低频功率放大器电路的设计.doc

2012 届本科毕业设计届本科毕业设计 低低频频功率放大器功率放大器电电路的路的设计设计 姓姓 名：名： 郭兆乾郭兆乾 系系 别：别： 物理与电气信息学院物理与电气信息学院 专专 业：业： 电子信息工程电子信息工程 学学 号：号： 080312017 指导教师：指导教师： 彭爱莲彭爱莲 2012 年年 02 月月 15 日日 I 目 录 摘要.I 关键词.II 0 引言 .1 1 总体方案设计. .2 1.1 总体方案论证.2 1.2 单元模块方案论证与比较.2 1.2.1 波形变换电路.2 1.2.2 弱信号前置放大级.2 1.2.3 功率放大级.3 1.2.4 自制稳压电源.3 1.3 方案选择.3 2 单元模块设计 .4 2.1 各单元模块功能介绍及电路设计：.4 2.1.1 波形变换电路：.4 2.1.2 弱信号前置放大级电路：.5 2.1.3 功率放大电路.6 2.1.4 自制稳压电源电路：.7 2.2 特殊器件的介绍 .7 3 结语 .9 致谢 .9 附录： .10 II 摘要 实用低频功率放大器主要应用是对音频信号进行功率放大，本文介绍了具有弱信号放 大能力的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。整个电路主要由稳压电源、前置 放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路共五部分构成。稳压电源主要是为前置放 大器、功率放大器提供稳定的直流电源。前置放大器主要是电压的放大。功率放大器实现 电流、电压的放大。波形变换电路是将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号。设计的 电路结构简洁、实用，充分利用到了集成功放的优良性能。实验结果表明该功率放大器在 带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性,为功率放大器的设计提供了广 阔的思路。 关键词 转换电路;放大级电路;稳压电源电路 Abstract Practical application of low frequency power amplifier is mainly for audio signal power amplifier, this paper introduces the weak signal amplifier ability has the low frequency power amplifier, the basic principle of content, the technical route. The main circuit by manostat, preamplifier, power amplifiers, wave transform circuit and the protection circuit of five parts. Manostat primarily for pre-amplifier, power amplifier provide stable dc power. The preamplifier mainly is the voltage scaling. Power amplifier realize current, voltage scaling. Wave transform circuit is will sine signal voltage transform into the requirements of square wave signal. The design of the structure is simple, practical circuit, make full use of the performance of the integrated amplifier. The experimental results show that the power amplifier in bandwidth, distortion degree, efficiency has good index, higher practicability, for power amplifier design offers wide thinking Keywords Conversion circuit,Amplifier circuit level,Stabilized voltage power supply circuit 1 0 引言 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，人们越来越注重视觉，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 响等电子设备的后即放大电路，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。因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。 从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的 发展阶段：电子管功放 晶体管功放 集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型， 按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功 率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器） ，目前以晶体管和集成电路 式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电 子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理 决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设 计、安装、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电 大、体积大、有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管 种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们 研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到 0.05%以下。场效应管是一种 很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点 ，音色和电子 管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大 的生命力。由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺 和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全 等。 由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时 就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个 音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良 好的音质输出。现今功率放大器不仅仅是消费产品(音响) 中不可缺少的设备,还广泛应用 于控制系统和测量系统中。 然而低频功率放大器已经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,乃至思想认识上都取得了 长足的进步。目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多,典型的有 LM1875、TDA1521、TDA1514。这些优质功放模块体积小、性能优越、保护功能齐全、外围 电路简单、易制作易调试。最近，一种应用砷化钾 MESFET 制成的功率放大器 MMIC，在移 动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为 2.53.48 平方毫米的 MMIC 输 出功率可达 1.1W，工作频率达 950MHZ。本文给出一种简单实用、制作成本低廉的实用低频 功率放大器的设计方案,并给出实际测试结果。功率放大可由分立元件组成,也可由集成电 路完成。由分立元件组成功率放大器，如果进行精心的设计，则在效率和失真方面更优于 集成的，价格方面便宜一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时,元件性能就不能很好的 表现出来,制作调试比较困难。从电路的简单性和易调性，集成电路更好些。本次设计功放 采用集成电路完成。 本实用低频功率放大器设计有两部分组成前置放大级和功率放大级。前置放大级主 要任务是完成小信号电压放大任务。功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高 效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。通过详尽的资料查询 2 和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放 NE5532、LM1875、LF357 的配套使用来使本 电路系统设计简洁、实用并且达到高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。 1 总体方案设计. 1.1 总体方案论证 系统原理方框图如图1所示。根据题目任务, 我们设计有五个基本电路 波形变换电路 弱信号前置放大级电路 自制稳压电源电路 保护电路 外供正弦 信号源 波形变 换电路 弱信号前置 放大电路 自制稳压 电源 功率放大 电路 8欧姆 负载 保护 电路 图 1 系统原理框图 其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压和电流 放大任务；直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量由于方波中含有丰富的高次谐 波分量，波形变换电路提供方波，可通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真 度、效率等指标，保护电路可以有效地保护负载不过载，对功率放大器也有一定的保护作 用。 该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、 放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。 1.2 单元模块方案论证与比较 1.2.1 波形变换电路 方案一： 利用运放在开环状态下的饱和特性, 正弦波信号经过两级运放放大后, 产生了正 弦波饱和失真的方波信号, 由于输出方波幅值远大于题目要求, 于是采用开关三极管脚与 脚短接当成两个二极管削波（用两个锗开关管也可以）, 便将电压钳制在700mv左右, 然 后通过电阻分压, 最终得到题目要求的正负极性对称的200mVp-p的方波信号。 方案二：直接采用施密特触发器进行变换与整形。而施密特电路可用高精度、高速运算电 路搭接而成，也可采用专用施密特触发器构成，还可以选用NE5532电路构成。 方案三：利用运放的正反馈作用，使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡，利用稳 压管将电压稳定在62 V左右，然后利用电阻分压得到要求的正负对称的峰一峰值为200 mV 的方波信号。运放选用NE5532。 3 本系统采用方案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。 1.2.2 弱信号前置放大级 方案一:弱信号前置放大电路必须由低噪声、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： M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534 等。 本系统设计选用 NE5532，因为同众多的运放相比, NE5532 具有高精度、低噪音、高阻抗、 高速、宽频带等优良性能, 被称为“ 运放之皇” 。这种运放的高速转换性能可大大改善 电路的瞬态性能, 较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出, 使电路的整 体指标大大提高。 1.2.3 功率放大级 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。LM1875是一款功率放大集成块 ， 体积小巧，外围 电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工 作保护。 根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由 分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好， 则性能很可能高过较好的集成功放。许多优质功放均是分立功放。但其中只要有一个环节 出现问题或者搭配不当，则性能很可能低于一般集成功放，为了不至于因过载、过流、过 热等损坏还得加复杂的保护电路。现在市场上有许多性能优异的集成功放芯片，如 TDA2040A、LM1875、TDA1514等。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。 故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。 1.2.4 自制稳压电源 本系统设计采用三端集成稳压电源电路，选用 LM7818、LM7918 三端集成稳压器。 1.3 方案选择 由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分立元件相 结合的方案，另一种是全部采用集成芯片的方案。 4 为尽可能的降低噪声影响，减小非线性失真，以及考虑到外围元器件过多会给系统引入噪 声等干扰因素造成不利影响，本设计采用方案二：全部采用集成运放芯片搭建电路。 为满足题目规定的指标要求, 减小非线性失真, 提高电路的高频和低频特性, 我们决定在 前置放大级电路中采用集成双运放 NE5532, 在正弦波一方波转换电路中采用集成运放 LF357，在功率放大级中采用运放 LM1875。 2 单元模块设计 2.1 各单元模块功能介绍及电路设计： 2.1.1 波形变换电路： 设计电路如图 2 所示，我们直接采用施密特触发器进行波形变换与整形，选用高精度、高 速运算放大器 LF357 构成施密特触发器。根据题目要求，变换后的方波要正、负对称，频 率为 1000Hz，上升和下降时间 1us，电压的峰-峰值为 200mV。因为 LF357 属于 FET 管， 具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点，完全可以 满足技术指标要求。 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date:30-Nov-2009Sheet of File:F:protei199业业业业业业业业.DdbDrawn By: LF357 R1 10K R2 10K R3 75K R4 1.5K R5 10K D1 D2 C1 56PF C2 100PF RW 5.6K -VCC +VCC Ui Uo Uo1Uo0 V z=3V 图 2 波形变换电路 此电路中，和为脉冲加速电容，可以减少方波脉冲上升时间和下降时间。 21 C 22 C 为限流电阻，限制稳压二极管电流、，保证输出方波幅度稳定。 24 R 1 VD 2 VD （1）确定输出电压 O U ，比较器输出高低电平为 ZO VU Z V 、 ZOH VU ZOL -VU （2）和的表达式（当=时，输出电压状态发生跳变） U - U U - U 5 ， i UU- O 2322 23 U RR R U （3）门限电位 Z 2322 23 H V RR R E m )(-V RR R E Z 2322 23 L m 当时，； mH UE i 0UO z -VUO 当时，。 mL UE i 0UO z VUO 迟滞宽度。 2322 Z23 LH RR V2R EEV mm 图 4 中集成运算放大器可采用转换速率 SR 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。R4 为稳压二 极管的限流电阻，把流过 D1、D2 的电流限定在 6mA 左右。C1、C2 为脉冲加速电容，它 可以进一步减少方波脉冲时间上升和下降时间。 假设迟滞比较器的迟滞宽度 V=EmH-EmL=0.7V，则 R3 可用下式来确定 R3=（2Vz/V - 1）R2=（2*3/0.7-1）*10=75.71 K 取 R3=75 K 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。 2.1.2 弱信号前置放大级电路： 前置放大电路可以采用集成运算放大器构成的前置放大器,也可以采用专用前置放大 器IC构成的前置放大器电路,从经济方面考虑本设计采用的是集成运算放大器方案,设计前 置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有LF347、LF353、LF357、LF356、0P- 16、OP-37、NE5532、NE5534等。主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、转换速率、噪 声和电流消耗等。 为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用集成运算放大 器构成前置放大器电路时,必须采用同相放大电路结构,电路如图3所示。 6 图3同相放大电路结构的前置放大电路 为了尽能保证不失真放大,图3采用两级运算放大器电路A1和A2,每级放大器的增益 取决于R1、R2和R3、R4,即AvA=1+R2/R1,AVB=1+R4/R3。 由上述分析可知,低频功率放大器的总增益为68dB,两级前置放大器的增益安排在 50dB左右比较合适,每级增益在25dB左右,以保证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽 要求,从而可保证不失真,即达到保真放大质量。 图3中C1、C2分别为隔直流电容,是为满足各级直流反馈、稳定直流工作点而加的。 但对于交流成分, C1、C2必须呈现短路状态,即要求C1、C2的容抗远小于R1、R3的阻值。 C3、C4为耦合电容,为保证低频响应,要求其容抗远小于放大器的输入电阻。R5、R6为各级 运放输入端的平衡电阻,通常R5=R2,R6=R4。 跟随电路具有输入电阻大，输出电阻小的特点，可以做多级放大器的中间级，即缓 冲级。 说得通俗一点，就是做阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配。所以两级放大电路 前加了跟随电路实现阻抗匹配。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:29-Nov-2009Sheet of File:F:protei199业业业业业业业业.DdbDrawn By: A1 NE5532 A2 NE5532 R1 1K R2 20K R3 1K R4 20K R5 1MR6 1M Rw1 50K Rw2 50K Uo A0 NE5532 R7 1M + C1 4.7uF + C2 10uF + C3 47uF + C4 10uF + C5 47uF +15V +15V +15V -15V -15V -15V S1 业业业业业业业业 Ui 7 图4两级NE5532构成的前置放大电路 2.1.3功率放大电路 前面已经说过功率放大电路可由分立元件组成也可以由集成功放组成。分立元件组成 的功率放大电路，如果电路选择得好，参数选择恰当，元件性能优良，设计和调试的好， 则性能也很优良。 在分立元件组成功率放大电路中由三极管、二极管、电阻、电容等器件 组成的核心电路，提供了自由调整的余地。但分立元件组成的功率放大电路只要其中一个 环节出现问题，则性能会低于一般集成功率放大电路。而且为了不致过载、过流、过热等 损坏元件，需要加以复杂的保护电路。 集成功率放大电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作 的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外 围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。以下介绍采用集成芯片构成 的的功率放大器。 采用集成功放 LM1875 构成的低频功率放大器电路如图 2.6 所示。LM1875 是一个输出 功率最大可达到 30W 的音频功率放大器，Avo 为 90dB,失真率为 0.015%(1KHz,20W)，带宽 为 70 KHz，具有 AC 和 DC 短路保护电路和热保护电路，电源电压范围为 1660V，采用 TO- 220 封装。 在图 5 电路中，输入信号 Vi 经过 C12 耦合到 LM1875 的脚，功率放大后从脚输 出加到扬声器。R13、C14 串联接在输出端用以抑制高频噪声。C9、C10、C11、C13 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。R11、R12 组成反馈网络；C20 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。R10 为输入接地电阻，防止输入靠路时引起感 应噪声；C12 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 15V。LM1875 开环增益为 26 dB，即放大倍数 A=20。 图 5 采用集成功放 LM1875 构成的低频功率放大器电路 由于在本电路中选用了集成功放 LM1875，它在应用中外围 元器件少，调试简单，便 于扩功，使得功率放大级电路简洁，实用，输出功率大，非线性失真小。 8 2.1.4自制稳压电源电路： 直流稳压电源部分则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，本设计中采用三端稳压电路， 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, 实测其纹波电压很小。 2.2 特殊器件的介绍 本电路设计简洁、实用，各模块单元均选用集成运放电路。在前置放大级电路中 采用集成双运放 NE5532, 在正弦波一方波转换电路中采用集成运放 LF357，在功率放大级 中采用运放 LM1875。如此设计使得电路外围结构简单，体积小巧精致，且较好的结合了 各运放的优良性能，使电路能满足各项指标。现介绍各芯片参数如下： 表 1 NE5532 的极限参数 参数符号NE5532单位 电源电压Vcc22V 差分输入电压Vdif13V 输入电压Vi提供电压V 功耗，TA=25PD1100mW 工作温度TOPR070 表 2 LM1875 的参数 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) LF357 的通用参数: 与 MOSFET 输入设备相比，耐用的 JFET 允许无熔断处理； 9 高或低的源阻抗低 1/ 转折，优良的低噪声应用； 在大多数单片放大器上，偏置调整不可降解漂移或共模抑制； 新输出电路级允许大电容负载(5000pF)的使用，无稳定性的问题； 内部补偿和大的差分输入电压能力；对数放大器；光电放大器； 采祥保持电路共同特点；低输入偏置电流：30pA； 低输入失调电流 3pA； 高输入阻抗：1012； 低输入噪声电流：0.01pA/HZ； 高共模抑制比：100dB； 大的 DC 电压增益：106dB 3 结语 详细介绍了一种简单实用、价格低的低频功率放大器的电路设计方法, 整套设计只 需几十元 。 从实验的各项数据分析,本电路具有很好的频率响应特性, 从测得的带宽可以 看出,该功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用,能较好地达到实际要求,也符合 理论上的要求 。 参考文献 1 胡翔骏 电路分析(第二版) 北京：高等教育出版社 2007 2 华成英、童诗白 模拟电子学基础（第四版）北京：高等教育出版社 2006 3 高吉祥 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之模拟电子线路设计 北京：电子工业 出版社 2007 4 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京：北京航空航天大学出版社 2006 5 谭博学、苗汇静 集成电路原理及应用（第二版） 北京：电子工业出版社 2008 6 夏路易、石宗义 电路原理图与电路板设计教程 PROTEL99SE 北京希望电子出版社 2002 7 谷丽华、辛晓宁、么旭东 实用低频功率放大器的设计 沈阳化工学院学报 2005 年 01 期 8 NE5532、NE5534、LF357、LM1875 等器件的 DATA SHEET 致谢 经过几个月的准备，这篇论文终于完成了，在此谨向在这段时间里精心指导我们的 彭爱莲老师致谢。 感谢彭爱莲老师在上课之余悉心的为我们指导，从论文的选题、计划的制订，到论 文的撰写，都始终倾注着她的心血。她为人师表，治学严谨，在生活中平易近人，在教学 和科研工作中兢兢业业，力求做到精益求精。在这段时间里正是她的督促和教诲，才使我 10 们的论文能按时的完成，也正是她的精益求精，才使我学到了很多知识。 最后，向评阅本论文及参加论文答辩的专家和老师及同学们致以最为崇高的谢意。 附录： 系统整体电路图6： 11 图6系统电路图 前置放大电路图 7 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:21-Apr-2010Sheet of File:E:xuexiaobiyesheji业业业业业业qianzhifangda.ddbDrawn By: 1OUT 1 1IN- 2 1IN+ 3 VCC- 4 2IN+ 5 2IN- 6 2OUT 7 VCC+ 8 U1 NE5532 1OUT 1 1IN- 2 1IN+ 3 VCC- 4 2IN+ 5 2IN- 6 2OUT 7 VCC+ 8 U2 NE5532 1OUT 1 1IN- 2 1IN+ 3 VCC- 4 2IN+ 5 2IN- 6 2OUT 7 VCC+ 8 U3 NE5532