有关。为 了描述管子的散热情况，在管芯温度与环境温度存在的温差下，将热量传输时所 受的阻力用热阻RT 表示，类似于电流流过导体时，存在电阻对电流阻力的概念， 与U1-U2=IR 关系相类似，则有 TjM-Ta=PCMa ⅹRT （1） 式中Ta 为环境温度，PCMa 表示在Ta =25℃ 时而结温上升到TjM 时管子允许所能 承受最大功耗。RT 则表示传输单位功率时温差变化度数，其单位为℃/W 。PCMa

和TjM 均为大功率管手册上可查阅给定的极限参数。

在相同热阻RT 的条件下，若环境温度变为T2，此时管子结温达到TjM 允许 最大功耗PCM2与热阻有下列关系 TjM －T2＝PCM2ⅹRT 由式（1）和（2）可得 CMa a jM 2jM 2CM P T T T T P ?--=

第三章电路板选择、焊接和调试

3.1万用电路板选择和焊接

万用电路板俗称“洞洞板”。相比专业的PCB制版，洞洞板(万用电路板)具有以下优势：使用门槛低，成本低廉，使用方便，扩展灵活。比如在大学生电子设计竞赛中，作品通常需要在几天时间内争分夺秒地完成，所以大多使用洞洞板

。

洞洞板的选择

目前市场上出售的洞洞板主要有两种，一种焊盘各自独立(图1，以下简称单孔板)，另一种是多个焊盘连在一起(图2，以下简称连孔板)，单孔板又分为单面板和双面板两种。根据笔者的经验，单孔板较适合数字电路和单片机电路，连孔板则更适合模拟电路和分立电路。因为数字电路和单片机电路以芯片为主，电路较规则;而模拟电路和分立电路往往较不规则。分立元件的引脚常常需要连接多根线，这时如果有多个焊盘连在一起就要方便一些。当然这并不绝对，每个人的喜好不一样，选择自己用起来比较顺手的就OK了。

另外，需要区分两种不同材质的洞洞板：铜板和锡板。铜板的焊盘是裸露的铜，呈现金黄色，平时应该用纸包好保存，以防止焊盘氧化，万一焊盘氧化了(焊盘失去光泽、不好上锡)，可以用棉棒蘸酒精清洗或用橡皮擦拭。焊盘表面镀了一层锡的是锡板，焊盘呈现银白色，锡板的基板材质要比铜板坚硬，不易变形。

他们的价格也有区别，以大小为100 cm2(10cm×10cm)的单面板为例：铜板价格3~4元，锡板7~8元，一般每平方厘米不超过8分钱。

焊接前的准备

在焊接洞洞板之前需要准备足够的细导线(图3)用于走线。细导线分为单股的和多股的(图4)：单股硬导线可将其弯折成固定形状，剥皮之后还可以当作跳线使用;多股细导线质地柔软，焊接后显得较为杂乱

洞洞板具有焊盘紧密等特点，这就要求我们的烙铁头有较高的精度，建议使用功率30W左右的尖头电烙铁。同样，焊锡丝也不能太粗，建议选择线径为0.5~0.6mm的。

3.2洞洞板的焊接方法

对于元器件在洞洞板上的布局，大多数人习惯“顺藤摸瓜”，就是以芯片等关键器件为中心，其他元器件见缝插针的方法。这种方法是边焊接边规划，无序中体现着有序，效率较高。但由于初学者缺乏经验，所以不太适合用这种方法，初学者可以先在纸上做好初步的布局，然后用铅笔画在洞洞板正面(元件面)上，继而也可以将走线规划出来，方便自己焊接。

洞洞板的焊接方法，一般是利用前面提到的细导线进行飞线连接，飞线连接没有太多的技巧，但应尽量做到水平和竖直走线，整洁清晰(图5)。现在网上流行一种方法叫锡接走线法，如图6所示，工艺不错，性能也稳定，但比较浪费锡。纯粹的锡接走线难度较高，受到锡丝、个人焊接工艺等各方面的影响。如果先拉一根细铜丝，再随着细铜丝进行拖焊，则简单许多。洞洞板的焊接方法是很灵活的，因人而异，找到适合自己的方法即可

第四章在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施

4.1 在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施

（1)电源电压不允许超过极限值，不允许极性接反，否则集成块将遭损

(2)电路工作时绝对避免负载短路，否则将烧毁集成块。

(3)接通电源后，时刻注意集成块的温度，有时，未加输入信号集成块就

发热过甚，同时直流毫安表指示出较大电流及示波器显示出幅度较大，频率较高的波形，说明电路有自激现象，应即关机，然后进行故障分析，处理。待自激振荡消除后，才能重新进行实验。

第五章心得体会

心得体会本学期我们开设了《电子技术基础（模拟部分）》课，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期暨电路刚学完之际，紧接着来一次《模拟电子线路》课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。例如在硬件制作，电路板的焊接上慢慢元件连接起来的时候，手里握着电焊铁，直冒青烟，心理还是很紧张的，但是看着自己的元件一个个连接了起来，自己的心里面像吃了蜜一样的甜。终于就这样，像爱迪生发明电灯泡的时候一样，历经千万次的猜想与实验，终于使得这个问题得到了圆满的解决。成功的我高兴地无以复加，只是感觉到劳动最光荣，劳动人民最高尚。历时这一个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。回头看看，不禁感慨众多，没有想到我们的科学家，哪怕是我们身边的老师，原来也是如此这般的努力才能够换来今天的幸福生活；离不开你们这些辛勤的工作者，我们的身边这一切才能够如此快捷方便；没有了这一切，我不敢想象社会会如何发展，难道是倒退到那种封建社会，还是奴隶时代？并且通过了这次模拟电子电路课程设计，我才了解到我们所学的只是原来是如此地贴近我们，其实他们就在我们身边，就在我们身边或大或小的地方，甚至是我们不能发现的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。而如今，我才知道了这一切。我才会，并有这样的动力将我所学的知识来赋予实践。

参考文献

1康华光.电子技术基础——模拟部分.北京：高等教育出版社.2006.1

2 路勇.电子电路实验及仿真.北京：清华大学出版社.2004.1

3 童诗白华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社.2005.12

4 陈明义电子技术设计实用教程长沙：中南大学出版社，2002

附录