低频功率放大器的研究与设计毕业论文

学号XX大学毕业设计题目低频功率放大器的研究与设计作者届别系别专业电子信息工程指导老师职称教授完成时间摘要本论文以毕业设计任务书为根据，在反复复习、巩固低频电压放大与功率放大专业知识的基础上，进行了较好的方案论证和电路的参数指标分析，成功地设计了由双运放组成的前置小信号放大器；之后又由分立元件设计了共模抑制比较高、非线性失真小，且具有深度负反馈的三级级联功率放大器，完全达到了任务书提出的指标要求。关键词前置放大；功率放大；达林顿BJTABSTRACTTHISPAPERDESIGNEDTOGRADUATEUNDERTHEMANDATEOFTHEREPEATEDREVIEW,CONSOLIDATEANDENLARGELOWVOLTAGEPOWERAMPLIFIEREXPERTISEONTHEBASISOFABETTERDEMONSTRATIONOFTHEPROGRAMMEANDTHEPARAMETERSOFCIRCUITANALYSIS,DESIGNSUCCESSFULLYTRANSPORTEDBYDOUBLEGROUP10OFTHEPRESMALLSIGNALAMPLIFIERFOLLOWEDBYDISCRETECOMPONENTSDESIGNEDCOMMONMODEINARELATIVELYHIGH,NONLINEARDISTORTIONSMALL,JUJUDEEPNEGATIVEFEEDBACKCASCADEOFTHREEPOWERAMPLIFIER,FULLYMEETTHEMANDATEOFTHEINDICATORSPROPOSEDREQUIREMENTSKEYWORDSPREAMPLIFIER,POWERAMPLIFIERDARLINGTONBJ目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111背景综述1111国内对本课题的研究动态1112依据和意义112课题任务213论文的编排2第二章方案论证321基本思路322基本方案组成框图及原理323主要参数指标分析4第三章电路设计531前置放大级电路设计532功率放大级电路设计633数字音量控制和电平指示电路设计8第四章总结1141所做工作的回顾1142体会与收获12致谢13参考文献14第一章绪论11背景综述111国内对本课题的研究动态随着科技的不断进步和电子化产品的日益普及，电子产品的规模和体积有了巨大的变化，各种复杂电路不断出现，体积不断缩小，产品更新的速度不断加快。这些新的变化使得电路的设计工作变得日益复杂和繁重。电子产品设计时使用常规的人工方法，要耗费大量的人力和财力，近年来，随着无线通讯的飞速发展，无线通信里的核心部分无线收发器越来越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的体积，而作为收发器的最后一级，功率放大器所消耗的功率在收发器中已占到了6090，严重影响了系统的性能。所以，设计一种高效低谐波失真的功率放大器对于提高收发器效率，降低电源损耗，提高系统性能都有十分重大的意义。目前，无论国内外，低频功率放大电路多数都已集成化和小型化，这是一个总的发展趋势。112依据和意义设计的依据在本设计制作过程中，首先对电压放大和功率放大的概念作一说明。从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，通常是在大信号下工作，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率。这些知识在所学技术基础课中均已讲授，再参考些技术资料，便可进行设计。设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，人们的生活方式有了很大的改变，不再以物质享受为主，而是要能更好的享受生活，比如对电器的使用不再注重只要可以使用，而是更注重产品的质量好坏所带来的效果。因此，制造安全先进的电器能给人民带来生活上的方便。落后的家用电器给人们带来了困扰，先进的电器更适合现代人民的生产生活，人民生活舒适显得非常重要。因此，设计低频功率放大器，高保真的音频功放，能让人民享受到更优美的音乐，生活更舒适。因此设计低频功率放大器是很有意义的。毕业设计是带有研究性质的专题研究分析和工程设计，是完成教学任务、培养人才的一个重要实践性教学环节。通过毕业设计，可以培养学生的开发和设计能力，提高综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力，对于检验学生的学习效果等也具有重要意义。本课题与本人所学专业知识结合非常紧密，通过毕业设计，可以对所学过的基础理论和专业知识进行一次全面、系统地回顾和总结，使理论和实践相结合，巩固和拓展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能，提高工程实践能力和创新意识，为参加工作打下一定的基础。12课题任务（1）总结出与设计任务有关的几种低频功率放大电路的设计方法。（2）设计一个低频功率放大电路，达到如下要求A）放大通道的正弦输入电压幅度为5MV700MV,等效负载电阻RL8。B）能输出功率POR10W。C）带宽达到BW100HZ5KHZ。D）非线性失真不大于3。E）在POR下的效率C55。13论文的编排本论文分为五章，第一章绪论主要介绍了低频功率放大器的发展现状及应用的前景、本课题的任务以及本论文的结构安排。第二章设计任务方案分析及主要技术指标分析。第三章为电路设计，主要是叙述前置放大级电路、功率放大级电路以及数字音量控制和电平指示电路。第四章是对本论文的总结，包括本毕业设计所做的工作以及一些收获和体会以及致谢和参考文献。第二章方案论证21基本思路低频功率放大器是一种能够为功率负载，如音响设备的扬声器、电视机的扫描偏转线圈、电动机控制绕组等输出功率的装置。与电压放大器不同的是，功率放大器在负载上要求获得一定程度的不失真（或失真较小）输出功率，而电压放大器在负载上要求获得一定程度的不失真电压。一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器和功率放大器等电路组成，如一些集成功率放大器芯片，内部就集成有电压放大器和功率放大器等电路。22基本方案组成框图及原理图221所示为一个实用的低频功率放大器的基本组成原理框图。外供正弦信号源稳压点源变换电路弱信号前置放大器功率放大级正、负极性对称方波正弦信号放大通道RL8220V500HZ等效负载电阻图221实用低频功率放大器的组成原理框图该功率放大器的功能是将信号源提供的正弦波弱电压信号通过开关转换，一路先进行电压放大，再进行功率放大，为等效负载电阻提供一定的输出功率；另一路进行波形变换，使之变成脉冲波，再进行电压和功率放大，为等效负载提供一定的脉冲功率。本课题主要是研究前一路，即正弦波放大电路。主要技术指标额定输出功率POR在输出信号失真度小于某一规定值时，额定负载电阻上获得的最大功率。带宽BW功率放大器的工作频率范围。非线性失真系数在额定输出功率POR下和一定的带宽BW内，输出信号的非线性失真程度。通常用百分比表示。噪声电压在功率放大器的输入为零时输出负载上的电压。效率负载上输出的额定功率POR与消耗的电源功率PDC之比。由图221可见，低频功放电路的前置放大级为弱信号电压放大器；然后再进入功率放大级，也包括激励级和大功率放大级等，直到在RL8的负载上得到要求的输出功率。23主要参数指标分析功率放大器的输入电压信号VI由信号源提供幅度为5MV700MV的正弦波，输出电压信号V0从8的等效负载电阻上获得。额定输出功率P010W，这项指标说明在输入信号5MV700MV的范围内，均以P010W的满功率不失真输出，即小信号输入时，要求满功率不失真输出；大信号输入时，也要求满功率不失真输出，因此，要求放大器的增益是可以调节的。功率放大器的带宽要求BW100HZ10KHZ。这项指标指出了功率放大器的工作频率范围，通常用3DB带宽来表示，是指放大器的电压增益下降3DB时所对应的频率，即最低频率FL100HZ，最高频率FH10KHZ。功率放大器在额定输出功率P0下和BW内，非线性失真系数3。这项指标指出,经过功率放大器放大后的正弦波的非线性失真所容许的范围，只要信号是经过线性放大，一般都能够满足非线性失真3的要求。否则，要对信号的非线性失真进行改善。在P0下的效率55。这项指标说明功率放大器输出功率的转换效率，通常用输出功率与电源消耗的总功率之比值来表示，即P0/PDC。55，说明功率放大器的功率输出级只能工作在甲乙类或者乙类，不能工作在甲类，因为甲类功率放大的效率最高也不能超过50。当前置放大级的输入端交流短接到地时，RL8上的交流声功率10MW。这项指标是指在没有信号输入时，放大器输出的噪声功率，即要求前置放大级的输入端引入的噪声越小越好，同时放大器本身的内部噪声也很小。第三章电路设计设计思路逐步分析已知条件和未知因素之间的关系。如本课题中，输入信号的大小和输出信号的功率是已知的，但它们之间传输通道信号的大小则是未知的，需要逐一求出。可按照从前置放大级到功率放大级的顺序逐一设计计算，也可以从功率放大级到前置放大级的顺序设计计算。下面以后者为例进行设计。31前置放大级电路设计前置放大级电路的主要功能是将5MV700MV的输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的14V输入信号。因此，需要解决两个问题一是本级280倍的电压放大倍数和带宽BW100HZ10KHZ的矛盾；二是对5MV700MV范围内的信号，都只能放大到14V，以满足额定输出功率P010W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，每级的增益减小，带宽就可以提高。对于后者，可以设计一个音量控制电路或者自动增益控制电路，使功放级的输入信号控制在14V左右。根据以上思路，设计的前置放大级电路如图311所示。其中，NE5532是一个双运放集成运算放大器，可以用来构成A1、A2二级放大器。其主要性能参数如下R110KR310KR2150KR510KR6200KR410KRP1100KC110UFS1A1A2信信信信信信信信12V12V12V12V图311前置放大级电路增益带宽积10MHZ转换速率9V/S，共模抑制比100DB，输入电阻300K。设前置放大器A1的增益为AV1R2/R1150K/10K15对于幅度为5MV700MV的输入信号，A1的输出幅度为75MV105V。选电源电压VCC12V，VEE2V。第二级放大器A2的输入信号的大小由音量控制电位器RP1进行控制。设A2的增益为AV2R5/R4200K/10K20对于75MV的输入信号，不经过电位器RP1，直接由A2放大至15V；对于大于75MV的信号，则调节音量控制电位器RP1先进行衰减后再放大，使得经A2放大后的信号的幅度也为15V，以满足功率放大级输出功率PO10W的要求。32功率放大级电路设计当功率放大器以P010W的满功率不失真输出时，输出电压的幅度为VOPV126V3112R18为留有充分余地，取VOP14V。由此可以计算功率放大器的总电压增益为AV，即AVVOP/VIP14V/5MV2800312用分贝表示，AV20LG（VOP/VIP）689DB。如何将这2800倍的总电压增益比较合理地分配给前置放大级和功率放大级，这是设计中很关键的一步，这与所选用的器件、电路类型以及实际经验都有关系。通常，功率放大器的电压增益不能太大，因为这一级的信号比其他级的信号要大很多。增益太大容易产生自激，一般取十几倍。可以暂取10倍进行计算，以后再通过实验电路进行调整。这样，前置放大器的电压增益就为280倍。电压增益分配如图321所示。前置放大级增益280倍功率放大级增益10倍VOP14V14VVIP5MV图321功率放大器各级的电压增益分配功率放大级电路可直接选用集成功率放大器，如STK4191,其最大输出功率为250W，频率响应20HZ50KHZ，完全满足本课题的要求；也可以选用分离元件来组成。二者各有其特点集成功率放大器的调节比较简单，但进行级联时，如果要对整机的性能进行改善，靠集成功率放大器的调节往往达不到目的；而由分离元件组成的功率放大器，虽然电路的调节比较繁琐，但可以通过功率放大级的调节改善整体的性能。选用由分离元件晶体管组成的功率放大电路，如图322所示，其中，晶体管T1、T2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T3组成电压放大器，为末级功率放大器提供驱动电压。晶体管T4、T5、T6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，电压增益由反馈电阻决定，即AVR10/R710。反馈支路并联电容C3可以减小高频自激。QPNPT4TTT19014T4T29014C11UFC3CAPCCAPR110R227KR27KR422KR27KR31040KR612KR71KR15RES2R947KR1R1205RL8R1005F1D111401DDIODED3D2D4R947KRP112KRPOT2R1010K2018V18V图322功率放大级电路（1）末级功率放大电路课题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。图322中3只二极管D2、D3、D4和电位器RP3是用来调整电路的工作状态的。静态时，调节电位器RP3，使A、B间的电压为28V，即近似等于晶体管T4、T5、T6、T7的BE结电压之和。晶体管T4、T5、T6、T7静态时处于微导通状态，O点对地的电压应为0V，从而可克服交越失真。采用VCC、VEE双电源供电，由式（311）可得，输出电压的幅度为14V，则VCC14V，为留有余地，选VCC18V，VEE18V。功率输出晶体管T6、T7。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FT10MHZ，耗散功率PC20W，选50。驱动管T4、T5也是一对互补对称的晶体管，其特征频率FT100MHZ，耗散功率PC500MW，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，由晶体管T3构成；静态工作点由电阻R4、R8、R9决定，取集电极电流IC3为6MA左右。电容C2是高频电压负反馈电路，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T1、T2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扰能力。电路的静态工作点由电阻R6和RP2及R2、RP1等决定，差分对管的集电极电流通常取1MA左右。33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5MV700MV的范围内，功率输出级的输出功率POR10W的额定功率的要求，在前置放大级的第二级A2的输入端采用电位器RP1（见图322）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电路，如图331，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TP11R13C511100K01F01S，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Q2Q1Q0000，则8选1开关CD4051接通I/O，这时输入信号经过电阻网络最大的衰减后，再由CD4051的I/O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V0175MV左右，再送前置放大器第二级A2的输出端。输入信号V1来自前置放大器第一级A1的输出，V1的范围为75MV105V。当V1为75MV时，调节计数脉冲，使计数器的输出Q2Q1Q0111，则CD4051接通I/O7，输出V0175MV当V1为105V时，使计数器的输出Q2Q1Q0000，则CD4051接通I/O0，输出为（105V/75）05700MV；再调节RP1使V0175MV。由此可见，对于75MV105V范围内的输入信号，经过数字音量控制电路后均变为75MV左右，从而满足了输出额定功率的要求。R110KR210KR31KR41KR51KR61KR71KR81KR91KR10500R13100KR1210KR141KD1D2D3D4D5D6D7D8C210UFC110UFC322UFC710UFC601UFC501UFC410UFRP110KS2S15V5V5V5V16VDDLDD0D1D2D3/CICRU/DQ2Q1Q0C0VSSCPCD4516NE5554836721514121335914116781516VDDI/O7I/O0I/O1VSSCD4051A0B1C2INHVEEI/O111096734251121514131A02B13C24G2A5G2B74LS138/Y7/Y0151413121110975V8图331数字音量控制和电平指示电路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331所示。因为计数器的输出Q2Q1Q0的状态与CD4051的输入信号V1的大小是一一对应的，所以74LS138译码器的输出也与V1的大小相对应，则8只发光二极管可以将V1分成8级进行显示。第四章总结41所做工作的回顾本设计利用低频功率放大器AD603来提高不失真信号的输出，而一个使用的低频功率放大器通常由电压放大器和功率放大器等电路组成。输入的正弦信号采用分离的而不采用集成的电路是可以改变整体的性能。功率输出部分采用了互补对称的OCL电路可以克服交越失真。整个系统是将5MV700MV的输入信号不失真地放大到所需的电压信号,以满足输出功率POR10W。带宽BW100HZ10KHZ，即最底频率FL100HZ，最高频率FH10KHZ。本设计偏重于模拟电路处理，得到了很高的功率放大和较小的噪声。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片作增益控制，利用分离元器件作后级功率放大器，设计很灵活也很容易实现。写论文步骤1、确定研究课题一般确定研究课题是导师给定题目这种方式的好处是大脑不用考虑选题了，只有一个劲的往这个题目上想问题；弊端是没有选择，不管你是否对这方面感兴趣2、查阅相关文献研究课题确定后，一定要了解你所研究问题的范围，这点可以从课题关键字上把握。搜集文献资料可以在学校中国学术期刊网、维普资讯、文档在线等网站上下载，那里可以找到一些可以全文下载的文章。阅读文献资料阅读后，把搜集的文献进行分类整理，归纳出研究该课题的几种方法及前人研究所得出的重要结论。3、设计研究思路结合自己所要研究的课题，设计研究思路。研究思路可以多想几种，这样可以在找不到相关数据的情况下，换其他的思路来写。4、结合所有能搜集到的数据以及研究问题模型进行实证分析找数据是写文章过程中的一大难事，因为你之前并不知道，按照设计思路来做，数据能否找到，数据资料与你的设计研究思路也是有很大关系的。5、应注意的其他问题写文章过程中，最重要的是如何运用所学知识理论与所研究的问题很好的结合起来，这一点需要继续加强。42体会与收获体会经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。收获我觉得写论文能很大的提升自己的能力1、文字表述论文里的语言非常讲究，这方面需要继续加强。2、交流、讨论、团结在写文章的过程中和大致内容写完后，一定要和老师、其他同学多交流，让他们多提点建议。一些软件使用方法，可以向同学老师们请教。3、细心模型公式编辑、标点符号、文章各段格式等，都需要细心地学习与操作。4、搜索找资料需要搜索很多资料，如何在短时间找到你想要得资料，得在搜索关键词上有所设置才行。一些好的电子类论文网站，需要随时记录下来，以便日后继续学习和