课程设计功放部分

课程设计（功放部分）

1.设计要求：

设计一个丁类推挽功率放大器，完成匹配和整机调试，满足以下要求：

1、输出功率：峰值功率大于5W

2、信号频率：25kHz

3、信号形式：CW脉冲，占空比10%左右，重复周期为10Hz

4、负载：水声压电换能器，25kHz时特性阻抗为1kΩ，静态电容为2nF

5：电源电压：24V

6：完成负载匹配（变压器的设计和匹配电感的设计）

7、测量要求：输出功率（峰值，平均）、占空比、效率、电压增益

2.电路原理：

丁类推挽功率放大器由信号发生器、推动级、功率级、匹配电路、电源电路等5部分构成，如图1所示。

图1 功率放大器结构框图

信号源产生两路占空比可调的脉冲信号，POW_A和POW_B。信号频率为25kHz，脉冲宽度可以调节，发射时刻由输入的同步信号的上升沿控制。两路信号的波形如图2所示。

信号源的电路原理如附录1所示。由晶振U1产生12MHz的方波信号，再由分频器（U2,U3,U6）分频，最后生成25kHz的连续方波。此信号经过反相器U4B以后，形成相位相反的两路25kHz连续方波，再经与门U5D和U5C，受到发射控制信号的控制，输出具有一定脉冲宽度的不连续方波。当发射控制信号为高的时候，两个输出端输出信号，两个信号相位相反；当发射控制信号为低的时候，两个输出端为低电平。波形如图2中的POW_A和POW_B所示。

图2 信号波形

同步信号由端口H2输入到电路中，经过C1、D1、R1、R2和与门U5B以后，形成脉冲宽度可调的发射控制信号。发射控制信号的上升沿为同步信号的上升沿，发射控制信号高电平的宽度可由滑动变阻器R1调节。

POW_A和POW_B信号的幅度约为5V，作为驱动级电路的输入。驱动级、功率级、匹配电路如图3所示（此图未包含电源电路）。图3中，虚线框中为推动级电路，输入信号幅度约为5V，经过推动级之后，A、B点的信号波形同POW_A 和POW_B相同，电压幅度变为12V。功率级由两个功率MOSFET管Q1和Q2构成，分别输出信号的正半周和负半周，并在变压器T1上混合。需注意的是，两个功放管不能同时导通，其中一个导通以后，另外一个功放管必须处于截止状态。当Q1管导通时，变压器初级线圈的电流向上，次级线圈上的电压为上正下负；当Q2管导通时，变压器初级线圈中的电流向下，次级线圈上的电压为上负下正。

图3 功率放大器电路原理图

匹配电路包含变压器T1和电感L1。由于水声压电换能器是容性负载，而且具有较大的等效阻抗，为了提高功率放大器输出效率，在负载上加入电感，形

成谐振回路，在工作频点上对容性负载进行补偿，使负载接近于纯电阻。

假设换能器在工作频点上的等效并联电阻为Ω=k R L 1，等效电容为

nF C L 2=（实际调试时用功率电阻和电容并联代替换能器）。

图1.2 负载等效电路

加入的匹配电L 之后，等效阻抗变为

L

L L R C j L j Z 1

1+

+

=ωω 1.1

令等号右边的虚部为0，此时，回路达到谐振。 所以，当回路谐振时，匹配电感

2

2221L

L L

L C R C R L ω+= 1.2 此时，等效电阻变为

2

221L

L L

L C R R R ω+=

' 1.3 这样，变压器输出端的电压有效值为

'

?=

L R P U 0 1.4

由于变压器前端的信号的电压峰峰值不能超过电源电压EE CC V V -，设其有效值为Orms V ，则：

Orms V U ≈-12 1.5

所以，变压器的初、次级匝数比为

2134:1:

O

Orms

U n n V --=

1.6

这里需要注意的是：为了保证变压器初级线圈的对称性，在绕制变压器的初级线圈时可使用两根导线同时绕制，之后再将两个线圈接起来形成中心抽头的初级线圈。

3.操作流程

1)计算电感和变压器S的参数；

2)按照附录1的原理图制作信号发生器；

3)调试信号源，确保信号源电路的输出波形同图2所示波形一致，两路信号极

性相反，不输出信号时两路信号均为低电平；

4)焊接驱动级电路和功放管（安装散热器），注意先不要将变压器T1接入+24V，

先用示波器测量图3中A点和B点的波形，保证两个信号极性相反，且不输出信号时A、B均为低电平，信号幅度为12V；

5)上述条件均满足后才能将变压器T1接入+24V；

6)接入电感和负载

7)测量电路的各项技术指标，记录输出信号的波形（可以照相，图像中要能够

看出输出信号的幅度和频率）。

4.元件表

注：信号源电路板为定制PCB板。