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低频功率放大器课程设计,毕业设计
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基于 Multisim 的 实用低频功率放大器仿真设计 学员 :许晓明 指导教员： 单位： nts目录 第一部分 摘要、 引言 一 二 、 低频功放的概念 三、 设计框架的形式 四 系统总增益 第二部分 各部分电路的选择与设计 一、 输入级的设计 二、 前置放大级的设计 1， 电路的设计 2， 电路参数 的计算 三、 音频控制级的设计 1， 反馈式高低音电路的设计电路工作原理 2， 设计方法 四、 末级功率放大级的设计 1， 基本要求 2， 电路形式的要求 3， 末级功放参数计算 五、 供电电路与接地 六、 总体电路 第三部分 问题与分析 结束语 参考文献 nts正文 1.1 摘要 1.2 低频功率的理念 低频功率放大器是一种能量转换电路，在输入信号的作用下，电路把直流电源的能量，通过前置放大级，功率放大级 ，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载。 功率放大器不仅仅是消费产品中不可缺少的部分，例如音响，还广泛应用于控制系统和测量系统中，用途相当的广泛。在科学技术日新月 异的今天，低频功率放大器已经是一个技术相当成熟的领域。很多年以来，人们付出了不懈的努力，使它无论是在线路技术方面还是在元器件方面乃至思想认识上都取得了长足的进步。 由于低频功率放大器运行中的信号幅度，如电压、电流都很大，其突出的问题是要解决非线性失真和各种瞬态失真。因为，功率放大器的主要任务是在不失真的前提下放大信号的功率。 一般在功放电路结构 上可采用不同的形式，以满足人们对音响设备的不同要求。 1.2 设计框架的形式 常见的音频功率放大器电路可以分为甲类，乙类和甲乙类三种。另外为了完全消除甲乙类和乙类功率放大器产生的交越失真，又出现了超甲类放大器和直流放大器等等。可供选择的方案有很多。根据设计题目要求，功率放大可由分立元件组成，也可以由集成电路完成。当然如果电路选择的好，参数恰当，元件性能优越，制作调试得好，则由nts分立元件组成的功放的性能还有可能高过集成功率放大器。 由于本设计不是对单一信号频率实施放大，而是对一个输入电压变化幅度大（ 5700mV），频带范围宽（ 5010000Hz ）的频带信号实施功率放大，所以不能只从简单的功率放大上考虑。至少应从以下几方面作较为全面的考虑： 1，解决本设计的电路对信号源，尤其是信号幅度小的影响。 2, 要求对整个频带内不同频率范围 i，不同电压幅值信号都能均匀放大 。 因此，所设计的低频功率放大电路，既能有效实现隔离，完成电路阻抗匹配，又能在一个频率范围内进行信号均衡放大的实用性电路。 均衡部分，借鉴了音频放大电路的音调控制电路，将音调控制的输出信号送入功放，提升到所需的额定输出功率。 作为信号电路，还有波形变换 电路，来增加对称方波的输出功能，故得设计的方框原里图：1.2.1 ；nts 设计的整个电路有正弦信号源，放大通道，直流电源，负载部分组成。在放大通道的正弦信号输入幅值大约在 5 700mv，在等效负载电阻 RL 为 8 偶的情况下，其放大通道的额定功率应大于或等于 10W。通道带宽大于或等于 50 10000Hz，在额定功率小剑侠非线性失真小于或等于 3% 系统组成：系统主要是有 输入级，前置放大、音调控制，功率放大器级等几个部分组成。 其中，变换电路负责执行波形变换，前 置放大级主要完成信号电压的分幅度范围放大任务 音调控制电路实施完成对几段音调控制中心频率 电平控制；功率放大级则是实现对信号的电压和电流放大任务。直流稳压电源部分则是为整个电路提供能量。下面作介绍。 nts1.3 系统总增益 由于任务要求额定功率不小于 10W， 考虑流出 50%的裕量 ，所以 输出功率应该在 15W以上，同时输出电阻负载为 8。 则 ： 系统的最大增益为 m a x 3172 0 l g ( ) 7 15 1 0A d B系统的最小增益为 m i n 3172 0 l g ( ) 2 7 . 77 0 0 1 0A d B所以在整个放大电路的 增益应该在 27.7dB71dB 范围内可调。为了保证放大器的性能，单级放大器的增益不宜过高，通常 2040dB（放大倍数在 10100 倍之间） nts nts 的带宽能保证信号在低中高频均能不失真的输出，使电路的整体指标大大提高 内部结构图 ： nts nts nts nts 他效果器的输入部分设计都用到了这个电路，正格输入级电路图如下 ; nts 输入级输出为： nts 考虑到时题目所给的正弦信号入电压幅度范围很宽，为了均衡放大并使大多数类型的音源处于低噪声工作状态，所以前置放大级的电压增益分成两档，用开关 K2 控制。 当开关 K2 断开时，要求电路增益大于 16dB，用于放大 V1 为nts40-700mV 时的信号，当 K2 闭合时，电路增益大于 35 dB，用于放大V1为 5-40mV 时的信号，故得电路 2.2.2。 2.2.2 电路参数的计算 因为开关的 K2 的闭合和断开，有两种情况下，下面分别对应其断开和闭合两种情况对电路参数进行确定。 因为当输入信号在 40 700nV 时， K2 断开，要求 20 lgA 16dB 有 420 .842422 0 lg (1 ) 1 61 1 0 87RRRRRR 若取2 4.7Rknts则可得：427 3 3R R k 取标称值为 4 27Rk又因为当输入在 540mV 时，开关闭合，要求 ： 2 0 lg 3 5VA dB 故 ： 4232 0 l g (1 ) 3 5/RRR 3 . 54 2234233231 1 0 6 5/ / 4 0 064400400400RRRRRRRRR 取标称值 470 。 最后经过核算，能够达到设计要求。 其耦合电容等，考虑信号低频率低，均采用耐压 50V、容量 为 33的电解电容。 nts输入端电 阻 R1 取 100k电阻（应远大于前级输出阻抗），并一个 小电容改善输入特性。 2.3 音调控制级的设计 人们在欣赏音乐时，总希望听到 悦耳 的声音，但是由于爱好不一，有的喜欢音浑厚深沉，有的人则喜欢清脆嘹亮。而低频功率放大器是一般音响设备中最为重要的一部分，这就要求在该级中对信号频率特性进 行人为控制，使频率 特性中某一频率 的功率 增益 增加或是降低达到 音 调控制的效果，这就是音量调节控制。 在一般音响设备中都装有 音调 控制电路，普通收音机中音调控制电路比较简单，高质量的收录机、扩音机中电路则比较复杂。音调控制又称音质调节，按 其 调节的频率范围分，有高低音音质和多频音质调节。高低音音质调节，即在通频带的两端进行 频率特性 调节时， 例如 100Hz左右， 10KHz 左右 ，并且要求在进行高低音调节时， 中音频率（一般指 1KHz）附近频率特性应该保持基本不变，以保持音量。多频段音质调节，如五频段其调节频段一般在 60Hz、 250Hz 、 1KHz、5KHz、 15KHz 附近，十频段调节频段 100Hz、 180Hz、 310Hz、 550Hz、1.8KHz、 3.1KHz、 5.5KHz、 10KHz、 16KHz 各频率 附近 。 音调控制电路种类很多，有 RC 无源调节电路 ，有有源反馈音质调节电路等等。 RC 无源调节电路，调节范围宽，但中音电平也要衰减，并且在调节过程中，整个电路的阻抗也在改变，失真较大。而有源反馈式音质调节电路中， RC 调节电路仅作为放大器反馈电路的一部分，用来改变反馈量的频率成分，使调节器的提升或衰减更加显著，nts失真较小，使用的较多，本设计按要求进行通频带两端频率特性调节，即高低音音质调节。 2.3.1 反馈式高低音调节电路的设计和电路工作原理 2.3.1.1电路组成 反馈式高低音调节是由放大电路中的阻抗元件 R、 C 组成的。 为了使这种电路得到满意的效果，要求电路 输 入信号 源的内阻应足够小，另外要求用来实现反馈式高低 音 单调 节 电路的放大级开 开环增益应足够大（电路中运放的采用正是为此）。 放大增益为 FuffZAZ当频率改变时， ZF， Zf 的比值改变，放大器增 益 随之改变。若改变阻抗元件的电路结构， ZF， Zf 随频率而改变，即达到了由改变电路结构来改变高低音的目的。从图 2.3.1的 4 种电路结构就可以清楚的看到这 些电路对不同频率其增益改变的情况。 nts在图 2.3.1（ a）的电路里， 1fZR2 11FZR jw C当 C1取值较大时，其容抗只有在低频时才有较大的变化，频率越低， ZF 越大 ，电路增益 越高，这样就达到了低音提升的目的。 在图 2.3.1（ b）的电路里，把容量较小 C3放在输入电路中，此电路 1 11/fZR jw C2FZR由于 C3容量较小，只有 在高频时 Zf随频率明显的变化，频率越高，电路增益越高，达到了高频提升的目的。同理，图 2.3.1（ C）可以使高音衰减，图 2.3.1（ d） 可以使低音衰减。 综合以上 4 种情况，可以得到图 2.3.2所示的反馈式音调控制电路，图中 RW2为低音调节， RW1为高音调节，为了使电路得到较满意的效果， C3、 C2容量要适当，其容抗和有关电阻相比在低频时要够大，在中高频时要足够小，而 C3的容抗选择是在低、中频时足够大，而在高频时要足够小，就是说 C1、 C2只让中、高音信号通过不让低音信号通过，而 C3只在电路设计时时常设 ： 1 2 3121 2 39wwR R R RR R RC C C nts 2.3.1.2 电路的幅频特性 1、信号在低频区 由于 C3 的数值较小低频时呈现的 阻抗很大，上下两个支路相比R4、 C3支路相当于开路。设运算放大器为理想元件，则同、反相端电位相等且近于 0， R3的影响可以忽略。当 Rw2 的触点移到 A 点时 C1被短路。在此电路中信号通过 R1加到反相输入端，对中、高音信号而言，C2 相当于 短路 ，反馈支路只有 R2,反馈量最大时的电路增益很小，输出 UO很小。随着频率的降低， C2容抗增大，反馈支路除 R2 外，还有RW2 / Xc2,而且由于 RW2R1 ，此时反馈量极小，从而获得最大增益，输出 Uo很 大，这就是低频提升 。 低频提升的数学关系式为 ： FuffZAZ此时： 22211( / / )FWfZ R R jw CZR则： nts 其中： 根据假设条件： 即： 当2Lww时（信号频率接近中频时） 当2Lww时 2 0 lg | | 3ufA dB 即在此时频率上调节电路可以提升 3dB 当1Lww时 nts 2 0 lg | | 1 7ufA d B 当1Lww时 2 0 lg | | 2 0ufA d B 从上面几种情况可以看出，当频率分别为当 L2， L2， = L2， L2，时，对应的提升量为 0dB， 3dB， 17dB，20dB，低频提升量较大。两转折频率 L1， L2 之间按照倍频程 6dB变化。 利用同样的分析方法，当 RW2 滑动到 B点时。对高、中音信号来说，此电路中的 C1 相当于短路， RW2 被短 路，放大倍数为 1，无衰减也没有 提升。随着频率的降低， C1 的容抗增大，输入信号衰减量增大，反馈量也加大，增益下降。当频率很低时， C1相当于开路，输入信号衰减最大，反馈最深，增益最小，这就是低频衰减。 其 幅频特性的数学表达 式为： nts 令 即： 用低频提升电路同样的分析方法，可得到图 2.3.3b 的幅频特性曲线，在中频区域增益为 0dB ，在 = L1时增益为 -3dB， = L2时增益为 -17dB，在 L2 和 L1 之间为倍频程 6 dB 变化，最大衰减为20dB ， L1、 L2 为转折频率。 nts 2 信号在高频区 由于频率较高， 大电容 C1 、 C2可以视为短路，而 C3再不能视为开路了，其等效电路如图 2.3.4a 所示，为了讨论方便，把 Y 型接法改成接法， 2.3.4b 所示。 其中： 从图 2.3.4B的电路可以看出，通过 R C 、 Ra 反馈到输入端的信号极小，这一支路的反馈信号大部分被信号源短路，同样，信号 U1 通过 Rc、 Rb加到反相输入端的也极小，可见， Rc对电路的影响相当于开路。 nts 高频提升： 其中 ： 高频衰减： 式中： 其规律为： 中频区增益为 0dB， = H 时增益为 3 dB， = Hnts时增益为 17dB， H 与 H2 之间为 6 dB倍频程变化，最大提升和衰减量为 20dB. 把上面讨论的 4 种情况高低间提升和高低间衰减画在 一坐标上，可得以下曲线。 曲线在1Lf、2Lf之间或是2Hf、1Hf之间有倍频程， 6dB 的变化规 律。设Lxf为1Lf、2Lf之间的某一频率，xHf为2Hf、1Hf之间的某一频率，则有以下关系式： 1()6L Lx dBff dB （ 2.3.24） 1()6xHHdBff dB （ 2.3.25） 通过以上分析可以看出： 、 RW2 控制低音， RW1 控制高音 、当 RW2 从， A 向 B 滑动时，低音信号衰减逐渐加强使低音从提升转向衰减，同样道理，当 RW1 从 C 向 D 滑动时，高音信号衰减加大，反馈也增强 ， 使 高 音 信号从 提升转向衰减， 把 RW2 、 RW1 放在不同的位置时，可以得到高低音的不同提升和衰减。 nts、音调控制电路中增益 A 不因 RW2、 RW1 改变而改变。 、电路的最大提升量信号是依靠减少输入衰减和减弱负反馈量来达到的，因此电路的放大级必须有足够的开环增益，才能依靠强的负反馈获得较宽的调节量。 2.3.2 设计方法 2.3.2.1 选择组件 根据对组件的要求选择组件，因高低音调节电路一般放在多级放大器的中间部位，对其没有特殊要求故选用通用型就可以了。 2.3.2.2 确定转折频率 在已知1Lf、2Lf转折频率及要求 的Lxf、xHf的处的提升或是衰减量时，可以根据2Lf与Lxf、xHf与1Hf之间的关系求出。 2.3.2.3 确定数值 前面假已经假定 RW=RW2=9R。它的确定影响若转折频率及其元件参数。因组件差模电阻较大， RW1、 RW2 可以选的大些，一般选几十千欧到几百 千欧。 2.3.2.4 元件参数计算 由上面公式 2-3-25可知 由上面公式 2-3-18可知 nts 2.3.2.5 耦合电容 设放大器的下限频率为，在低频时音调控制电路的输入电阻为 R1，按照一般 RC耦合电路计算出电容： 综上所述：可以得到如图 2.3.7 所示电路。运算放大器选用单电源 供电的四运放 LM324， 其中 RP3 称为音量控制电器，其滑臂在最上端时，输出最 大 在功率。 转折频率2Lf以及xLfntsR1、 R2、 RP1 不能取的太大，否则运放飘移电流的影响就不可忽略，也不能太小，否则流过它们的电流将超过运放的输出能力，一般取几欧到几百千欧。 LM324 内部结构如下图 2.3.8 所示。 现在取 则： 由式 2.3.4 可得： nts则： 取标称值 0.01uF，即： 取标称值 13k 由式 2.3.18 可得： 则 ; 取标称值 510PF 取 RP2=RP1=470k ， RP3=10k 级间耦合与隔直电容4510C C uF经过核算，能够达到发达要求 nts 2.4 末级功率放大级的设计 2.4.1 基本要求 功率放大电路物主要任务是：在允许的失真限度内，尽可能高效率的向负载提供足够大的功率。因此功率放大电路的电路形式，工作状态，分析方法等等都与小信号放大电路有所不同。 在实用的电路中，往往要求末级输出一定的功率以驱动负载。从能量转换的角度来看：功率放大电路与其他放大电路在本质上并没有什么区别，只是功率放大既不是 纯追求输出高电压，也不是单纯追 求纯追求输出大的电流，而是追求nts在电源电压确定的情况下， 输出尽可能大的功率。 对功率 放大电路的基本要求是： 1、输出功率要大 输出功率 Po=Uo*Io 要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。因此，晶体管工作在大信号极限运行状态，应用时要考虑放大器件的极限参数，以保证功放电路的安全运行。 2、效率要高 放大信号的过程就是电路按照输入信号的变化规律 ， 将直流电源提供能量转换为交流能量的过程。其转化效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值。 2.4.2 电路形式的选择 由于本设计任务要求额定 功率不小于 10W，考虑留出 50%的余量，故设计输出功率应该在 15W 以上，同时输出负载 8，因此在放大电路中，鉴于这些原因，简单的分立元件的功放电路要达到上述目标困难，故选用 LM1875。 该功放集成块的性能指标 优异。 该功放外围电路的元件值如图 2.4.1 所示： nts 2.4.3 末级功放参数计算 根据任务要求留出一定量的功率富裕度，本设计拟选输出功率 PO=20W，由于该输出功率值明显低于 LM1875T 的额定输出功率，从而可以使其他各项性能指标容易满足。 输出电压和电流幅值： 根据输出功率和负载要求： 2 2 8 2 0 1 8O M L OU R P V 2 2 . 2 4OOMLPIAR直流供电电压的选择：考虑各方面因素的影响，电源电压应高于 OMU，考虑 5V 的电压裕度本设计取： ( 5 ) 2 5C C O MV U V nts最大耗散功率 ; 22 ( ) 2C C C CD M LVVPR 2248 82 934.7W 效率 : 00% 5 9 . 9 %DMPPP 电压增益确定： 由 前 置 级 可 知 ， 提 供 给 功 放 级 的 最 小 输 入 电 压 和 电 压 增 益 分 别 是 ：m i nm i n0 . 0 4 6 . 4 0 . 2 5 62 7 0 ,ioLViUVPRAU 即： 37dB.频带宽度： LM1875 的单位增益 GBWP=2MHz，因此可以算得功率功率放大级带宽 BW为： 2 8 . 6VG B W PB W k H zA 主要外围元器件的选择： 为了满足低频部分的要求， C1、 C2 、 C3等选用 ELNA 公司0.47 F的无极性电容器。电容量在 0.47 F 以下的电容器，如 C2、 C4 、 C6 、 C7 等选用优质的 MKP 系列电容器，必要时应选用无感金属化聚丙烯电容器，如 C3、 C5等等。 因为电路采用的同相输入，其放大倍数 nts431 7 0oViU RA UR 故： 4369RR因为3R不宜过小 取 3R 为标称值 620 ，则得： 4369RR 4369RR=42.78k 因为 R3不宜过小 取 R3为标准值 620， 则得 ： R4=69R3 =42.7k 取标称值 43 k . R1原则上应远大于前级电路的内阻，本设计选用阻值为100k的标称电阻。 R2选用阻值为 1k标称电阻。 C4、 C6 接入目的是为了减小大容量的 C3、 C5 滤波电容自身线绕电感的影响。 nts为使负载扬声器时的变频特性，接入 R5、 C7 组成消振网络，按经验 R5一般取几十欧， C7一般取 0.22 F，本设计取 . 5 1R nts2.5 供电电源与接地 选可调式三端稳压器 CW317，其特性参数 VO=1.237V， Iomax=1.5A，最小输入、输 出压差（ Vi Vo） min=3V，最大输入、输出压差（ Vi Vo） max 40V。组成的稳压电源电路如图 1 所示。由式基础知识得 Vo 1.25（ l RP1 R1），取 R1 240，则 RP1min=336，RP1max=1.49K， 故取 RP1为 4.7K 的精密线绕可调电位器。 3、选电源变压器 由式mi nma x )( OiO VVV Vi Vomin+(Vi Vo)max可得输人电压 V 的范围为 9V 3V Vi 3V 十 40V 12V Vi 43 V 副边电压 V2 Vimin 1.1 12 l.1，取 V2=llV，副边电流 I2Iomax=0.8A，则取 I2=1A, 变压器副边 输出功率 P2 I2V2=11W。若变压器的效率0.7，则原边输入功率 P1 P2=15.7W。为留有余地，选功率为 20W 的电源变压器。 4、选整流二极管及滤波电容 整流二极管 D 选 IN4001，其极限参数为 VRM 50V， IF 1A。满足 VRM22V，IF Iomax 的 条件。 滤波电容 C 可由纹波电压 Vop-p 和稳压系数 Sv 来确定。 已知， Vo=9V， Vi=12V， Vop-p=5mV， 553 X 10。则得稳压器的输入电压的变化量 VSV VVVVOiPOPi 2.2 由基础知识得滤波电容 FVIVIciOit t 3636ma x 电容 C 的耐压应大于2V2=15 4V。故 取 4700F 25V 的电容器，如图 1 中 C1所示。 5、设计直流稳压电源电路原理图 nts 图 1 直流稳压电源电路图 2 6 总体电路 低频功率放大器是一个小型的电路系统，要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级的布局，每一级的地线要尽量接在一起，连线尽量短，否则很容易出现自激。 将已经设计好的各级电路连接起来，组成一个完整的低频功率放大器电路。这里就要考虑级间耦合的方式了。 一般来说，放大器 的级间耦合 方式有变压器耦合、阻容耦合和直接耦合几种。 变压器耦合：级与级之间采用变压器耦合连接，其优点是级与级之间能够较好的匹配，耗能少，缺点是通频带较窄，只有几百兹到几千赫兹，非线性失真较大，加上本身体积大、笨重、价格较贵等等特点，一般只使用 在需要节省能源的功率输出级。随着对放大器通频带要求的增宽以及小型化、集成化的发展 ，变压器耦合的场合越来越少了。 阻容耦合：前后级通过电容连接，它具有体积小、其 nts重量轻，频率响应好，各级静态工作点独立等优点。缺点是各级之间不容易实现阻抗匹配，功率增益比变压器耦合要小，为 了获得同样的增益使用级数，能量损耗较大。但是由于它的优点突出，
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