6. 音频功率放大器（题目分析与答疑）

1. 音频功率放大器

输出功率 1W，
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；

1. 模电前6章是讲基础和分析方法，后面几章都是讲应用；
2. 音频功放的设计要点是：高输出功率、低失真；
3. 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）

1. 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
2. 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：
3. 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；
4. 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；
5. 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；
6. 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；
7. 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；

1. 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；
2. 最高带宽要求到15kHz，要求不高，较易实现；
3. 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

1. 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。
2. 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％

1. 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）；
2. 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。
3. 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）；
4. 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；
5. 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）；
6. 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）；

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本题在仿真中，可能会遇到的问题大概有：

1. 对输出波形进行FFT以计算总谐波失真功率；