反馈电阻为什么不直接接到放大器的同相端

反馈电阻为什么不直接接到放大器的同相端

《低频功率放大器设计》
一、系统方案
1．设计要求
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器.其原理示意图如下：

1．基本要求
（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV,等效负载电阻RL为8Ω下,放大通道应满足：
① 额定输出功率POR≥20W；
② 带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；
④ 在POR下的效率≥55%；
⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时,RL=8Ω上的交流声功率≤10mW.
（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源.
2．发挥部分
（1）放大器的时间响应
① 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：频率为1000Hz、上升时间≤ 1μs、峰-峰值电压为200mVpp.
用上述方波激励放大通道时,在RL=8Ω下,放大通道应满足：
② 额定输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；
④ 在POR下输出波形顶部斜降≤2%；
⑤ 在POR下输出波形过冲量≤5%.
（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减小非线性失真等）.
2、主要电路的设计与计算
1. 功率放大级电路设计
当功率放大器以 的满功率不失真输出时,输出电压的幅度为
为留有充分的余地,取 .由此可以计算功率放大器的总电压增益 ,即
用分贝表示,
功率放大级电路可直接选用集成功率放大器,也可以选用分离元件来组成,但是由于集成功率放大级的调节往往达不到目的,故选用由分离元件晶体管组成的功率放大电路,电路图如下所示：
其中 、 组成差分放大器,如果电路的参数完全对称则电路具有很高的共模抑制比,可以克服由温度变化引起的静态工作点的漂移.晶体管 组成电压放大器,为末级功率放大电路提供驱动电压.晶体管 、 、 、 组成末级功率放大电路,输出端为互补对称的OCL电路.这3级之间采用直流耦合,并引入直流负反馈,电压增益为反馈电阻决定,即 .反馈支路并联电容 可以减小高频自激.
（1） 末级功率放大电路
本设计的技术要求：在额定功率下,输出的正弦波信号的非线性失真系数 3%,效率 55%,所以末级功率放大电路工作在甲乙类比较好.因为工作在甲类状态,虽然非线性失真系数小,但效率较低,一般小于50%；如果工作在乙类状态,虽然效率高较高,但输出波形,容易产生交越失真,达不到非线性失真系数 3%的要求.上图中二级管 、 、 和电位器 是用来调整电路的工作状态的.静态时,调节电位器 ,使A,B间的电压为2.8.V,即近似等于晶体管 、 、 、 的be结电压之和.晶体管 、 、 、 静态时外于微导通状态,O点对地的电压应为0V,从而克服交越失真.
采用+ 、- 双电源供电,由上面计算可得,输出电压的幅度为+20V,则 +20V,为留有余地,选+ =24V,- =-24V.
功率输出晶体管 、 选用一对大功率互补对称的场效应晶体管2N3055和MT2955.其特征频率 ,耗散功率 20W,选 50.驱动管 、 也是一对互补对称的晶体管,其特征频率 ,耗散功率 500mW,选 80.
（2） 电压放大电路
电压放大电路给末级功放提供驱动电压 ,晶体管 构成；静态工作点由电阻R4、R8、R9决定,取集电极电流 为6mA左右.电容 是高频电压负反馈支路,防止高频自激.
（3） 差分放大器电路
差分放大器电路由晶体管 、 构成.选择差分放大器电路作为功率放大级的前级,主要是为了提高电路的抗干拢能力.电路的静态工作点由电阻R6和 及R2和 等决定,差分对管的集电极电流通常取1mA左右.
2．前置放大级电路设计
前置放大级电路的主要功能是将5mV~700mV输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的1.4V输入信号.因此,需要解决两个问题:一是本级400倍的电压放大倍数和带宽BW50Hz-10KHz的矛盾;二是对5mV-700mV范围内的信号,都只能放大到2V.以满足额定输出功率Po 20W的要求.对于前者,可以采用二级放大器,因为放大器的增益带宽积是一个常数,第级的增益减小,带宽就可以提高.对于后者,可以设计一个音量控制电路或自动增益控制电路,使功放级的输入信号控制在2V左右.根据以上思路,设计的前置放大级电路如下图所示.
其中,NE5532是一个双运放集成运算放大器,可以有来构成 , 二级放大电路.其主要性能参数如下：
增益带宽积10MHz,转换速率为9V/ ,共模抑制比100 ,输入电阻300k .设前置放大器的 增益为:
对于幅度为5 mV~700mV的输入信号, 的输出幅度为100mV~14V .选电源电压+ =24V,- =-24V.第二级放大器的输入信号的大小由音量控制电位器进行控制.设 的增益为
对于100mV的输入信号,不经过电位器 衰减,直接由 放大至2V；对于大于的100mV信号,则调节音量控制电位器 先进行衰减后再放大,使得 经放大后的信号的幅度也为2V,以满足功率放大级输出额定功率 的要求.
3．方波发生器电路设计
方波发生器电路的功能：一是要将信号源输的1000Hz正弦波变为正负极性对称的方波,且 =200mV；二是方波信号要经过放大通道进行放大,使输出达到额定功率 .此外,还要满足方波波形成参数的要求.首先从方波的波形参数考虑,选用快速比较器LM339或LM139组成一个过零比较器,其上升沿和下降沿的时间均小于0.5 . 的同相端接 放大后的正弦波信号,反相端接地,实现过零比较. 的输出为 的对称方波.经R8、R9电阻分压后的输出信号的峰-峰值为200mV.再将开关S1置于2处,方波信号经过放大通道进行放大,使输出达到额定功率 .
4．稳压电源设计
根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求,需要稳压电源输出的两种直流电压,即前置放大级的 和功率放大级的 . 电压可选用集成稳压电源LM7812和LM7912芯片直接输出, 电压可以选用电压可以调节的集成稳压电源电路芯片LM317、LM337.其性能参数为：输出电压调节范围1.2~37V,最大输出电流,最小输入1.5A,最小输入,输出压差为3V,最大输入,输出压差为40V.直流稳压电源如下图所示.
其中,LM317和LM337的输出电压可由下式决定.
式中,R1一般取200 左右,若取220 , =18V,则 3K ,取4.7K 精密电位器.
电压变压器的参数计算如下.稳压电源消耗的直流功率为
式中,稳压电源的输出功率 应大于功率放大器的额定输出功率20W.取 =25W,效率 =66%,则电源消耗的直流功率 =38W,通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率,为留有余地,电源变压器的功率Tr取50W.
变压器副边的电压 的计算如下：设LM317的压差为3V ,则LM317的输入端的电压为21V,若取二极管桥式整流器的系数为1.1,则变压器副边的电压为 21V/1.1=19V,取为20V.
由以上分析计算,可选用一个功率为50W,输入为二路20V的电源变压器,也可自制.
的电压可以由LM317、LM337输出的 电压获得,即将LM7812和LM7912接的 输出,、因数字音量控制和电平指示电路需要+5V的电压供电,所以还要将LM7812的输也接一片LM7805
5．数字音量控制和电平指示电路设计
为了满足输入信号的幅度在5mV~700mV的范围内,功率输出级的输出功率的额定功率 10W的要求,在前置放大级的第二级 的输入端采用电位器RP1对大信号进行衰减.如果RP1不是处在最大的衰减位置,而输入信号又比较大,则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率,很有可能烧坏功率放大器.为了避免这种情况的出现,设计了一个数字音量控制电路.如图所示,
其中CD4051是一个8选1的模拟开关,CD4516是一个4位十六进制异步可逆计数器,由555组成单稳态电路,产生计数脉冲,脉冲宽度 .电路工作原理是：接通电源,由C3,R11组成的置数电路给计数器CD4516置数,其输出 =000,则8选1开关的CD4051接通.这时输入信号经过电阻网络最大的衰减后,再由CD4051的I/O端输出,从而避免了因输入信号较大而损坏功率放大器的情况,CD4051的输出信号经耦合电容C4和电位器RP1进一步调节后使输出保持 75mV左右,再送入前置放大器第二级 的输入端.输入信号 来自前置放大级第一级 的输出, 的范围为100mV~14V..当 为100mV时,调节计数脉冲,使计数器的输出 =111,则CD4051接通I/ ,输出 100mV；当 为14V时,使计数器的输出 =000,则CD4051接通I/ ,输出为（14 V/100）×0.5=700mV;再调节RP1使 100mV.由此可见,对于100mV~14V范围内的输出信号,经过数字音量控制电路后均变为100mV左右,从而满足输出额定功率的要求.
电平指示电路是功率放大器的功能扩展电路.在音量控制电路中,只要增加1只74LS138译码器和8只发光二极管就可以实现电平指示功能,如图所示,因为计数器的输出 的状态与CD4051的输入信号 的大小是一一对应的,所以74LS138的输出也与 的大小相对应,则8只发光二极管可以将 分成8级进行指示
3.电路安装与调试
功率放大器的安装方法是,将整机争成4个电路板,即前置放大电路板、功率放大电路板、数字音量控制电路板和稳压电源电路板.各个电路板之间采用排线进行连接.
功率放大器的电路调试方法是,先调整各个电路板的静态工作点和性能参数,再逐级的级联,进行整机联调.
4.主要技术指标测试
电路级联成功后就可以进行功率放大器整机性能指标的测试工作了,
功率放大级接 、前置放大级接 、数字音量控制级接+5V；负载电阻RL=8 ,信号源为正弦波.输出Vop为负载电阻8 两端的电压,测试数据好下.
（1）.额定输出功率Por测试
测试数据如下表所示,
(2)带宽BW测试
f
(3)非线性失真系数 测试
（%）
（4） .交流声功率测试
（5） 整机效率测试
（6） 发辉部分方波参数测试