低频放大器研究性能 毕业论文.doc

毕业设计(论文)题 目 低频功放的性能研究 年 月 日 摘 要关键词： abstractkeyword: 引言第一章 绪论1.1课题研究背景低频功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后级放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此实用、简洁、低价格是低频功率放大器的发展方向。低频功率放大器是一个技术相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面都取得了长足的进步。随着科技的不断发展，一开始是电子管功率放大器，发展到现在的集成功率放大器，它经历了不同的发展阶段：电子管功放、晶体管功放、集成功放。 1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，到50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员-集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90db、thd0.01%（100khz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。 功放有很多种分类方法，按所用放大器件来分类，可分为晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）、电子管式放大器、集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前是以集成电路式功率放大器和晶体管为主，但是电子管功率放大器也占一席之地，它俗称为胆机，离散性极小，产品的稳定性很高，特别是由于它的工作机理，使得音色很温柔很有磁性，很富有人情味，从而成为重要的音响电路形式。当前伴随着高保真立体声的普及，许多功放也应用到了高保真技术。它是指音频电声系统及设备以及部件保持声音信号原本面貌的能力。对普通家庭音响装置只要低音浑厚、丰满，中音要坚实有力，高音要清脆明亮，从而能够使听者感到满意就认为达到了高保真要求。然而，高保真包括对音高、音强、音色以及临场感、混响感等复杂音质状态的保持能力，也不排除对声音进行加工美化。从而就对电路设计、元件性能提出了更高要求。 电子管电路设计、安装、调试比较简单，但缺点是电源变压器、输出变压器绕制工艺麻烦，耗电大、体积大、而且有一定使用期限，因而实际使用中有很多的局限性。如今大功率晶体管的种类很多，优质功放电路层出不穷，因此应用最广泛的形式是晶体管功率放大器。如今科研人员发明出很多优质新型电路使功放谐波失真能够降低到0.05%甚至更低。场效应管很有发展前途，它有很多特性比如动态范围大、负温度、噪声小，音色与电子管相似，保护电路很简单。场效应管的生产技术有很大的发展潜力，场效应管放大器有更为强大的生命力。因为集成电路技术快速发展，集成电路的功率放大器也大量出现，制作工艺以及各项指标都达到很高水平，它突出的特点是性能优越、电路简单、体积小、保护功能齐全等等。因为很多时候主机额定输出功率不能够完全胜任带动整个音响系统的任务，所以就要在主机及播放设备之间安装功率放大器用来补充所需功率缺口，功率放大器在整个系统中起到了“组织、协调”的交通枢纽作用，在一定程度上决定着整个系统能不能提供优秀的音质输出。现如今功率放大器不仅是消费产品(音响)中不可缺少的装置,并且还广泛应用于控制系统和测量系统中。当前市上集成功放产品价格很低并且种类很多,典型的有lm1875、tda1514，此类低频功率放大器体积小、保护功能齐全、性能优越、易制作易调试，且外围电路简单。基于目前研究现状，本文章给出的是一种简单实用、制作成本比较低廉的实用低频功放的设计方案。其功率放大由分立元件组成，也可以由集成电路组成。分立元件组成的功率放大器，如果能够进行精心设计，就会在效率和失真方面优于集成电路，价格会便宜，但如果参数设置和电路选择不恰当,元件的很多性能就不会很好体现出来,甚至制作调试比较困难。从电路易调性和简单性，集成电路会显得更好些，所以本次设计功放采用集成电路完成。1.2国内外研究现状21世纪将是数字化、信息化的时代，全新的技术体制将会引发全新的技术产业革命。格式，然后到目前最新提出的sacd格式更是层出不穷，从mpeg-1到mpeg-2，从数字杜比（ac-3）到dts等。数字功放更是国际上各大厂商关注的焦点。据了解，全球最大的视听设备制造商sony公司最近准备推出它的数字功放产品，就连非常著名的日本汽车音响制造商（alpine）也将推出数字功放（这两家均采用美国tripath的芯片）。在数字信号处理方面极具实力的德州器公司（ti），2000年3月16日宣布成立自己的数字功放事业部，致力发展采用数字技术把高保真音质带入各种类型的音频设备中。因此，数字功放的春天即将到来，而且，在这场数字功放技术竞争中，唯有不断创新才能保持技术的领先地位。数字音频功放不仅仅能应用在家庭影院系统、高保真重放系统，同时也可将该技术应用到特别需要省电、体积小的地方，如数字电视、汽车音响功放、便携听音设备，甚至是移动电话等设备。应该说该项技术的应用十分广泛，既可用来做上千瓦功率输出的专业功放，也可以是用来做几十毫瓦的便携机。数字音频功放是全新一代的音频功放，是模拟功放发展的必然趋势和取代者。作为一种全新的技术，其市场的推广需要一段培育过程。 功放有很多种分类方法，按所用放大器件来分类，可分为晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）、电子管式放大器、集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前是以集成电路式功率放大器和晶体管为主，但是电子管功率放大器也占一席之地，它俗称为胆机，离散性极小，产品的稳定性很高，特别是由于它的工作机理，使得音色很温柔很有磁性，很富有人情味，从而成为重要的音响电路形式。当前伴随着高保真立体声的普及，许多功放也应用到了高保真技术。它是指音频电声系统及设备以及部件保持声音信号原本面貌的能力。对普通家庭音响装置只要低音浑厚、丰满，中音要坚实有力，高音要清脆明亮，从而能够使听者感到满意就认为达到了高保真要求。然而，高保真包括对音高、音强、音色以及临场感、混响感等复杂音质状态的保持能力，也不排除对声音进行加工美化。从而就对电路设计、元件性能提出了更高要求。1.3课题意义及主要内容高频电子线路中,放大器按电流导通角的不同,而工作于a、b、c状态。a类放大器电流的导通角为180,b类放大器电流的导通角约90,c类放大器电流的导通角则小于90。a类工作状态的效率为50%,b类工作状态的最大效率为78.5%,而c类工作状态的效率随导通角设置的不同而不同,但在导通角的选择上,提高集电极效率与增大输出功率之间是存在矛盾的。在具体电子线路设计时,为了兼顾效率与功率,选择最佳导通角的问题上,本设计给出了最佳导通角的经验值取70左右,给出了最佳导通角的经验值取6575,这是高频电子线路专著的说法。由最佳导通角的理论定义,并通过严格的理论分析,给出了其求解方程及具体解,从而使对高频电子线路中谐振功率放大器的最佳导通角的认识从感性上升到理性,在最佳导通角的选择上,首次实现了从依靠经验结论到依靠科学理论结合实际结果的飞跃,为具体设计中控制导通角提供了理论依据。本课程设计是进一步理解功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状态的影响。掌握功率放大器的调谐特性、放大特性和负载特性。1.4本文组织结构论文的具体章节安排如下：第一章介绍了课题背景、低频功放及其应用的发展现状；第二章介绍了低频功放的基本分类及特性；第三章介绍了低频功放系统的设计方法；第四章介绍了基于ne5532和lm1875的实用低频功率放大器设计；第五章总结全文。第二章 低频功放基本分类及特性2.1功率放大器分类2.1.1按照工作频率不同进行分类低频放大器：工作频率在音频范围内的（一般在几十赫兹到十五千赫左右）的放大器叫做低频功率放大器。中频放大器：中频功率放大器的工作范围是十五千赫到几百千赫。高频放大器：高频功率放大器用来放大几百千赫到几千兆赫的高频信号。2.1.2按照放大管的导通时间的长短进行分类（1）甲类（a类）工作状态在输入信号的整个周期内，放大管都是导通的，导通角=180。放大管的q点设置在负载线的中点处。甲类工作状态的放大器主要用于电压放大器，因为在没有输入信号的情况下，直流电源仍需提供较大的直流功率，它消耗在放大管和电阻元件上，即静态管耗大，效率较低，甲类工作状态下的放大电路其最高效率为50%。当有信号输入时，部分直流功率转换为信号功率输出。信号愈大，输出功率也愈大，效率也随之增大。 （2）乙类（b类）工作状态放大管只在输入信号的半个周期内处于导通状态，导通角=90。放大管的q点设置在负载线的ic=0处，乙类状态的静态功耗即电源提供的静态功率为零。随着输入信号大小的变化，电源供给的功率及电路的损耗也随之改变，减少了不必要的能量损耗，提高了能量的转换效率。理想情况下，乙类工作状态的放大电路其转换效率可达78.5%。按电路形式它又可分为：双端推挽电路（depp）、单端推挽电路（sepp）和平衡无变压器电路（btl）。 （3）甲乙类（ab类）工作状态 是介于甲类和乙类之间的工作状态，即放大管在输入信号的半个周期以上一个周期以内的时间处于导通状态，导通角90 180。甲乙类工作状态电路的转换效率接近乙类工作状态。 （4）丙类（c类）工作状态放大管在小于输入信号的半个周期内处于导通状态，导通角 90。（5）丁类（d类）工作状态此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通：uce=uces五类功放的效率满足下式：甲甲乙乙丙 10v/us，增益带宽积gbw 10mhz的运放芯片，如lf357、op-16、op-37、ne5534等。电路接成迟滞电压比较器结构，为保证输出方波幅度稳定输出使用2只稳压二极管d1、d2，稳压值为vz=3v。令r4=10k（假设迟滞比较器的迟滞宽度v=emh-eml=0.7v）, 则r3=（2vz/v-1）r4=（23/0.7-1）10=75.71k,取r3=75 k r7近似等于r4，即r7=10k如电路采用lf357集成运放，则输出方波的上升时间和下降时间可做到小于0.5us。调节rw，输出幅度可调节到200mv，满足题目指标要求。仿真后产生方波，波形图为：4.4.2弱信号前置放大电路 方案一:弱信号前置放大电路的任务是完成小信号的电压放大，必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：lm5213、lm1875、tda1514、ne5532、ne5534等。本设计选用的是ne5532，ne5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路，用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”。与很多标准运放相似，它具有高阻抗、高精度，有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。ne5532高速转换的特性能够改良电路瞬态的性能, 比较宽的带宽也能确保信号在低、中、高频段不失真的输出，从而电路的整体指标会大大的提高，因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器，其中5532a版能够有效的保证噪声电压指标。ne5532引脚图如下： ne5532 8脚引脚图 ne5532 16脚封装引脚功能图前置放大级电路的主要功能是将50mv700mv输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的输入信号。因此，需要解决的问题是本级225倍的电压放大倍数和带宽bw50hz10khz的矛盾。对此可以采用二级放大电路，因为放大器的增益带宽积是一个常数，增益减小，带宽就可以提高。同时我们在两级放大中用电位器引入增益调节环节，使本级的总增益在一定范围内持续可调。由于从信号源输出的小信号非常微弱, 只有经过放大之后, 这种信号才能激励功率放大器,且由于系统要求输出额定功率不小于10w，同时，输出负载为8，则um=por =108 =8.95v，故uop-p2 um=12.6v。 系统的最大增益为： amax=20 lg(8.950.05)45db系统的最小增益为：amin=20 lg(8.950.7)22db整个放大电路的增益应在22 db45 db范围内可调。为保证放大器性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在20-40 db(放大倍数10100倍)之间。故前置放大器增益需通过两级放大实现，且其总增益应在145db之间可调。第一级前置级增益为： a1=r3/r2=150/10=15（约为24db）第二级前置级增益为： a2=r4/r6=150/10=15（约为24db）为了满足输入信号的幅度在50mv700mv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对大信号进行衰减。同时也起到了可实现增益调节的作用。为了稳定功率放大级的工作点，前置级和功放级之间采用电容耦合。 用multisim软件画电路图如下：仿真后波形图如下：4.4.3功率放大电路 方案一：功率放大输出级采用分立元件构成的ocl电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。方案二：采用专用的功放集成芯片，构成btl功率放大电路。集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。另外集成运放还有性价比高的特点。所以本系统设计选用方案二，该方案的优点是：技术成熟，外围元器件少，保护功能较完善，调试简单，便于扩功等。本设计采用的是专门的功放集成芯片lm1875来构成btl功率放大电路。在上述方案论证中，我们选择了集成运放。我们熟悉的性能优异的集成运放有tda2040a、lm1875、tda1514等，其中tda2040a功率裕量不大，tda1514外围电路较为复杂，且易产生自激。这两种功放的低频性能都欠佳，而lm1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能安全。它的不足之处是高频特性较差（bw70khz），但对于本设计的要求的50hz10khz已足够，因此选择lm1875做功放。lm1875美国国家半导体公司研发的一款功放集成块，外围电路简单，体积小巧，最大优点是输出功率大。除此之外此集成电路有完善的过载保护功能，内部设置有过热过载以及感性负载反向电势安全工作安全保护。经过增益为1的反向比例放大电路扩展成btl放大电路，同时具有更高的输出功率。lm1875为五针脚形状：一针脚为信号正极输入，二针脚为信号负极输入，三针脚接地，四针脚为信号输出，五针脚电源正极输入。lm1875采用to-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。lm1875引脚图lm1875的参数如下表所示：电压范围：单电压1560v ,或30v静态电流：50ma输出功率：30w谐波失真：0.015%，当f=1khz，rl=8，p0=20w时额定增益：26db，当f=1khz时工作电压：25v转换速率：18v/s (9v/s) 采用集成功放lm1875构成的低频功率放大器电路如下图所示，图中输入信号vi经过c1耦合到lm1875的1脚，功率放大后从4脚输出加到负载。r5、c2串联接在输出端用以抑制高频噪声。c3、c4、c5、c6用于电源去耦滤波，防止功率放大器产生高频自激，去耦是指对电源采取进一步的滤波措施，去除两级间信号通过电源互相干扰的影响。r1、r3组成反馈网络；c7为直流负反馈电容；直流负反馈的作用是稳定静态工作点，而对放大电路的各项动态性能没有影响，动态性能指放大倍数、通频带、输入及输出电阻等。r2为输入接地电阻，防止输入靠路时引起感应噪声；c1为信号耦合电容， 耦合指信号由第一级向第二级传递的过程。电源电压采用18v。lm1875开环增益为26db，即放大倍数a=20。为保证放大器性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在2040 db(放大倍数10100倍)之间故整个放大器增益需通过三级放大实现。为方便增益调整，可使功放级的增益固定，且必须小于65db，故其增益取为21db。所以前置级需要两级放大，且其总增益应在145db之间可调。在上述分析过程中，功放级的增益设为固定值21db。因此在以lm1875为核心元件的电路中，r3取22k，r1取2k，使得功放级的放大倍数为：au=1+r3/r1=12因此功放级的增益为20lg1221.6db。考虑到前置放大第二级中输入信号比较大，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，因此前置放大第二级的输出端接50k电位器实现对输入功放信号的衰减，以此来保护功放电路。用multisim软件画电路图如下：仿真波形图为：4.4.4自制稳压电源本文中该系统设计采用的是三端集成的稳压电源电路，直流稳压电源部分为整个功放电路提供能量，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，仅需要稳压电源输出的一种直流电压，即+18v。因为三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点，本设计中采用lm7818、lm7918三端集成的稳压电路。 电源变压器的参数分析如下：考虑到稳压器两端会产生3到5.5v的压降，同时取二极管桥式整流器的系数为1.2，则变压器副边的电压（241.2）=20v，取为21v。由于w78系列的最大输出电流为1.5a，因此电源消耗的功率应至少为：21v1.5a=31.5w。由于通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率，且考虑到整个系统的耗能和为留有裕量，电源变压器的功率选择为40w。 由以上分析计算，可选用一个功率为40w，输入为二路21v的电源变压器。电源电路中整流二极管、电容的参数：电路中采用了5a50v 2czbe硅整流管全桥,电源经1000uf电解并并上0.1uf电容依次滤掉各种频率干扰后输出, 输出电压直流性能好, 实测其纹波电压仅为很小。电路图为：4.5测试结果输出功率：po=(uo) 2/2r输入功率: pi=u1i1+u2i2效率：=po/pi输入端接地，测输出端在8负载条件下的噪声峰峰值。交流噪声：u=1v(测试)正弦输入幅度频率输出电压输出功率电源电压电源电流效率50mv50hz14.00v3.06w17.9v17.9v0.30a0.29a29.00%50mv10khz19.10v5.70w17.9v17.9v0.42a0.40a38.83%300mv50hz25.60v10.24w15.7v15.2v0.54a0.53a62.00%300mv10khz29.55v13.64w17.9v17.9v0.62a0.60a62.48%500mv50hz24.20v9.15w17.7v14.4v0.50a0.49a57.53%500mv10khz28.2v12.43w18.0v18.0v0.60a0.58a58.52%700mv50hz25.8v10.40w15.5v14.3v0.55a0.54a64.01%700mv10khz26.6v11.06w18.0v18.0v0.56a0.55a55.36%方波产生：频率：1khz上升时间：1us；下降时间：2us无失真，无过冲，无斜降方波放大:峰峰值：22vvs=15v，is=0.62a上升时间：5us；下降时间：12us无失真，有斜降，有过冲。4.6实验结果分析由以上实验结果表格知，正弦放大时，输入电压较低，小于100mv时，功率放大倍数不够，没有达到要求的功率，效率也小于55%。但是输入较高时，功率放大倍数足够，而且效率也大于55%，符合要求。方波产生完全符合实验要求，但是经过两级放大和功放后，方波产生了斜降和过冲。输入端接地，测输出端在8负载条件下的噪声峰峰值过大，是一个稳定的正弦波，超过要求的噪声功率。4.6总电路图显示电路为了实现扩展功能，我们设计并实现了电压有效值和输出功率显示。采用ad637把交流信号转化成直流信号，再经过ad0809采样，通过单片机控制在lcd12864上显示。在扩展的实用性方面，我们设计了电平显示系统。根据输入电压的峰峰值大小来控制灯的点亮个数，具体由lm3914控制，详见附录 系统软件设计本系统程序采用keil uvision2软件编译，通过单片机对独立键盘进行检测判断，对不同的输入信号，在lcd12864上显示负载为8时的电压有效值和输出功率。整个系统软件的流程图如下图（）所示：图（） 主程序代码：void main()init();/初始化chushihuamian();/初始lcd显示画面delay_12864(2000); send_command(0x01);while(1)/*以下为输入信号为方波时按键判断*/if(key_select=0&flag=0)delay_12864(5);if(key_select=0&flag=0)while(!key_select);delay_12864(5);while (!key_select);caidan_