功放在60~20KHz频率下的波形输出测试

ID:104126 · 发表于 2016-1-24 03:02

本帖最后由 51heisex 于 2016-1-24 03:08 编辑

常用音响的工作范围多在60~20KHz带宽范围下工作，这个也在人耳可以识别的区间内，同样可以较好的保证音质。测试功放在两个极值时的工作情况，输出波形除有轻微的交越失真外，并未出现波形切头和切底的情况，且波形与原始信号完全同样的形状。故只需要再设计防交越失真的补偿电路即可，另外需要设计巴特沃斯BPF来实现20K~60K频率范围工作带宽。见下图的测试波形：

60HZ时的波形：

20KHZ时的波形：

考虑到音频设备输出电压一般为±1~2V，所以为保证最高时减小出现失真的机会，故调整输入级的RC电阻值，降至为20Ω，增益变为20dB，在现实中也容易找到该大小的电阻。以下为修改后的电路和加载±2V时的信号波形：

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由于前期设计的1200W功率过大，无论从实用性及实现角度来讲，都不太贴合实际情况，故将功率降低至最大200W，可在家中使用。
设计中采用以下优化：
1.依然采用自创的逐步接近法设计，减少中间过渡级数，降低信号在传输中的偏差率；
2.输入级采用达林顿来大幅度提高输入阻抗（1.8K左右），保证音频输入设备的输出信号衰减极小，可接MP3、随身听等微型播放设备；
3.增加输入补偿二极管，减小达林顿偏置电压的影响，电路0点漂移可忽略；
4.最大输入音频电压范围在0~±1.8V，信号越小失真越小，但功率会降低；
5.输出负载极低，最小可接入5欧的负载，信号电压的衰减程度可以接受；
6.降低电源电压，降低电路的功率，可有效节约能源，且能增大一定的安全性；
7.降低放大器增益(从27dB降至21dB)，有效遏制峰峰值极点畸变，防止出现啸叫声；波形在8欧姆及输入±1.8V时几乎无失真；
8.电路效率大幅度提高，能效比接近1.2；

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以下为最初设计的结构，波形尖峰失真交严重，且功耗大。另外会对信号源产生影响，引起输入信号加载失真。见下图：

上图为挂载100V 5欧姆的扬声器的波形图，原始频率为±1V，经过放大器后接近于27dB，基本符合要求，但有整体轻度上漂的问题。
见图中的两个电压波形传感器对应的波形图中的颜色。

我制作功放的51黑文章列表：
功放在60~20KHz频率下的波形输出测试：http://www.51hei.com/bbs/dpj-42849-1.html
带电压串联负反馈的功放电路:http://www.51hei.com/bbs/dpj-42848-1.html
最终完成的功放电路:http://www.51hei.com/bbs/dpj-42847-1.html
带低频急速衰减的功放:http://www.51hei.com/bbs/dpj-42846-1.html

ID:104126 · 发表于 2016-1-24 03:03

下一步的设计和测试：
1.完成交越失真补偿电路；（已完成，测试后波形交越失真较小）
2.设计巴特沃斯BPF，带宽范围60~20KHZ；
3 .接入8Ω 200W的扬声器在orcad用正弦波仿真测试；
4.用matlab混合随机信号与orcad连接做信号分析；
5.找元器件开始制作；

ID:104126 · 发表于 2016-1-24 03:04

全部修改后的功放框架

因静态工作点偏离过大，之前的设计全部推倒重做。调整电路结构并修改为如下参数：
1.调低增益，目前为 15~16dB之间，效率降低至65%~70%；
2.功率为160W最大；
3.内部工作电流最大3.5A，需要~220V 1A到±24V 4A规格的稳压电源。
4.电源依然采用±24V；
5.输出阻抗最低仍为5欧，该该衰减仍为可以接受的范围；
6.电路采用电位差+达林顿+正负电源设计法（根据铃木雅臣的传统设计法加以改造）来增大输入阻抗，为4.3K左右，并使得波形无0电位上下漂移，切增加了负半周的波形峰值，可以用在高阻抗输出的微型播放设备，信号衰减极低；
7.对原始信号的放大范围在0V~3V之间，可播放微型侦听设备、MP3、walkman、计算机、家用电器等设备；
8.对原始信号放大失真率小于0.1%
9.调整输入阻抗R1和R2的阻值，稍增大基极电流的数值，使得倍数达到（Ic/β）的12倍。使得数值贴近市面常见阻值，并容易凑整。
以下为极小值、中间值和极大值的测试，考虑干扰及尖锐信号的出现，实际可放大至3.5V：

原理图及探针颜色：

5mV输入测试，波形无失真：

1.5V中间值测试，无失真；

3V极大值测试，考虑播放机声音输出最大声音时，无失真，不切头和底：

ID:104126 · 发表于 2016-1-24 03:05

终于可以进入下一步设计和测试

1.由于采用电位差法，交越失真已几乎不存在，可不用设计补偿电路；
2.设计巴特沃斯BPF，带宽范围60~20KHZ；
3 .接入8Ω 200W的扬声器在orcad用正弦波仿真测试；
4.用matlab混合随机信号与orcad连接做信号分析；
5.找元器件开始制作；

ID:104126 · 发表于 2016-1-24 03:05

功放基本定型--功率计算错误，就此纠正

经过N天的思考和尝试，加入电流串联负反馈后终于尝试成功。
1.目前增益增高至21~22dB；
2.电阻经计算选取后，为市面上常见可以购买到的阻值；
3.再次降低功耗到最大40W；(应该为：24*24/(2.4+16)≈32W)
4.反馈深度暂时作为保留问题；

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