功率放大器的设计方法

一、实验目的

掌握功率放大器的设计方法。

了解功率放大器的测试方法。

二、实验内容及结果

实验内容

自主设计一低频功率放大器，满足如下要求：

(1)输入正弦信号电压有效值为5mV，在8Ω电阻负载(一端接地)上，输出功率大于1W，输出波形无明显失真;

(2)通频带为20Hz~20kHz;

(3)输入电阻为600 Ω。

实验具体要求如下：

(1)设计电路，利用Multisim软件绘制电路原理图。

(2)阐述功率放大原理。

(3)在输入信号有效值为5mV下，测量负载电压有效值，计算实际输出功率，验证是否满足1W。

(4)测量电路电源输出电流，计算电源输出总功率和所设计功率放大器的效率。

(5)测量整个电路的通频带，记录3dB带宽的截止频率，计算截止频率的误差。

实验结果

(1)在下方列出所设计电路的原理图，并进行电路原理的阐述，说明电路放大倍数和输入电阻的设计原理。

整机电路图

示波器显示如下，可以看到达到功率放大要求且输出信号没有失真

电路分为3个部分：

前置放大部分，为反向比例放大电路，需放大150倍，所以电阻选择R1=90.9k，R2=600，90.9k/600=150。

带通滤波器部分，由一个低通和高通滤波器构成，由于通频带为20Hz~20kHz，由查表法可以选出电阻。

由查表法得到R5=1.422KΩ，R6=5.399KΩ，C4=6500pF，C1=1588pF;C2=4uF，C3=7uF，R7=2.251KΩ，R8=1.125KΩ。

功率放大部分，为反向比例放大电路，需放大10倍，所以电阻选择R9=3k，R10=30k，3k/30k=10。

(2)在输入信号有效值为5mV下，测量负载电压有效值(给出仿真图)，计算实际输出功率，验证是否满足大于1W。

整体仿真图如下：

8Ω两端电流:

8Ω两端电压：

(3)测量电路电源输出电流，计算电源输出总功率和所设计功率放大器的效率。

电源输出电流：15V/8Ω=1.875A

电源输出电压：15V

电源输出功率为Pi=15^2/8=28.125W

实际电路输出功率如图：

同样计算可得到相同值Po=13.372^2/8≈22.4W

所以转换效率η=22.4/28.125=79.64%

(4)测量整个电路的通频带(给出幅频特性图)，记录3dB带宽的截止频率，计算截止频率的误差。

仿真结果如图满足3dB带宽要求：

 

由查表法得到的元器件值和Ap值，计算过程如下：

理论低通与高通滤波器通带增益均为：Ap=1+0=1

理论低通滤波器上限截止频率：fc=1/(2πR2C1) ≈ 18572.8Hz=18.5728kHz

理论高通滤波器下限截止频率：fc=1/(2πR4C3) ≈ 20.2Hz

计算得出下限截止频率误差≈2.39%，上限截止频率误差≈8.45%。

三、实验思考题

1、实测中功放的效率应该如何测量?

答：测量实际输出功率，需要音频信号发生器和音频电压表(或示波器等)，根据其在固定负载件下的输出电压幅度计算。

2、D类功率放大器的优点和缺点是什么?

答：

优点：D类功放具有很高的能量使用转换率,而且它的体积很小,具有很强的可靠性。

D类功放可以直接实现群控、遥控、监测等功能,而不需要添加任何的装置。

D类功放没有高频、中频、低频的相对变化,它的声音非常清晰,而且声响有很准确的定位。

D类功放的使用范围很广,其连接的负载阻抗最低值可以达到很低,另外不管负载阻抗值如何变化其电池转换率基本不变。

缺点：D类功放保真度比甲类和甲乙类功放差