低频功率放大器设计.doc

目目 录录 1 1 课程设计目的课程设计目的 1 2 2 课程设计题目的描述与要求课程设计题目的描述与要求 1 2 12 1 课程设计题目的描述课程设计题目的描述 1 1 2 22 2 课程设计的基本要求课程设计的基本要求 1 1 3 3 课程设计内容课程设计内容 2 3 13 1 方案的总体论述方案的总体论述 2 2 3 23 2 方案的选择与说明方案的选择与说明 2 2 3 33 3 方案的各部分工作原理方案的各部分工作原理 4 4 3 43 4 相关计算相关计算 8 8 5 5 总结总结 9 附录附录 参考文献参考文献 1 1 1 课程实际的目的课程实际的目的 通过课程设计 是同学加强对电子技术电路的理解 学会查询资料 方案 比较 以及设计计算等环节 进一步提高分析解决实际问题的能力 锻炼分析 解决电子电路问题的实际本领 真正实现由知识向智能的转化 通过此综合训练 为以后毕业设计打下一定的基础 2 2 课程设计题目描述与要求课程设计题目描述与要求 2 1 课程设计的描述 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 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 功率放大器随着科技的进步是不断发展的 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 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 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 同时要求低噪声 低温漂 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 实用并且达到高增益 高保真 高效率 低噪声 宽频带 快响应的指 标 2 2 课程设计的要求 基本要求 1 额定输出功率Po 10W 2 负载阻抗RL 8 3 失真度 3 2 4 宽频带 50Hz 10000Hz 3 3 课程设计的内容课程设计的内容 3 1 方案的总体论述 系统原理方框图如图 1 所示 根据题目任务 我们设计有两个基本电路 弱信号前置放大级电路 功率放大电路 自制稳压电源 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 图图 1 1 系统原理框图系统原理框图 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 3 2 方案的选择与说明 3 2 1 方案的说明 1 弱信号前置放大级 3 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 2 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 方案三 采用 OTL 功率放大器 该放大器采用TDA2030音频放大器芯片 TDA2030音频放大器电路是最常用到的音频功率放大电路 TDA2030是高保真集 成功率放大器芯片 输出功率大于10W 频率响应为10 1400Hz 输出电流峰值最大 可达3 5A 其内部电路包含输入级 中间级和输出级 且有短路保护和过热保护 可 确保电路工作安全可靠 采用正输出单电源供电 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 方案三采用TDA2030正好弥补了此缺点TDA2030内部有短路过热保护 且准确性比专用集成芯片高故本系统设计选用方案三 4 3 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 3 2 2 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 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 在功率放大级中采 用 OTL 功率放大电路 3 33 3 方案各部分工作原理 方案各部分工作原理 1 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 5 如图2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 AV 1 R4 R3 由上述分析可知 低频功率放大器的总增益为68d 两级前置放大器的增益安 排在50d左右比较合适 每级增益在25d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 一个采用两级NE5532 C1 A和C1 构成的前置放大器如图4所示 各级均采 用固定增益加输出衰减组成 要求当各级输出不衰减 输入 时 mVU PPI 5 输出 VU PPO 53 2 第一级放大器 要求杂信号最强时 输出不失真 即在 时 mVU PPI 700 输出 所以 取 VUOM11 7 157 0 11 1 POM UUA15 1 A 当输入信号最小 即 10mV 而输出不衰减时 PPI U A1 15 10 150 mV PPO U 1PPI U 第二级放大要求输出 2 53V 考虑到元件误差的影响 取 3V 而 PPO U 2PPO U 2 输入信号最小为150 mV 则第二级放大器倍数为 3 0 15 20 PPO UA 21PPO U 1 取 22 2 A 因此 取R 1K R 15K R 22K R 1K 671718 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 6 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 如图4两级NE5532构成的前置放大电路 2 OTL 功率放大器 OTL 功率放大器各级的作用 输入级 主要作用是抑制零点漂移 保证电路工作稳定 同时对前级 音调控 制级 送来的信号作低失真 低噪声放大 为此 采用带恒流源的 由复合管 组成的差动放大电路 且设置的静态偏置电流较小 推动级的作用是获得足够高的电压放大倍数 以及为输出级提供足够大的驱动 电流 为此 可采用带集电极有源负载的共射放大电路 其静态偏听偏信置电 流比输入级要大 输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率 可采有由复合管构成 的甲乙灯互补对称功放或准互补功放电路 7 图 3 电路原理图 此外 还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路 为稳定电压放 大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路 以及过流保护电路等 电路设 计时 各级应设置合适的静态工作点 在组装完毕后须进行静态和动态测试 在小型不失真的情况下 使输出功率最大 动态测试时 要注意消振和接好保 险丝 以防损坏元器件 图 4TDA2030 构成的功率放大图 电路为音频功率放大器原理图 其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片 输出功率大于10W 频率响应为10 1400Hz 输出电流峰值最大可达3 5A 其内部 电路包含输入级 中间级和输出级 且有短路保护和过热保护 可确保电路工作 8 安全可靠 TDA2030使用方便 外围所需元器少 一般不需要调试即可成功 RP是音量调节电位器 C1是输入耦合电容 R1是TDA2030同相输入端偏置电阻 R4 R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益 该电路闭环增益为 R4 R5 R5 4 7 150 150 33 3倍 C3起隔直流作用 以使电路直流为100 负反馈 静 态工作点稳定性好 C2 C4 C7为电源高频旁路电容 防止电路产生自激振荡 R6用以在电路接有感 性负载扬声器时 保证高频稳定性 VD1 VD2是保护二极管 防止输出电压峰值 损坏集成块TDA2030 3 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 3 43 4 相关计算相关计算 1 功率的计算 输出功率Po用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示 设输出电压的幅值为Vom 则 因为Iom Vom RL 所以 当输入信号足够大 使Vim Vom Vcem VCC VCES VCC 当Iom Icm时 可获得最大的输出功率 由上述对Po的讨论可知 要提供放大器的输出功率 可以增大电源电压VCC或 降低负载阻抗RL 9 4 4 总结总结 通过一周的课程设计 加强了对电子技术电路的理解 学会了查询资料 方 案比较 以及失算等环节 进一步提高分析解决实际问题的能力 由于此设计 采用了大量的集成芯片 我对 NE5532 和 TDA2030 的功能有了一定的了解 并且 对所学的模电知识进行了简单的温顾 对功率放大有了进一步学习 同时我也 发现了不足 有许多知识还是欠缺 对知识的应用缺少实践 通过这次设计 让我更好的学习了设计与实践之间的运用关系 为我以后的毕业论文设计打下 基础 还有要感谢老师对我的课程设计的帮助 10 附录附录 11 参考文献参考文献 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