一种实用低频功率放大器的制作

张 培，苏品刚，孙加存

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104）

1 低频功率放大器的介绍

将输入信号放大并向负载提供足够大功率的放大器叫功率放大器.它将小信号转变为保持“原样”的大信号，按照电路输出要求的不同，常将放大电路分成小信号电压放大电路和功率放大电路.功率放大器不仅仅是消费产品(音响)中不可缺少的设备，还广泛应用于控制系统和测量系统中.

本文给出了制作具有小信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容和技术路线.图1为系统的总体框图.整个电路主要由前置放大器、功率放大器、带阻滤波器和FPGA控制的显示电路等部分构成.电路结构简单，并给出了测试结果.实验结果表明，该功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性，为功率放大器的设计提供了广阔的思路.

图1 系统的总体框图

2 电路的设计与制作

2.1 电压放大电路

前置电压放大电路用于增强电压幅度或电流幅度，主要对小信号进行放大.

本设计选择差动放大电路构成前置电压输入级电路.核心器件是一对参数对称的NPN型晶体三极管和PNP型晶体三极管，它们共同组成互补推挽放大电路.由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点.另外，制作中选择采用分立的大功率MOS晶体管进行功率放大.这是由于MOS管具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、安全工作区域宽等优点，用大功率MOS-FET做输出管可以获得真空管和晶体三极管所不具备的音质，而且性能要高于许多较好的集成功放.同时为了改善放大器的高频驱动能力，选用的MOS管还具有输入电容小的特点，所以能够以低阻抗驱动扬声器.电压放大电路原理如图2所示.

图2 电压放大电路原理图

2.2 带阻滤波器

带阻滤波器(BEF)又称陷波器，其原理是在某个频带内，某一部分频率的信号无法通过，而其他频率信号可以通过，从而达到抗干扰的目的[1].本设计采用有源型带阻滤波器，原因是这类滤波器通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显.本次设计中的带阻滤波器如图3所示.采用双电源运放LM318实现，能够简化选频放大器的设计，并提高滤波性能，通过开关接入后面的放大电路.

图3 带阻滤波器电路原理图

2.3 FPGA控制

FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列.VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)是一种用于电路设计的高级语言.采用VHDL语言进行程序设计，整个软件在Quartus II 7.2开发环境中进行编译、功能仿真及下载.以ALTERA公司的 Cyclone 系列EP1C3T144为主芯片，开发平台配有I／O口、10 M有源晶振、JTAG模式配置接口、扩展16×2字符液晶模块等[2-3].设计中，先通过一路A／D转换芯片TLC549检测电路的直流工作电流，以便计算电源的供给功率，然后进行交流电压平均值转换.再通过另一路TLC549检测出该电压值，从而计算出输出功率，最后通过LCD液晶显示出来.

3 测试结果

输出功率与频率的关系如表1所示.测量时使用带宽为2 MHz的毫伏表，在工作频率为10～50 kHz时，输出噪声电压低于5 mV，具有良好的信噪比性能.

表1 输出功率与频率

当输入电压为10 mV，输入信号的频率f分别取10 Hz，20 Hz，5 kHz，50 kHz时，对应的输出信号如图4所示，可见输出波形均无明显失真.

图4 不同频率的输出信号波形

4 结 论

本文设计的低频功率放大器的前置功放级选用优质低噪声运放，使放大后信号的失真度和噪声都很小.功率放大级选用在噪声、转换速率、增益等方面都很优异的分立大功率MOS晶体管，保证电路有足够大的增益输出且性能稳定，输出波形无明显失真，输出噪声电压低，整机效率高，通频带范围得到了进一步扩展.本设计简单实用、制作成本低廉，而且性能可靠，能够满足人们对音响设备的不同需求.

[1] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：航空航天大学出版社，2006.

[2] 徐志军，王金明，尹廷辉，等.EDA技术与PLD设计[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[3] 李国洪，沈明山.可编程器件EDA技术与实践[M].北京：机械工业出版社，2007.