推挽式功率放大电路的设计

第一部分课程设计

桥式推挽功率放大器是一种在较低的电源电压下能得到较大输出功率的功放，它由前置放大电路、BTL功率放大电路、电源电路三部分所构成。前置放大电路采用了集成运放NE5532将小信号电压放大，使其能够驱动功率放大器；功率放大电路由倒相电路和BTL 电路两部分组成，前者负责为后者转换两个大小相等、方向相反的激励信号，后者则是在信号不失真的前提下，尽可能地放大电流，从而提高输出功率；电源电路通过降压、整流、滤波、稳压产生±12V直流电压。运用Protel软件对所设计的电路图进行建库、绘图、制板；再借助Multisim仿真软件对各个单元电路进行了性能与功能仿真，通过仿真分析验证了设计的正确性，整体电路也基本达到了设计的预期目的。

关键词：推挽功放；集成运放；前置放大；倒相

The push-pull circuit occupies an important position in the amplifier circuit and switching power supply areas. Bridge push-pull amplifier circuit is constituted by three parts of the power supply circuit, the preamplifier circuit, BTL power amplifier circuit. The preamplifier circuit uses the integrated operational amplifier NE5532 small signal voltage amplification, so that the power amplifier input sensitivity to match. The power amplifier circuit consists of two parts of the inverting circuit and BTL circuit. The former is responsible for the conversion for the latter two of equal size, in the opposite direction of the excitation signal. The latter is the signal undistorted under the premise, as far as possible to enlarge the current, increasing the output power. ± 12V DC voltage power circuit through the buck, rectifier, filter and regulator.With of Multisim simulation software on each unit circuit performance and functional simulation. Verify the correctness of the design through simulation analysis, the results are to achieve the intended purpose of the design. Then use Protel software for building a database, drawing and board schematic design.

Keywords：Push-pull amplifier, Integrated operational amplifier, Preamplifier , Inverting

目录

摘要.............................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 第一章推挽式功率放大器方案设计.. (1)

1.1 绪论 (1)

1.2 功率放大器的性能指标 (1)

1.3 推挽式功率放大器设计方案 (2)

1.3.1 变压器耦合式推挽功放 (2)

1.3.2 桥式推挽功放 (2)

1.3.3 方案分析 (3)

第二章推挽式功放电路设计 (4)

2.1 前置放大电路 (4)

2.1.1 反相比例放大电路 (4)

2.1.2 同相比例放大电路 (5)

2.1.3 前置放大电路 (5)

2.2 BTL功放输出电路 (6)

2.2.1 倒相电路 (6)

2.2.2 BTL电路 (7)

2.3 电源电路 (7)

2.4 整体电路 (8)

第三章推挽式功放电路仿真与实验 (10)

3.1 前置放大电路仿真 (10)

3.2 倒相电路仿真 (11)

3.2 整体电路仿真 (11)

总结 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

附录1 推挽式功放电路图 (16)

附录2 推挽式功放元件明细表 (17)

第一章推挽式功率放大器方案设计

在音响世界中往往需要将低频信号放大后加以利用，一般处理频率较低的信号采用音频功率放大电路来实现。它的作用是对音频信号进行不失真的功率放大，以足够的电功率去推动扬声器，故而音频功率放大电路在音响产品中得到广泛使用。

1.1 绪论

功率放大器的作用是放大来自前放大器的音频信号，产生足够的不失真输出功率，以推动扬声器发声。功率放大器的种类繁多，其中推挽式功放有利于改善宽带能力和提高增益，对偶次谐波滤波度好。传统的推挽电路总需要输出变压器和输入变压器，这种变压器耦合的电路存在一些缺点，诸如：由于变压器铁心的磁化曲线是非线性的，它会使放大电路产生非线性失真，特别是由于变压器的存在，严重地影响了电路的频率特性。为了克服这些缺点，出现了一类电路叫“无输出变压器电路”。这类无变压器功放电路舍去了级间耦合用的输入、输出变压器，改用直接耦合。虽然这样电路结构复杂些，但是便于加负反馈电路，使频响宽、失真小，易满足大功率和小型化的要求。无输出变压器电路的种类很多，按输出级与扬声器的连接方式分OTL电路(电容耦合)、OCL电路(直接耦合)、BTL(电桥形式连接)。如表1.1所示是根据功放级输出电路形式来分类的音频功率放大器。

表1.1 音频功率放大器

1.2 功率放大器的性能指标

在放大通道的正弦信号输入电压幅度10～100mV，等效负载电阻RL为8Ω时，放大

（1）额定输出功率P≥10W；

（2）通频带BW：30Hz～20kHz；

（3）在额定输出功率下和通频带内的非线性失真系数γ≤3%；

（4）在额定输出功率下的效率η≥55%。

1.3 推挽式功率放大器设计方案

功率放大器按照其输出特点分为变压器耦合功放、OTL（Output Transformer Less）功放、OCL(Output Capacitor Less)功放和BTL（Balanced Transformer Less）功放。根据此分类标准和本设计的要求提出两种推挽式功放设计方案，分别是变压器耦合推挽功放和桥式推挽功放。

1.3.1 变压器耦合式推挽功放

变压器耦合式是一种传统的电路结构形式，采用该结构形式设计的推挽功放，它的优点是便于实现阻抗匹配。其设计方案如图1.1所示。推动级单元的输入端采用变压器进行阻抗变换，同时使激励输出两个幅度大小相等、相位差为180°的信号，进而使推动级晶体管满足推挽工作，实现推动级输入阻抗匹配；然后通过级间变压器耦合单元将前级的输出信号尽可能多的传递到后一级；最后耦合输出单元利用传输线阻抗变换器来实现负载与输出端之间的阻抗匹配。偏置电路是为了调节偏置电压和防止产生大电流时损坏元器件。

图1.1 变压器耦合式推挽功放设计方案结构图

1.3.2 桥式推挽功放

桥接推挽功率放大电路简称BTL（Balanced Transformer Less）功放电路。它的优点是在较低的电源电压下能得到较大的输出功率。其设计方案如图1.2所示。

图1.2 桥式推挽功放设计方案结构图

前置放大单元主要是把输入的小信号放大到一定标准的电平；再输送到倒相单元产生两个大小相等、方向相反的激励信号；然后在允许的失真限度内，通过BTL单元进一步放

大电流，从而尽可能高效率地向负载提供足够大的功率；电源单元为整个电路提供稳定的直流电源做保证。

1.3.3 方案分析

在设计过程中，方案的选择必须结合实际情况，要从各个方面考虑设计的可行性，不仅要考虑其先进性，还要考虑其现实性，要从多方面综合寻求最佳方案。由于方案一中用到多个变压器，不仅体积大、笨重、消耗有色金属，还严重地影响了电路的频率特性，能使放大电路产生非线性失真，另外引入负反馈后易形成自激振荡。而由方案二设计出的电路便于加负反馈电路，使频响宽、失真小，易满足大功率和小型化的要求。故选择方案二。

第二章 推挽式功放电路设计

桥式推挽功放电路由前置放大电路、BTL 功率放大电路、电源电路三部分所构成。前置放大电路采用了集成运放NE5532将小信号电压放大，使其能够驱动功率放大器；功率放大电路由倒相电路和BTL 电路两部分组成，前者负责为后者转换两个大小相等、方向相反的激励信号，后者则是在信号不失真的前提下，尽可能地放大电流，从而提高输出功率；电源电路为前置放大电路和BTL 功率放大电路提供能源。

2.1 前置放大电路

前置放大电路（亦称电压放大电路）作为输入功率放大器之前的处理电路，利用前置放大电路把输入信号放大或进行阻抗变换，使其能够驱动功率放大器。由于许多基于运放组成的功能电路都是在同相比例放大电路和反相比例放大电路的基础上组合或演变来的，本节先讨论这两种电路，再根据需要选择适当的集成运放。 2.1.1 反相比例放大电路

反相比例放大电路如图2.1所示，由反馈分析可知，其引入的是电压并联负反馈。电压信号 i u 通过 1R 作用于运放的反相端，且反相端为虚地点即0n u ≈ ，由虚断可知：

f

i n

n o

R

R u u u u --=

………(2-1)

则有f o i R R

u u =-

………(2-2)

其闭环增益为：f v o

i R A R

u u =

=-

………(2-3) 由式(2-2)可知：o u 、i u 相位相反，输出与输入

成比例。尽管理想运放的输入电阻无穷大，但电路引入电压并联负反馈后，电路的输入电阻R 并不大。若要增大电路的放大倍数，需增大f R 的值。当阻值与集成运放的输入等数量级时，比例系数产生较大变化，即不再由反馈网络的阻值所决定。

o

u i

u 图2.1 反相比例放大电路图

n

u p

u

2.1.2 同相比例放大电路

同相比例放大电路如图2.2所示，由反馈分析可知，其引入的是电压串联负反馈。电压信号i u 通过2R 作用于运放的同相端，由虚短和虚断可知：

i p n u u u =≈………(2-4) 1

f i n

o i

R R u u u u --=

………(2-5)

1

(1)f o i R R u u =+………(2-6)

1

1f v o

i R A R u u ==+

………(2-7) 由(2-6)式可知：o u 、i u 相位相同，输出与输入也

成比例。综上：反相比例放大电路中输入阻抗是反馈电阻和输入电阻的并联，阻抗比较小放大倍数是反馈电阻比输入电阻，可以小于1也可大于1，输出与输入是反向的。同相比例放大电路输入阻抗等于放大器内部阻抗，而内部阻抗远大于输入电阻和反馈电阻，所以同相放大器的输入阻抗高，在相同条件下放大倍数是反相放大倍数加1且只可能大于等于1，输出与输入同相。另外，若用反相放大器，由于分压关系显然几乎所有的源电压将消耗在输出电阻的两端。故选用同相比例放大电路形式来设计前置放大电路。 2.1.3 前置放大电路

由于前置放大电路放大的信号为低频电压信号，幅值为10～100mV （即输入的共模电压）、频率为30Hz ～20kHz 、最大增益为40倍，所以运放的单位增益带宽GB 应该满足

GB=20kHz 40=0.8MHz ?，电源电压为±12V 。再结合NE5532、LM358这两种常用的运放

比较，如表2.1中的参数可知：两款集成运放均能满足设计的需要。

表2.1 技术参数

图2.2 同相比例放大电路图

o

u i

u p

u n

u

放使用，如表2.1为NE5532的极限参数。由NE5532集成运算放大器构成的电压放大电路如图2.3所示。电源支路的电容3C 、4C 是去耦电容，用来消除高频杂波。

根据虚短和虚断有： i P n V V V =≈，

0p n I I ==………(2-8)

由CVL 定律有：

20 n n o

p

V V V R R --=

………(2-9) 由式(2-8)、(2-9)解得电压增益为：

22 11000

p

p o V i R R R V A V R -=

==+

…(2-10) 2.2 BTL 功放输出电路

功放输出级电路采用BTL 电路结构形式。其组成方框图如图2.4所示。输入信号i u 分成两路，一路直接加到上面的一组功率放大电路中；另一组加到倒相级电路中，获得大小相等、方向相反的信号i u -，然后加到下面一组功率放大电路中。当输入信号i u 为正半周时，上、下两组功率放大电路同时放大信号，其输出端A 的信号相位为正，B

的信号相位为负，此时信号电流从A 流出，经过负载流入B 点电路；反之，当输入信号i u 为负半周时，A 端的信号相位为负，B 端的信号相位为正，此时信号电流从B 流出，经过负载流入A 点电路。 2.2.1 倒相电路

如图2.5所示为倒相电路图。后级功率放大电路需要有两个大小相等、方向相反的激励信号，这两个激励信号由倒相电路来实现。当2V 管工作在甲类状态，把输入信号i u 转换成1o u 和2o u 两种两个大小相等、方向相反的激励信号。电源支路的电容6C 是去耦电容，用来消除高频杂波。电解电容6C 、7C 起耦合作用，即在低频信号的传递与放大过程中，为防

图2.4 集成功放BTL 电路简化原理框图

图2.3 前置放大电路

o

u i

u n

V p

V