实用低频功率放大器设计

一、    主要电路的设计及计算
1． 输出额定功率及增益分配
考虑到功率要求，初步选定输出功率P0=16W，由于负载为9Ω（市场上大功率电阻无Ω标称值），则要求输出正弦波幅值为
Vom=(2·po·R)1/2=(2×16×9)1/2≈17(V)
这一幅值同电源电压选择及效率密切相关，将在此后的电源部分进一步讨论。
由于输入正弦波幅值最小为5mV，故整个放大通道的电压增益为
AVO=20Lg(17/5×10-3)≈71dB
         功率放大仍采用大环电压并联负反馈，电压增益为
            AV2=20lg(R3/R1)≈20lg(270kΩ/22kΩ)
所以，前置放大级电压增益为：AV1= AVo- AV2=71-22=49dB确定前置级采用现两级。
2．前置放大级设计
前置放大级主要完成小信号的电压放大任务，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。据此两级放大器都设计为带有并联负反馈的放大器，因电压并联负反馈具有良好的抗共模干扰能力。
第一级前置级增益为
       AV1=(R2/R1)=(150KΩ/10KΩ)=15≈24dB
第二级前置级增益为
       AV2=(R5/R4)=(150KΩ/10KΩ)=15≈24dB
考虑到输入信号的变化范围很大，用RW1做分压器来改变整个系统的增益.为了稳定功放的工作点,前置级与功放级之间采用钽电容(CA)耦合.
3.功率放大级设计
(1)选择功率末级的推动管和输出管
一般推动管T1、T3的电流增益β1在100左右，输出管T2、T4的电流增益β2在40左右。这两类管子的两个关键参数为特征频率ｆT与集电极最大允许耗散功率PCM.
特征频率ｆT与放大电路上限(下降3dB)频率ｆH有如下关系：
ｆT≈ｆh·β
系统阶跃响应的上升时间tr与放大电路上限频率ｆh如下关系：
tr·ｆh≈0.35
推动管T1、T3的特征频率
ｆT≥(0.35/ tr) β1=(0.35/12×10-5) ×100≈3MHz
输出管T2、T4特征频率为
ｆT≥(0.35/ tr) β2=(0.35/12×10-5) ×100≈1MHz
对乙类OCL 放大器来说,PTM≈0.2POM. POM为单管最大管耗, POM最大不失真输出功率(假设为16W),甲乙类OCL应大于此。因此输出管PCM＞0.2×16W≈3W.
根据以上计算,并考虑到指标提高及工程实际,推动管选用对管2SB649﹑不2SD669,其参数ｆT=140MHz,PCM=15W,VCEO=180V.输出管选用对管2SA6114,2SC2707,其参数为ｆT=60MHZ,PCM=150W,VCEO=180,可以满足设计要求.
（2）功率放大器各管的工作点
考虑到本电路工作于甲乙类，若设效率为70%，则允许末级管耗PT为输出功率之30%。
PT=2VCC×Ieo=0.3PO(VCC≈21V,)
Ieo=(0.3×16/42)=0.114(A)
VR14=0.7+ Ieo·R14=0.725(V)
Ie1≈(VR14/R)=0.022(A)
Ub1≈0.7+ Ie1·R10=1.18(V)
RW2=(Vcc-Ub1)/｛(Ub1—Ud1)/[ R8＋(RW3/2)]｝
≈(21-1.18)/(0.48/250)=9.8(kΩ)
（3）要做到尽量小的失真
由于采用OCL电路，首先要保证正、负两边放大电路的对称，包括电源值的对称，T1与T3，T2与T4的放大倍数β相等，对应电阻值、二极管压降相等；第二为了减小交越失真，应把T1～T4的工作点适当提高。实际上电源值很难达到对称，尤其是推动管T1、T3和输出管T2、T4的β值更做不到对称相等。补偿方法一是通过调节RW2，RW4，RW1使输出点TP2-2的静态电位尽量接近零伏，二是为了补偿由于管结温的升高其β值的增加，采用具有负温度系数的二极管D1、D2（IN4148）对其进行补偿。同理具有负温度系数的热敏电阻RT也具有相同的作用(见图A-1-2).

4.电源电路的设计
⑴如前所述,本电路输出正弦波幅值为Π=17V,从提高效率考虑，功放级电源电压越接近17越好，但考虑到管压降等因素，选取用了一个双18V变压器。经整流滤波可得VCC≈±21V电压。在这种情况下，若本电路工作于乙类，则效率η为
                         η=∏/VCC=17/21≈64%
实际上，由于工作于甲乙类，效率将更低，若初步将效率定为60%，则要求变压器的输出功率Pdc为
                          Pdc=P0M/η=16/0.6=26.7W
（2）考虑系统其他部分的耗能及留有裕量，选择了一个40W、双18V输出变压器。
整个系统既存在大信号（功放级），也存在小信号（前置级），所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干抗。因此要采取单点接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上（见图A- 1-3）。

5．功率指示和保护
本电路附加了一功率指示和功率保护电路，其原理简述如下：从图A-1-3中F 点输出的信号经一电阻采样，送入TA7366（5位电平指示器，见图A-1-4），适当调整采样电阻的值，使电平指示的最高位对准本功放的临界失真功率。当最高位LED点亮时，其压降约1.8V，以此电压触发单向可控硅，再推动继电路，将功放通道的电源断开。不需要保护时只需将可控硅的阳极断开。
6.各部件的安放位置
变压器远离前置板和输入点；散热片靠外，远离前置板；IN4148，RT尽量靠近散热片。

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