【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、電壓的變化范圍很大，那么三極管常常是工作在大信號(hào)狀態(tài)下或接近極限運(yùn)用狀態(tài)，有甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)等各種工作方式。為了提高效率，將放大電路做成推挽式電路，功放管的工作狀態(tài)設(shè)置為甲乙類(lèi)，以減小交越失真。常見(jiàn)的音頻功放電路在連接形式上主要有雙電源互補(bǔ)推挽功率放大器OCL（無(wú)輸出電容）、單電源互補(bǔ)推挽功率放大器OTL（無(wú)輸出變壓器）、平衡（橋式）無(wú)變壓器功率放大器BTL等。由于功放管承受大電流、高電壓，因此功放管的保護(hù)問(wèn)題和散熱問(wèn)題必須重視。功率放大器可以由分立元件組成，也可由集成電路實(shí)現(xiàn)。1．分立元件組成功率放大器 圖1為一個(gè)由分立元件構(gòu)成的直流化的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)OCL電路。電路由差分放大級(jí)、電壓推動(dòng)級(jí)和復(fù)合輸出級(jí)構(gòu)成。本電路引入了直流負(fù)反饋電路，一般功放中由于存在反饋電容，限制了低頻響應(yīng)，為了消除這種不利影響，只有增大反饋電容，但電容較大，會(huì)使電路不穩(wěn)定。該電路取消了反饋電容，徹底解決了這一矛盾。同時(shí)，通過(guò)射級(jí)電阻引入本級(jí)負(fù)反饋，明顯改善了本級(jí)性能并簡(jiǎn)化了電路。輸出級(jí)工作在甲乙類(lèi)狀態(tài)，既顧及了效率，也保證元件的線形工作狀態(tài)。差分管放大倍數(shù)等于200，兩管相差要非常小。電壓推動(dòng)管放大倍數(shù)等于80。在此條件下，加以性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源提供能量和偏置，最后對(duì)整個(gè)電路加以調(diào)試。可測(cè)得：當(dāng)前置輸入20mV時(shí)，輸出功率＞12W。該電路應(yīng)注意非線形失真及噪聲的減小，最終調(diào)試較復(fù)雜。但電路只有基本放大電路，因此功能擴(kuò)展余地很大。 2. 集成功率放大器電路 現(xiàn)在市場(chǎng)上有許多性能優(yōu)良的集成功放芯片，如雙運(yùn)放NE5532，TDA2040，LM1875，TDA1514等。其中TDA2040功率裕量不大，TDA1514外圍電路復(fù)雜，所以在集成功放設(shè)計(jì)中采用LM1875。圖2為用LM1875構(gòu)成的集成功率放大器，其開(kāi)環(huán)增益為26dB，即放大倍數(shù)A=20。其中20kΩ、1kΩ電阻組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)二極管為保護(hù)二極管，輸出端電阻與電容組成防高頻自激電路，正負(fù)電源兩端電容為電源退耦電容。若輸出電阻負(fù)載上功率＞10W，加上功率管上壓降2V，則可計(jì)算得輸出效率為662%，最大不失真電壓峰峰值為253V，輸入信號(hào)電壓峰峰值為253V。該電路仍需對(duì)前置放大電路、波形變換電路、穩(wěn)壓電源和保護(hù)電路加以改進(jìn)，前置放大電路可以采用2級(jí)NE5532典型應(yīng)用電路；波形變換用高精度運(yùn)放OP07完成；穩(wěn)壓電源由LM317和LM337組成；保護(hù)電路由繼電器加三極管電路構(gòu)成。該電路以模擬放大為主，各電路板之間要采用雙芯屏蔽線連接，防止自激干擾。該電路實(shí)現(xiàn)功放參數(shù)合理，較為簡(jiǎn)單。功率放大電路還有其他很多形式，如多級(jí)直接耦合式OCL放大電路，無(wú)論功率放大電路為哪一種類(lèi)型，都要注意前置電壓放大級(jí)、電源電路的設(shè)計(jì)。最后，還要注意由于工作升溫引起的工作點(diǎn)飄移現(xiàn)象，對(duì)其做以適當(dāng)補(bǔ)償以減小電路的非線形失真和穩(wěn)定度的提高。3. 結(jié) 論由分立元件組成的功放，如果電路選擇得好，參數(shù)選擇恰當(dāng)，元件性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)和調(diào)試的好，則性能也很優(yōu)良。許多優(yōu)質(zhì)功放均是分立功放。但只要其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，則性能會(huì)低于一般集成功放。且為了不致過(guò)載、過(guò)流、過(guò)熱等損壞元件，需要加以復(fù)雜的保護(hù)電路。在立元件組成功放中由三極管、二極管、電阻、電容等器件組成的核心電路，提供了自由調(diào)整的余地。集成功放電路成熟，低頻性能好，內(nèi)部設(shè)計(jì)具有復(fù)合保護(hù)電路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件參數(shù)穩(wěn)定，無(wú)須調(diào)整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電路簡(jiǎn)單，保護(hù)功能齊全，還可外加散熱片解決散熱問(wèn)題。　乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路 電路組成　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，兩晶體管分別為NPN管和PNP管，由于它們的特性相近，故稱(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)管。 　　靜態(tài)時(shí)，兩管的ICQ=0；有輸入信號(hào)時(shí)，兩管輪流導(dǎo)通，相互補(bǔ)充 。既避免了輸出波形的嚴(yán)重失真，又提高了電路的效率?！　∮捎趦晒芑パa(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能對(duì)稱(chēng)， 所以這種電路通常稱(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。1. 輸出特性曲線的合成因?yàn)檩敵鲂盘?hào)是兩管共同作用的結(jié)果， 所以將TT2合成一個(gè)能反映輸出信號(hào)和通過(guò)負(fù)載的電流的特性曲線。合成時(shí)考慮到：　?。?）vi=0時(shí),VCEQ1=Vcc ， VCEQ2=Vcc， 因此 Q1=Q2 。 　?。?）由流過(guò)RL的電流方向知ic1與ic2方向相反。即兩個(gè)縱坐標(biāo)軸相反。 　?。?）特性的橫坐標(biāo)應(yīng)符合：vCE1+vEC2=Vcc(Vcc)=2Vcc　　 vCE1的原點(diǎn)與vCE2=2Vcc點(diǎn)重合；vCE2的原點(diǎn)與+vCE1=2Vcc點(diǎn)重合。 　　由以上三點(diǎn)。這時(shí)負(fù)載線過(guò)Vcc點(diǎn)形成一條斜線，其斜率為/RL。顯然，允許的iC的最大變化范圍為2ICm，vCE的變化范圍為2（VCCVCES）=2Vcem=2IcmRL。如果忽略BJT的飽和壓降VCES，Vcem=IcmRL≈VCC。2. 計(jì)算輸出功率Po　　在輸入正弦信號(hào)幅度足夠的前提下，即能驅(qū)使工作點(diǎn)沿負(fù)載線在截止點(diǎn)與臨界飽和點(diǎn)之間移動(dòng)。 輸出功率用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則 　△ABQ的面積。因?yàn)镮om=Vom/RL，所以 　　　　 、T2可以看成工作在射極輸出器狀態(tài)，AV≈1。當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC VCES ≈VCC和Iom=Icm時(shí)，可獲得最大的輸出功率　　 　　由上述對(duì)Po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負(fù)載阻抗RL。 但必須正確選擇功率三極管的參數(shù)和施加必要的散熱條件，以保證其安全工作。3. BJT的管耗PT電源提供的功率　 效率η最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系　 上式表明：當(dāng)Vom ，BJT具有最大的管耗，　 因此，功率三極管的選擇應(yīng)滿足以下條件： 電源部分的設(shè)計(jì) 主供電電源的設(shè)計(jì) 直流電源是電子設(shè)備中供給能量的部分，因此是不可缺少的單元。設(shè)計(jì)的主供電電源選用的是線性電源：這種電源一般用三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)檩敵鲭娐吩伲泳€簡(jiǎn)單，得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中。這里共設(shè)計(jì)了兩組5V電源輸出，電路均采用全橋整流電路。其中的一組是給籃球比賽記時(shí)、記分系統(tǒng)中的CPU、存儲(chǔ)器電路、硬件看門(mén)狗電路、顯示器以及其它的外圍接口電路供電，這里能量的主要消耗來(lái)自于供電正常時(shí)數(shù)碼管的顯示。另外一組直流5V輸出為通信隔離所用芯片的供電，由于只有為幾個(gè)隔離信號(hào)的光藕一側(cè)和通信的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片提供能量，因此該組二次繞組在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了9V／1W的參數(shù)。這里應(yīng)值得注意的是，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電網(wǎng)的波動(dòng)(+20％)因素，因?yàn)榇藭r(shí)，變壓器的二次輸出電壓也跟著增大從而造成三端集成穩(wěn)壓器7805的輸入輸出間壓降的加大，從而導(dǎo)致7805的發(fā)熱，盡管7805內(nèi)部因有過(guò)熱保護(hù)不會(huì)引起電路的損壞，但可能會(huì)造成本電源輸出的間斷性而影響系統(tǒng)的正常工作，因此，在選擇7805的散熱器上，要留有足夠的裕量，保證7805輸出5V電源的連續(xù)性，當(dāng)然，這里考慮的是負(fù)載大的那組電源。 后備電源的設(shè)計(jì) 當(dāng)發(fā)生斷電或停電等突發(fā)事件時(shí)，為使比賽的繼續(xù)進(jìn)行就需要進(jìn)行后備電源的設(shè)計(jì)，以保證比賽的正常進(jìn)行。所以在進(jìn)行的籃球比賽記時(shí)、記分系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)時(shí)除了上述的兩組5V電源外，還要考慮到應(yīng)有檢測(cè)交流電是否停電、停電時(shí)及時(shí)切換啟用后備電源、后備電源發(fā)生故障的告警功能等。（1）電源切換電路的設(shè)計(jì)在交流電正常工作時(shí)，不必啟用后備電源，在交流電停電后,我們必T1導(dǎo)通，T2截止，T3不導(dǎo)通，即后備電源不工作。在停電時(shí)T1不導(dǎo)通，T2導(dǎo)通，T3導(dǎo)通，即后備電池就可以經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器給主板供電了。這樣系統(tǒng)就可以由交流電提供的5V電源和后備電池輪流供電，達(dá)到停電仍能正常工作的效果。圖1 后備電源的啟用交流電提供的5V電池＋后備電源供電 ( 2 )電池充電的設(shè)計(jì)電池需要在交流電上電時(shí)及時(shí)充電，即要設(shè)計(jì)上電檢測(cè)電路。取交流電提供的5V電源信號(hào)作為光耦的輸入端，光耦的另一端是由電池來(lái)上拉的。當(dāng)交流電沒(méi)電時(shí)，光耦不導(dǎo)通。當(dāng)交流電上電時(shí)，光耦中的發(fā)光二極管發(fā)光。電路如圖2。圖2 上電檢測(cè)電路圖交流電提供的5V電池＋上電檢測(cè)端當(dāng)檢測(cè)到交流電上電時(shí)，需要對(duì)電池充電，智能充電器的特點(diǎn)是只有當(dāng)它的負(fù)載為空載后，再加負(fù)載時(shí)才會(huì)自動(dòng)充電，且當(dāng)電池充滿時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止充電。所以在正常情況下，即交流電工作時(shí)，智能充電器是與電池相聯(lián)的。當(dāng)停電時(shí)，電池啟動(dòng)工作。再一次檢測(cè)到上電時(shí)，需要把充電器和電池?cái)嚅_(kāi)一段時(shí)間，再閉合。所以在檢測(cè)到交流電上電時(shí)，需要輸出一個(gè)控制信號(hào)來(lái)，控制充電器與電池?cái)嚅_(kāi)再閉合。則想到了用繼電器，T1導(dǎo)通，T2不導(dǎo)通，繼電器的電感線圈上沒(méi)有電流，繼電器的常閉端是閉合的。，這時(shí)，T1不導(dǎo)通， T2導(dǎo)通，繼電器的電感線圈上有電流，這時(shí)繼電器的常閉端打開(kāi)，充電器和電池?cái)嚅_(kāi)。定時(shí)一段時(shí)間后，T1導(dǎo)通，T2不導(dǎo)通，繼電器的電感線圈上沒(méi)有電流，繼電器的常閉端是閉合的，智能充電器是與電池相聯(lián)的。這時(shí)智能充電器就可以對(duì)電池充電了。如圖3圖3 電池充電電路 電池充電電路圖5VT1T2繼電器充電器常閉端電池6V控制電池充電 2k （3） 電池故障的檢測(cè) 隨著充電電池的使用，其壽命在不斷地縮短，當(dāng)它維持系統(tǒng)正常工作時(shí)間小于一定地時(shí)間后，電池必須得更換，否則在停電時(shí)可能影響系統(tǒng)的正常工作，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，這里，把不能再繼續(xù)使用的電池認(rèn)為它具有故障，當(dāng)然需要在即將發(fā)生故障前及時(shí)通過(guò)智能采集器發(fā)出光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將該告警狀態(tài)發(fā)送給上位管理微機(jī)，通知管理人員及時(shí)更換電池，以保障系統(tǒng)的連續(xù)工作。 大家知道電池正常工作時(shí)，它的電壓變化是隨工作時(shí)間呈一個(gè)較小的負(fù)斜率，而當(dāng)電池故障時(shí)，它的斜率會(huì)明顯變大，我的設(shè)計(jì)思路是利用電壓隨工作時(shí)間的變化曲線，預(yù)先設(shè)定電池電壓的門(mén)檻Vth,電池開(kāi)始工作時(shí)啟動(dòng)CPU內(nèi)的定時(shí)器．當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電壓低于門(mén)檻電壓Vth時(shí)，看定時(shí)器內(nèi)的時(shí)間是否比預(yù)先設(shè)定的安全時(shí)間Tth大．Tth的設(shè)定以建設(shè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)72小時(shí)為依據(jù)，定時(shí)值超過(guò)該時(shí)間門(mén)檻則表示電池還能繼續(xù)使用，否則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將該信號(hào)存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，該信號(hào)的撤銷(xiāo)要等到工作人員更換電池后由上位管理微機(jī)來(lái)撤銷(xiāo)。具體的電路見(jiàn)圖4所示。圖中用精密電壓基準(zhǔn)源MC1403的2．500V輸出作為門(mén)隘電壓Vth，再將電池的電壓經(jīng)分壓監(jiān)測(cè)，用LM393作電壓比較器，比較器輸出通過(guò)上拉后直接送入CPU供監(jiān)測(cè)使用。+5v交流電提供的185。169。181。196。圖4 電池故障檢測(cè)電路圖MC1403電池故障輸入端228。200。235。182。203。電池6V 216。+電池故障檢測(cè)188。224。178。226。R178。185。4321812LM39330K20K24K20K（4）由6V電池穩(wěn)壓為5V電源的設(shè)計(jì)電池提供的電壓為6V，而我們使用芯片的工作電壓5V，所以我們需要把6V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V。則我們要選擇適合的穩(wěn)壓器。我們常用的5V穩(wěn)壓器7805的特點(diǎn)是，三端固定正穩(wěn)壓器，內(nèi)部過(guò)流、熱過(guò)載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能，電路使用安全可靠。輸出電壓為 5V，失穩(wěn)電壓為2V，因?yàn)樗氖Х€(wěn)電壓為2V，而我們需要把6V變?yōu)?V， 壓差為1V，則7805是不能把6V電壓穩(wěn)壓為5V的，我們不能選7805。需要選擇低失穩(wěn)的穩(wěn)壓器。MAX667是低失穩(wěn)電壓線性正穩(wěn)壓器，最大輸出電流為250mA，空載靜態(tài)電流為20μA，輸出200mA時(shí)典型失穩(wěn)電壓為150mV。固定+5V輸出或可調(diào)輸出，輸入電壓++。 電源抗干擾的設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)除了注意上述幾個(gè)問(wèn)題外，還要充分考慮電源的抗干擾措施，本文僅從硬件上考慮幾點(diǎn)電源的抗干擾措施。① 對(duì)于電源變壓器的設(shè)計(jì)，要使其空載電流盡可能小，以降低系統(tǒng)功耗。② 在交流電的進(jìn)線端，即電源變壓器的初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電源濾波器，可以有效地抑制高頻干擾的侵入。我們選用“雙繞阻扼流圈”的濾波電路，它把兩組線圈都繞在同一個(gè)磁環(huán)上，兩組線圈匝數(shù)相同，線間排列均勻一致，由于功率電流在兩個(gè)繞組中所產(chǎn)生的磁通相互抵消，磁芯不會(huì)飽和。加入高導(dǎo)磁磁芯之后，電感量可大大提高，其電感可達(dá)毫亨級(jí)，抑制干擾的能力大為加強(qiáng)；兩根電源線上的差分干擾信號(hào)絕大部分被電容旁路，危害不大；對(duì)于諸如共模干擾信號(hào)等可起到普通扼流圈作用。同時(shí)，該電源濾波器對(duì)高頻干擾信號(hào)阻抗很大，使整個(gè)電子系統(tǒng)與供電網(wǎng)間得到一定程度的高頻隔離，對(duì)外界空間電磁場(chǎng)的干擾也起一定的抑制作用。因此它可以較大程度上改進(jìn)系統(tǒng)的抗干擾能力。③ 在交流電源的進(jìn)線端，并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻，來(lái)衰減大能量、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的干擾。壓敏電阻是對(duì)外加的電壓十分敏感的非線性電阻性元件，其電阻值隨電壓的增加而減少，因此電壓的微增量便可引起大的電流增量，它具有類(lèi)似穩(wěn)壓管的非線性特性。在一般正常工作電壓時(shí)，呈高阻狀態(tài)，僅有181。A數(shù)量級(jí)的漏電流流過(guò)壓敏電阻，相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)，當(dāng)有過(guò)電壓時(shí)，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩?，電流急劇上升，電阻急劇下降，過(guò)電壓以放電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當(dāng)于過(guò)電壓部分被短路。當(dāng)浪涌電壓過(guò)后，電路電壓恢復(fù)到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。當(dāng)然，壓敏電阻的電氣參數(shù)要選擇合理，否則，有可能起不到應(yīng)有的保護(hù)作用。因?yàn)樵谶x壓敏電阻時(shí)，浪涌容量的準(zhǔn)確估計(jì)是很困難的，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，且在交流電源的進(jìn)線一端“雙繞阻扼流圈”濾波電路后，串聯(lián)熔斷器，防止電流過(guò)大而損壞電源電路。 顯示設(shè)備及鍵盤(pán) 大屏幕計(jì)時(shí)計(jì)分?jǐn)?shù)碼顯示屏 LED(Light Emitting Diode)是發(fā)光二極管的英文名稱(chēng)的縮寫(xiě)。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以“LED”，LED顯示器在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常普遍。 LED顯示器的結(jié)構(gòu) 常用的LED顯示器為8段（或者7段，8段比7段多了1個(gè)小數(shù)點(diǎn)“dp”段）。每一個(gè)段對(duì)應(yīng)1個(gè)發(fā)光二極管，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽(yáng)極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，通常此公共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。