一款舞台级的放大器从设计仿真到测试

丝竹之音

一 设计目标：
1.功率大，设计目标要能达到500-1000W以上；
2.失真度低，越低越好；
3.信噪比高，越高余越好；
4.电压范围宽，最少要有2-3倍的电压范围，比如输入+-20-60V都能正常工作；
5.基本保护电路。
二 设计思路：
1.为了达到大功率采用3级电流放大，均采用发射极输出，第一级电流放大采用中功率管，第二级电流放大采用一对大功率管推动第三级多对大功率管，也就是第二级何第三极电流放大的功率管同型号；
2.为了达到低失真采用全对称全互补电路结构，差分级采用一对NPN三极管放大正半波，一对PNP管放大负半波；电压放大级和电流放大级均采用NPN+PNP管分别放大半波；
3.为了实现宽电压差分级采用恒流源偏置和恒流源负载，这样能在宽电压范围内保证各级静态电流恒定不会随电压变化而变压，同时具有了很高的电压纹波抑制能力，从后面的本底噪声测试就能看出来；
4.基本保护电路目前只做了扬声器保护（已调试成功,功放输出+-1.4V继电器动作切断扬声器，开机延时3秒接通扬声器，关机立即切断扬声器），过载保护（还未调试），后续待加入过热保护；
三 基本原理图设计仿真，目前仿真了一个2级电流放大的，失真度和动态都还不错;


可以看出失真度只有0.002%；
再看下放大器的速度：

可看出100KHz的方波也基本能重现；
四 测试：
1.先看看实物图：



从实物可以看出本放大器装了6个80V1WuF的强大电容，最多可以装10对C5200/A1943级别的大功率管，最多可以4个25A整流桥并联。
供电可以单级也可以2级，采用2级时1个整流桥1个滤波电容给驱动级以前供电，采用1级时3个整流桥3个滤波电容给功率级供电。
继电器是40A的汽车继电器。
2.测试的电源目前手头上没有大功率的变压器，只有2个250W的环形变压器，输出单26V,这里串联起来单52V，接AC输入端并联起来和地线
组成倍压整流成+-70V供电，带重载压降比较大。后续会改用大变压器测试。

3.信号源的失真度，非常不幸的是手头的信号发生器本身失真比较大，在0.03%左右；

4.测试负载：
4个4R1000W电阻，可以串并联使用；

带载8R的失真度：

可以看出输出约38V失真度仅仅0.03%和信号源失真度一样，说明放大器本身并没有带来失真，放大器的失真至少要比信号源低一个数量级；
带载8R的最大功率：

可以看出带载8R最大功率为242W.
带载4R的失真度：

可以看出带载4R后失真度并没有增加还是0.03%；
带载4R的最大功率：


可以看出带载4R最大功率为38*38/4=361W.
带载2R的失真度：

可以看出带载2R负载失真度也没有增加还是0.03%，和信号源一样。
带载2R的最大功率：

可以看出带载2R最大功率为30*30/2=450W.
此时电压已经从70V掉到40V出头了，电源供电已经严重不足了,后续等大牛到了再测试。
这里再测试一个本底噪声，那是非常低，100mV的量程几乎无显示


认真看也仅仅0.2mV左右按输出40V计算换算成信噪比就是106Db。

zm70

信号源可以用电脑声卡播放正弦波音频，失真度肯定比你信号发生器的低

丝竹之音

zm70 发表于 2024-10-6 12:08
信号源可以用电脑声卡播放正弦波音频，失真度肯定比你信号发生器的低

我还真试过，我的电脑是ALC4082的顶级声卡，数字信号发生器软件最高支持192K的采样率，1000HZ失真度也是0.03%，说明顶级声卡也具有了仪器级别的失真度，很了不起了。

超低失真之梦

丝竹之音 发表于 2024-10-6 12:30
我还真试过，我的电脑是ALC4082的顶级声卡，数字信号发生器软件最高支持192K的采样率，1000HZ失真度也是0 ...

0.03%也敢号称  顶级

丝竹之音

超低失真之梦 发表于 2024-10-6 12:34
0.03%也敢号称  顶级

问题是目前最好的声卡就是这个芯片的声卡了，华硕10000多的主板都是用这个声卡芯片，没有更好的就是顶级，和参数无关。

超低失真之梦

丝竹之音 发表于 2024-10-6 12:41
问题是目前最好的声卡就是这个芯片的声卡了，华硕10000多的主板都是用这个声卡芯片，没有更好的就是顶级 ...

那只能说用了顶级的芯片。而不是顶级声卡。

vendetta

真小气!我三百多买的百来瓦美帝QSC用了两个25A金封方桥.滤波很小只有4个8200u不爽还可扩充一对.
失真仪跟我老爷货一样,只能测THD!最致命是只能量1K与400Hz.害我扫频发生器只用1/3不到功能.
对了.我诸元不用仿真而是实测.示波器一是HP150M看输出.一是泰克100M监视失真仪输出.最终搬去朋友处用他AP.
对了.比我原装405好听点.

丝竹之音

vendetta 发表于 2024-10-6 14:14
真小气!我三百多买的百来瓦美帝QSC用了两个25A金封方桥.滤波很小只有4个8200u不爽还可扩充一对.
失真仪跟 ...

仿真只是辅助设计手段而已，仿真能减少设计走弯路，我示波器只是用来看有没有输出，要是示波器都能看出的失真那就是百分之几以上的大失真了。1%以下的失真根本就用示波器看不出来。

mxwmke1

一 设计目标：
1.功率大，设计目标要能达到500-1000W以上；
2.失真度低，越低越好；
3.信噪比高，越高余越好；
4.电压范围宽，最少要有2-3倍的电压范围，比如输入+-20-60V都能正常工作；

此供电电压，估计功率在200瓦上下。

丝竹之音

mxwmke1 发表于 2024-10-6 17:28
此供电电压，估计功率在200瓦上下。

确实，不过我这里只是打个比喻说明宽电压。对于具有电路设计能力的人来说能上多高电压只要改变电路参数就可以了。目前这一版本用手头的器件80V电容最多就能上70多V.决定功率的最重要的因素还是能上多少对管和多大散热器。

无语密码

应该可以负载2欧的喇叭，那种喇叭功率大

丝竹之音

无语密码 发表于 2024-10-6 19:05
应该可以负载2欧的喇叭，那种喇叭功率大

说句实话我还没见过2欧的喇叭，我们常见的喇叭的阻抗为4欧/6欧/8欧/，甚至16欧的也少见过，一个音箱里面双喇叭的有2个4欧喇叭串联成8欧的也有2个8欧喇叭并联成4欧的，但是没有见过2个8欧的串联成16欧的，也没见过2个4欧喇叭并联成2欧的，但是对于音箱而言，舞台是有可能2个4欧音箱并联成2欧的，甚至4个8欧音箱并联成2欧，所以我这里测试能否带的起2欧负载还是有必要的。

uikyhuang

丝竹之音 发表于 2024-10-6 21:10
说句实话我还没见过2欧的喇叭，我们常见的喇叭的阻抗为4欧/6欧/8欧/，甚至16欧的也少见过，一个音箱里面 ...

车炮喇叭，2组4欧线圈，可并可串。

无语密码

丝竹之音 发表于 2024-10-6 21:10
说句实话我还没见过2欧的喇叭，我们常见的喇叭的阻抗为4欧/6欧/8欧/，甚至16欧的也少见过，一个音箱里面 ...

是1000W级的喇叭，。而1欧则是小功率的全频。好像就20W左右，只能串联，

丝竹之音

uikyhuang 发表于 2024-10-6 21:24
车炮喇叭，2组4欧线圈，可并可串。

总的来说大功率放大器还是有可能要带2欧负载的，所以进行了测试。目前10对管的位置只装了6对，其中一对还是驱动，末级相当于5对管并联，我测试过一对管可以过8A电流放大倍数还有20以上，如果带2欧负载可以撑起8*5*2=80V的峰值电压，对于滤波电容只有80V的放大器就算空载给80V电压带上2欧负载估计也就70V了。所以6对管也是够的。

uikyhuang

丝竹之音 发表于 2024-10-6 21:45
总的来说大功率放大器还是有可能要带2欧负载的，所以进行了测试。目前10对管的位置只装了6对，其中一对还 ...

1943/5200好像手册给的不掉放大倍数是5安内。

丝竹之音

uikyhuang 发表于 2024-10-6 22:40
1943/5200好像手册给的不掉放大倍数是5安内。

手册给的测试饱和压降是8A时ib=0.8A，16A时ib给1.6A，我实际测试的结果是C5200的ib=0.25A，ic=8A时饱和压降就到了0.3-0.5V。A1943就差了点压降大约1-2V，看手册也是差了一点。不过国产的就差远了5200这个条件压降大约2-3V。

丝竹之音

从“万里”之外的老家翻出一个当年给一个做政府路灯方案的客户设计路灯控制器方案时给我的样品环形变压器，标称功率是1000W，输入220V输出26V。当年这个客户要求我把这个变压器26V的交流电转换成24V恒流45A输出给路灯供电。 原来初级有很多抽头从220V到300V有四五个头。客户用来给我试验不同输入电压的；
现在我就寻思把它改为测试功放的变压器，我拆开看先把初级除220V外的抽头都拆了，实测初级电阻在1欧左右，万用表底是0.2欧，测试1.2欧实际就是1欧；
次级是4根线线并联的我就改为单根线刚好成了双52V，测试双边104V电阻是0.2欧（减去表底）

丝竹之音

丝竹之音 发表于 2024-10-8 16:08
从“万里”之外的老家翻出一个当年给一个做政府路灯方案的客户设计路灯控制器方案时给我的样品环形变压器， ...

大变压器就是爽啊，先发个带2欧负载满载测试图：
最大不失真功率测试数据：


可以看出最大不失真电压40V还能维持0.03%的失真，带2R负载就是40*40/2=800W;
下面是带2欧载最大功率（失真度10%）测试数据：

可以看除失真度10%输出是46V,带2欧负载功率就是46*46/2=1058W，从这里看出500-1000W的功率设计目标已经实现.

看来千瓦舞台级别的放大器也不是很难设计。

丝竹之音

丝竹之音 发表于 2024-10-8 16:43
大变压器就是爽啊，先发个带2欧负载满载测试图：
最大不失真功率测试数据：

功放管并未装满，装了7对，也就是1拖6，末级6对，预留3对。