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BW>50Hz-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
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