集成功率放大器的设计第一稿

1、商丘师范学院学士学位毕业设计 2010届本科毕业设计集成功率放大器的设计姓 名： 燕历科 系 别： 物理与电气信息学院 专 业： 通信工程 学 号： 100313040 指导教师： 曹连江 2014年2月20日目 录摘要与关键词II0 引言11 概述11.1 系统概述11.2设计目的21.3 设计任务22 LM386工作原理22.1 LM386的主要参数22.2 LM386的引脚和典型接法32.3 LM386的电路框图及工作原理图：43 电路设计与分析：53.1 电路总体结构框图53.2 部分电路结构分析53.2.1 电源输出入部分电路63.2.3 中间放大级73.2.4 OTL输出级74 元

2、器件明细表：85 结束语：8 参考文献9 致谢9I集成功率放大器的设计摘 要电子技术的迅速发展使得集成功率放大器成为现今的主流功放，本次利用LM3861设计电压增益可以调节的双输出功放，该功放不仅具有一般集成电路轻便小巧，成本低廉，外部接线大大减少，可靠性高的特点；而且还具有温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小等优点，此外它还可以将各种保护电路，如过流保护、过热保护以及过压保护等也集成在芯片内部，使用更加安全。关键词 集成功率放大器2；LM386；电压增益可调3。 Design of integrated power amplifierAbstract The rapid de

3、velopment of electronic technology makes the integrated power amplifier power amplifier become mainstream today, the dual output power amplifier is designed by the use of the LM386 , whose voltage can be adjusted , not only has the general integrated circuit, portable, low cost, external wiring is g

4、reatly reduced, the characteristics of high reliability;but also has good temperature stability, High power utilization, low power consumption, the advantages of nonlinear distortion is small, In addition it can also be a variety of protection circuit, overcurrent protection, overheat protection and

5、 overvoltage protection is integrated in the chip, the use of it is more security. Keywordsintegrated power amplifier; LM386; the voltage gain can be adjusted0 引言随着电子技术的飞速发展，电子新技术、新产品不断涌现，电子技术的广泛应用，促进了工农业生产、也丰富了人们的物质文化生活。其中功率放大器也随着科技的不断进步得到了很大的发展。首先是早期的晶体管功放，随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器

6、采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路4，最后发展到现在的主流功放集成功率放大器。集成功率放大器除了具有一般集成电路的公共特点，例如成本低廉，轻便小巧，外部接线减少，因而除使用方便及可靠性高等以外，从功率放大器的要求看，还有一些突出的优点，主要有温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小等，还可以将各种保护电路，如过流保护、过热保护以及过压保护等也集成在芯片内部，使用更加安全。功率放大器的具体特点和要求如下：输出功率较大，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。所谓最大输出功率就是指在输入正弦波信号下，输出的波形不超过规定的非线性失真时，放大电路的最大输出电压和

7、最大输出电流有效值的乘积。具有较高的效率，直流电源提供放大电路输出给负载的功率。在输出功率较大的情况下，效率问题非常突出。若功率放大电路的效率不高，不仅会造成能量的浪费，而且还会将消耗在电路内部的电能转换成为热量，致使晶体管、电阻等元器件的温度升高，因而要求选用具有较大容量的放大管，其他元器件及设备，这样算下来很不经济。尽量减小非线性失真，在功率放大电路中，三极管的工作点会在大范围内发生变化，致使三极管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。因此在实际的功率放大电路中，应根据实际负载的要求来规定允许的失真度范围。性能指标以分析功率为主，着重计算三

8、极管的输出功率、三极管的消耗功率、电源的供给功率和效率。由于功率管处于大信号工作状态，所以在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。就目前发展形势来看，利用集成电路工艺已经能够生产出种类繁多的集成功率放大器。从用途划分，有通用性功放和专用型功放，前者适用于各种不同的场合，用途非常广泛；后者专为某种特定的需要而设计，例如专用于收音机、录音机或电视机等的功率放大电路。从芯片内部的构成划分，有单通道功放和双通道功放，后者可以用于立体声音响设备中。从输出功率划分，有小功率功放和大功率功放等，有的集成功放输出功率在1瓦之下，而有的集成功率输出功率则可高达几千瓦。1 概述1.1 系统概述

9、LM386是美国的国家半导体公司生产的音频功率放大器，它主要被应用于低电压消费类产品。LM386使外围元件大大减少，其内置电压增益为20，但在其1脚和8脚之间增加一只外接电阻或电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动地偏置到电源电压的一半，工作电压范围宽，4V至12V或5V至18V，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mV。使得LM386特别适用于电池供电的场合，因此LM386将会主要应用于低电压应用设计的音频功率放大器、集成电路适用于调幅 - 调频、无线电放大器、便携式磁带重放设备、内部通信电路、电视音频系统、线性驱动器、超声波驱动器以及功率变换电路5

10、等各种电子电气设备设计上。1.2设计目的所以介于集成功放的这些优点，本次毕业设计的目的就是设计一个轻便、小巧、实用的可以调节音量大小的迷你音响。1.3 设计任务 1.3.1 整个电路设计一共由输入级、中间级以及输出级三大部分组成，其中： a、输入级是用耦合电容6和电位器构成的电路； b、中间级是用集成运放LM386以及电阻、电容增益放大电路构成的电路； c、输出级是用低通滤波器7以及扬声器构成的电路。 1.3.2 对已经设计好的功放进行系统测试，确认设计无误后再对各个模块进行系统调试，以达到设计完美的系统性能指标，达到本次设计的目的。2 LM386工作原理2.1 LM386的主要参数表1 LM

11、386主要技术指标（大气温度TA=25）参数测试条件最小典型最大单位工作电源电压（V+）412V静态电流（IQ）V+=6V,Ui=048mA输出功率（Po）V+=6V,RL=8,THD=10%250325mW电压增益（Au）V+=6V,f=1kHz,引脚1、8间接10µF的电容26dB带宽（BW）V+=6V,引脚1和8开路300kHz总谐波失真（THD）V+=6V,RL=8,Po=125mWf=1kHz,引脚1和8开路0.2%电源抑制（PSRR）V+=6V,f=1kHz,CB=10µF引脚1和8开路,指输出端50dB输入电阻（ri）50k输入偏置电流（IIB）V+=6V,引

12、脚2和3开路250nA2.2 LM386的引脚和典型接法 图1引脚 LM386一共有8个引脚，其中每个引脚的功能如图1所示，如果将引脚1和8两端之间开路，则功率放大电路的电压增益倍数约为20倍（即26dB）.如果将引脚1和8两端之间仅仅接入一个大电容C，则该段电路相当于交流短路，此时的电压增益倍数约为200倍（即46dB）。当引脚1和8两端之间接入不同阻值的电阻时，就可以得到20到200之间的电压增益倍数。但接入的电阻必须与一个大电容C串联在一起，即在1和8两端之间接入的元器件不能改变放大电路的直流通路。 图2增益为200的典型接法集成运放LM386的典型接法如上图2所示。交流输入信号Ui加在

13、LM386的同相输入端3，LM386的反相输入端2接地。输出端5通过一个大小为250µF的大电容接到一个大小为8的负载电阻（扬声器）上，此时LM386、电阻和电容元器件就组成了OTL准互补对称电路。LM386的引脚6接直流电源V+，引脚4接地。引脚7则先通过一个旁路，然后经过一个电容Cb接地。引脚1和8两端之间仅接入一个10µF的电容，不接入任何电阻时，此时的电压增益达到最大，约为200倍。由于扬声器是感性负载8，会使电路容易产生自激振荡或出现过压，以至于损坏LM386中的功率三极管，故在功放电路的输出端5接入10电阻与0.05µF电容的串联电路来进行补偿，使负载

14、扬声器接近于纯电阻。2.3 LM386的电路框图及工作原理图：图3电路框图图4集成功放LM386电路原理图由图3、4可见，集成功放LM386的内部包括三个放大级，即输入级、中间级和功率输出级。输入级为双端输入、单端输出的差分放大电路。其中PNP型三极管VT1与VT2以及VT3与VT4分别组成了两个复合管，作为差分放大管。NPN型三极管VT5和VT6则组成了镜像电流源，二者分别作为两个差分放大器的有源负载。放大后的信号最终由VT3的集电极输出，再传送到中间级。中间级是由NPN型三极管VT7组成的共射放大电路，恒流源作有源负载，可以用来增大放大倍数。输出级是由PNP型三极管VT8和NPN型三极管V

15、T9组成的PNP三极管型复合管，最后再与NPN型三极管VT10组成准互补对称电路。二极管VD1和VD2起到了在两个功率放大管的基极之间提供一个偏置电压的作用，它能使功率放大管在静态时能够存在一个比较小的集电极电流，以防止产生明显的交越失真9。从输出端5到VT3的发射极1端之间通过电阻R6引入一个电压串联负反馈，它起的作用是减小输出波形的非线性失真，提高带负载能力，以及展宽通频带等。3 电路设计与分析： 3.1 电路总体结构框图 图5电路整体结构框图3.2 部分电路结构分析 由于此次设计的是双声道的功率放大器，所以上、下两部分电路几乎是完全相对称，两部分的电路工作原理也完全相同，因此在对电路工作

16、原理作出解释时，仅拿上半部分电路为例进行分析。3.2.1 电源输出入部分电路图6电路电源输入部分如上图6所示，电源VCC用6V的直流电源供电，该电源可将220V的交流电源经过变压器变压输出6V的直流电压。图中的开关S3可控制电源VCC的连接与断开。另外该电路的电源并接上了C11(220F)和C12(10nF)的电容，这两个电容器可以起到滤除变压器提供的掺杂在直流电源中的纹波10，使得提供给集成运放电路的6V电压保持恒定不变。 3.2.2 差分输入级图7电路输入级 如上图7所示，用C1(100F)的耦合电容和R1(100k)的电位器起到了隔直、调节音量以及增益的作用。 对于300Hz至3.4KH

17、z的音频信号，C1(100F)的耦合电容阻抗为0.47至5.2.3.2.3 中间放大级图8电路放大级 如上图8所示，该电路中间放大级是由集成运放LM386、R2、R3、C2、C3等组成的放大电路。 工作原理：输入信号通过C1耦合输入到集成运放LM386，当需要大增益时，需将开关S3闭合，集成运放LM386的5输出端经过R3反馈11到反相端输入端，形成电压并联反馈。根据反相比例运算关系计算可知，当R2的滑点滑到滑动变阻器的中点时，集成运放LM386的放大倍数约为-50，如果放大倍数约为-50 则: (1)由公式1可知R1约为250k，根据市场上电阻阻值有240k和270k，同时为保证50的增益，

18、故选择270k。当需要小增益时，需将开关S3断开，靠运放固有放大增益实现放大作用，在LM386的1脚和8脚之间接有一个可变电阻R2和和一个10µF电容C2，可以调节可变电阻的输入电路阻值将电压增益调为任意值，直至200（反向放大）。当R2的滑点在滑动变阻器的最底端时，就会使集成运放LM386的输入端造成短路，使输入电压为零，此时增益最小即音响音量也零；当R2的滑点在滑动变阻器的最顶端时，输入电压为音频交流电压，且此时增益也最大。（此时应调节滑动变阻器R7的输入阻值使运放的固有增益达到最大，约为200）3.2.4 OTL输出级 图9电路输出级如上图9所示，该电路的输出级是由低通滤波器、

19、电容、扬声器组成。其中L1为高频扼流圈12。对于音频为300Hz至3.4KHz的信号，1.0mH的线圈阻抗值约为1.9至21.3，对于100KHz的高频噪声信号，1.0mH的线圈阻抗值约为630，故可选1.0mH的线圈作为此输出级的高频扼流圈。当输出的为高频噪声时就会被高频扼流圈L1扼制，通过R4后再经C5流入地线。当输出的为300Hz至3.4KHz的低音频信号时，信号能通过L1、R4，由于C5的阻抗约为0.99至11k，故该低音频信号只能流经C4(其中C4起着隔直、耦合的作用：隔断直流电压，因为直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈，同时耦合音频的交流信号)，然后再经过扬声器LS1放出音乐。4 元

20、器件明细表：表2 元器件明细表元器件名称参数备注C1、C6100µF电容x2C2、C3、C7、C810µF电容x4C4、C9、C11220µF电容x3C1210nF电容x1C5、C1047nF电容x2R3、R7270k电阻x2R4、R810电阻x2R1、R2、R5、R610k电阻x4L1、L21mH电感x2电源适配器220V交流到6V直流x1LM386x2开关Sx35 结束语： 这次毕业论文设计给我留下了深刻印象，尤其是对于未知知识的探索和理解，整个过程都充满着乐趣和成就感，刚开始的时候我对集成功率放大器的认识是非常肤浅的，但是经过网络与书本、老师与同学的帮助最终

21、使我对它有了一个全新的认识，虽然我能借助许多的资料、询问旁边的老师，但是在电路的设计过程中仍然遇到了不少问题，包括对原理的理解，protel软件的安装、学习与应用，实验电路的设计与调试，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，在调试过程中不能出现理想实验结果的情况，但是在经过对问题的仔细分析以及对实验器材的进一步认真调试，终于一步步的解决问题，并最终得出了理想的实验结果。参考文献1 杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版），高等教育出版社 2006.5:32-372 沈玉琪. 集成音频功率放大器5G37低频自激的研究J. 山东科学. 1988(01):27-333 电子工程手册编委会

22、集成电路手册分编委会编.中外集成电路简明速查手册M. 电子 工业出版社，1991:42-454 李凯,于进杰. 纹波的产生机理与抑制方法的探讨J. 电子技术. 2010(08):22-265 李洪涛. 模拟电子技术教学中OTL电路的探讨J. 科学时代. 2007(01):122-1276 Nisai H Fuengwarodsakul,Marcus Menne,Robert B Inderka,et al.High-dynamicfour-quadrant switched reluctance drive based on DITC. IEEE Trans.on Industry Applications . 2005:63-667 曾兴雯等编.高频电路原理与分析M. 西安电子科技大学出版社, 2001:55-618 张亚,黄克平. 有源模拟带通滤波器的设计J.