6. 音频功率放大器(题目分析与答疑)
- 音频功率放大器
负载8欧姆;
输入阻抗 1k欧姆
总增益 :>70dB(功率增益)。
3dB带宽:50Hz~15kHz
满负荷输出信噪比:> 30dB
失真度: < 2%
电源标准:+-5V,+-12V,+-24V
设计报告包括以下内容:
1.电路原理图
2.印制板图
3.电路工作原理
4 . 仿真
*********************分割线,李瑄于2014/12/20更新,题目点评*****************************
总的概念:
请参考模电第9章的知识。参考书《晶体管电路设计(上)》的功放设计,里面手把手教了功放设计;
- 模电前6章是讲基础和分析方法,后面几章都是讲应用;
- 音频功放的设计要点是:高输出功率、低失真;
- 需要用的的基本知识有:功率输出级设计(高输出功率,低失真)、负反馈(减小失真。注意稳定性)、级联放大器设计(级间耦合);
设计指标分析,请认真看完,这是一些基本知识的普及,以及帮助你理解电路
音频功率放大器设计要点(通用)
- 多级电路,在设计前,明确每一级的指标,尤其是接口指标。包括:供电电压、增益、带宽、输入阻抗、输出阻抗、耦合方式、若是直流耦合则需耦合电平、等
- 放大器有三种基本组态,分别有不同的特点,根据需要选用每一级的组态。下面简单介绍几种常见组态:
- 共射——增益可以很高、输入阻抗高,输出阻抗较高,带宽受miller效应影响而受限;
- 共基——增益一般、输入阻抗很低、输出阻抗较高,不受miller效应影响,带宽较高;
- 共集——增益≈1、输入阻抗很高、输出阻抗低,不受miller效应影响,带宽较高;
- 晶体管由于输入的非线性,大信号输入基极时,很容易产生输出电流波形失真;可以用大环反馈减小失真;
- 输出级常采用class AB结构以增大输出级效率,而class AB结构存在交越失真,可以采用将两个输出管基极加上恒定1.4V左右电压差来消除(如采用流过一定电流的两个二极管串联来提供1.4V压降);也可以引入负反馈来进一步减小失真;
总增益 :>70dB(功率增益),3dB带宽:50Hz~15kHz
1.一般以及放大器的设计增益为20dB左右为宜,所以,需要多级级联;
- 没有要求到DC,而是从50Hz起步,故级间耦合也可以采用交流耦合,降低了一定的设计难度;不过由于50Hz也很低,所以耦合电容需要比较大,以配合较低输入电阻来降低输入的高通截止频率;
- 最高带宽要求到15kHz,要求不高,较易实现;
- 也建议考虑用反馈减小失真:每级高增益,使得开环总增益>100dB以上,并保证开环增益的频响在15kHz处要>80dB,最后引入个大环负反馈来稳定增益;(需要:一方面是反馈理论的分析,与反馈模型的设计;另一方面是反馈引入的方案设计;再一方面是反馈的稳定性调试);
负载8欧姆,输出功率 1W
- 8Ω电阻上的1W功耗,因P=V^2/R,故相当于2√2 V的有效值,即4V的幅度,=8Vpp的峰峰值;所以+-5V电源的不失真输出余量就太小了,建议采用+-12V电源,反正没有输出效率的要求;当然,也可以采用+12V单电源设计,输出管发热更小,电路效率也会大大提高,单电源也容易产品化。
- 8Ω电阻上,交流电流可达0.5A有效值,故输出管需要采用Ic>0.5A的,最好留余量到1A以上;输出可采用交流耦合降低静态输出,也隔离了DC下的负载与输出级,使得输出级工作点设计更加容易,(注意交流耦合电容要很大才能保证低频频响);
满负荷输出信噪比:> 30dB,失真度: < 2%
- 信噪比=信号功率/噪声功率;30dB=1000倍功率比=约31倍电压比;满负荷输出功率为1W,故满负荷输出时,总失真+噪声不能超过1mW(这个要求其实不太高);
- 失真度,即总谐波失真功率(即THD)/总输出功率。THD的指标是指在fo=1KHz正弦波输入,功率在1/2额定输出功率时的总谐波失真,由放大器的非线性引起,常在频域用谐波总功率来分析计算。
- 噪声的来源一般有:热噪声(由大电阻上的热噪声电压引起,功率谱密度正比于电阻,总噪声功率=功率谱密度×带宽,可采用低阻电路减小热噪声)、散粒噪声(由半导体的制作缺陷引起,采用制作工艺较好的低噪声三极管来减小它);还有因放大器的非线性失真产生的总谐波功率,等效为失真噪声(通过输入单频信号,测量输出频谱里的各次谐波的功率,并叠加起来);
- 消除热噪声的关键在于第一级放大电路的设计,因为第一级放大电路产生的热噪声会逐级放大,对整个电路总噪声的贡献最大。第一级低噪声设计一般是通过低阻抗化第一级电路实现。避免大电阻在第一级出现成为噪声源;
- 低失真的设计主要取决于最后一级输出级,因输出级常采用class AB结构以增大输出级效率,而class AB结构存在交越失真,可以采用将两个输出管基极加上恒定1.4V左右电压差来消除(如采用流过一定电流的两个二极管串联来提供1.4V压降);
- 建议考虑用反馈减小失真:每级高增益,使得开环总增益>100dB以上,并保证开环增益的频响在15kHz处要>80dB,最后引入个大环负反馈来稳定增益;(需要:一方面是反馈理论的分析,与反馈模型的设计;另一方面是反馈引入的方案设计;再一方面是反馈的稳定性调试);
在实际设计上,若遇到什么问题,欢迎在下面积极提问~
若是仿真问题,请移步此贴提问:模拟电路仿真,推荐LTspice。简介,教程资料,以及答疑
本题在仿真中,可能会遇到的问题大概有:
- 对输出波形进行FFT以计算总谐波失真功率;
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