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文档简介
模 拟 电 子 技 术 课 程 设 计设 计 题 目: 集成功率放大器 专 业: 姓 名: 班 级: 学 号: 指 导 老 师: 年月日引言集成功率放大器由集成功放块和一些外部阻容元件构成。它具有线路简单,性能优越,工作可靠,调试方便等优点,已经成为在音频领域中应用十分广泛的功率放大器。集成功放块的种类很多。上图为集成功放LA4112的内部电路图,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7080db,加典型负反馈时电压增益在40db以上)。目录一、设计题目4二、设计要求4三、题目分析4四、整体构思51功率放大器特点52.功率放大器的状态63.功率放大器的散热6五、具体实现7六、各部分定性说明以及定量计算81、定性说明82、定量计算11七、在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施12八、设计心得体会12九、参考文献14一、设计题目集成功率放大器二、设计要求1、设计集成功率放大器电路图2、计算最大不失真输出功率3、计算集成功率电路的效率4、测量输入灵敏度 5、噪声电压小于15mv三、题目分析集成功率放大器是由集成运算放大器发展而来的,它的内部电路一般也由前置级、中间级、输出级、及偏置电路等组成,不过集成功率放大器的输出级输率大、效率高。另外,为了保证器件在大功率状态下安全可靠工作,集成功率放大器中还常设有过流、过压以及过热保护电路等。在电子设备和自动控制系统中,放大电路的末级或末前级一般是功率放大级,以便将前置电压放大级送来的电压信号进行功率放大,使电路能够给出足够大的功率,驱动执行机构工作。例如,使扬声器发声,使电动机转动,使继电器动作,是指针偏转等等。电压放大电路和功率放大电路都利用三极管的放大作用将直流电能转换成交流电能输出,从而将信号放大。所不同的是电压放大电路输入的是小信号,输出的是足够大的电压;而功率放大电路输入的是大的电压信号,输出的信号具有足够大的功率,即信号的电压和电流都要足够大。传统的功率放大电路常采用变压器耦合方式,其优点是可实现阻抗匹配,缺点是体积大、笨重,且高、低频率特性均较差,已较少使用。目前功率放大电路多采用无输出变压器的功率放大电路(OTL电路)及无输出电容的功率放大电路(OCL电路),在集成运放中多采用OCL电路。四、整体构思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、 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=2,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比较大;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=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2,则称为甲乙类工作状态,如图(c)所示。(a) 甲类(=2) (b) 乙类(=) (c) 甲乙类(2)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。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=PCMaRT (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 TjMT2PCM2RT 由式(1)和(2)可得 五、具体实现LA4112电路中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7080db,加典型负反馈时电压增益在40db以上)。LA4112,它的内部电路如下图所示,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。:LA4112内部电路:应用电路:六、各部分定性说明以及定量计算1、定性说明(1) 电压放大级第一级选用由T1和T2管组成的差动放大器,这种直接耦合的放大器零漂较小,第二级的T3管完成直接耦合电路中的电平移动,T4是T3管的恒流源负载,以获得较大的增益;第三级由T6管等组成,此级增益最高,为防止出现自激振荡,需在该管的B、C极之间外接消振电容。2)功率放大级由T8T13 等组成复合互补推挽电路。为提高输出级增益和正向输出幅度,需外接“自举”电容。3) 偏置电路为建立各级合适的静态工作点而设立。除上述主要部分外,为了使电路工作正常,还需要和外部元件一起构成反馈电路来稳定和控制增益。同时,还设有退耦电路来消除各级间的不良影响。图171 LA4112内部电路图LA4112集成功放块是一种塑料封装十四脚的双列直插器件。它的外形如图172 所示。表171、2是它的极限参数和电参数。图172 LA4112外形及管脚排列图与LA4112集成功放块技术指标相同的国内外产品还有FD403;FY4112;D4112等,可以互相替代使用。表171 参 数符号与单位额 定 值最大电源电压UCCmax(V)13(有信号时)允许功耗PO(W)1.22.25(5050mm2铜箔散热片)工作温度TOpr()20+70表17-2参 数符号与单位测试条件典 型 值工作电压UCC(V)9静态电流ICCQ(mA)UCC9V15开环电压增益AVO(db)70输出功率PO(W)RL4 f1KHz1.7输入阻抗Ri(K)20集成功率放大器LA4112的应用电路如图173 所示,该电路中各电容和电阻的作用简要说明如下:C1、C9 输入、输出耦合电容,隔直作用。C2和Rf 反馈元件,决定电路的闭环增益。C3、C4、C8 滤波、退耦电容。C5、C6、C10 消振电容,消除寄生振荡。C7 自举电容,若无此电容,将出现输出波形半边被削波的现象。2、定量计算功率放大电路的参数主要有输出功率、电源供给功率、管耗及效率等参数。(1)输出功率Po 负载RL上的电流io和电压uo有效值的乘积就是放大电路的输出功率,即:(2)直流电源的供给功率 由于两个管子轮流半个周期,每个管子的集电极电流平均值为因为每个电源只提供半周期的电流,所以两个电源供给的总功率为直流电源供给功率为(3)效率效率是负载获得的信号功率Po与直流电源供给功率PDC之比。(4)管耗直流电源提供的功率除了负载获得的功率外便为V1、V2管消耗的功率,即管耗,用PC表示。每个晶体管的管耗为可见,管耗PC与输出信号Uom有关。为求管耗最大值与输出电压幅度的关系,令,则得由此可见,当时,达到最大值, 则每管的最大管耗为七、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。(4)输入信号不要过大。八、心得体会通过这次设计我明白了很多,设计需要团队的合作,设计给人以创作的冲动。在画家眼里,设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵;在建筑师眼中,设计是昔日鎏金般的圆明园或是今日一塑自由女神像;在电子工程师心中,设计是贝尔实验室的电话机或是华为的程控交换机。凡此种种,但凡涉及设计都是一件良好的事情,因为她能给人以美的幻想,因为她能给人以金般财富,因为她能给人以成就之感,更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养,而这种营养更是一种福祉,一辈子消受不竭享用不尽。我就是以此心态对待此次模拟电子技术课程设计的,所谓“态度决定一切”,于是偶然又必然地收获了诸多。一、温故而知新。课程设计发端之始,思绪全无,举步维艰,对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”,于是想起圣人之言“温故而知新”,便重拾教材与实验手册,对知识系统而全面进行了梳理,遇到难处先是苦思冥想再向同学请教,终于熟练掌握了基本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识,学会了如何思考的思维方式,找到了设计的灵感。二、思路即出路。当初没有思路,诚如举步维艰,茫茫大地,不见道路。在对理论知识梳理掌握之后,茅塞顿开,柳暗花明,思路如泉涌,高歌“条条大路通罗马”。顿悟,没有思路便无出路,原来思路即出路。三、实践出真知。文革之后,关于真理的大讨论最终结果是“实践是检验真理的唯一标准”,自从耳闻以来,便一直以为马克思主义中国化生成的教条。时至今日,课程设计基本告成,才领悟“实践是检验真理的唯一标准”,才明晓实践出真知。因为在教材上,集成电路也就是几个所熟识的器件组合而已,也便不搭建电路图,结果电路出现诸多问题,譬如在接线中元件分布排线走向不合理,造成电路无法正常工作,弄得措
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