低频功率放大器程序设计.doc

电子技术课程设计报告题 目： 低频功率放大器电路 学 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师： 2012年12月23 日目 录1.课程设计目的.12.课程设计题目描述和要求3.课程设计报告内容3.1 设计方案的选定与说明。3.2论述方案的各部分工作原理及计算4.总结5参考文献6附录：1.设计目的2设计要求项目测试对象题目要求指标正弦波输入额定输出功率（PORW）10带宽（BWHz）5010000非线性失真系数 3POR下的效率 55输出交流声功率（PmW）10转换后的方波信号波形上升时间（trs）1下降时间（tfs)1峰峰值电压（Vp-pmV）200方波输入激励放大通道后输出波形输出功率（PORW）10上升时间（trs）12下降时间（tfs）12顶部斜降2过冲量53. 课程设计报告内容3.1 设计方案的选定与说明(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 功率放大电路 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。(2)单元模块方案论证与比较：(a)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。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。(b)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。(c)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。(d)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)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。3.2论述方案的各部分工作原理(1)各单元模块功能介绍及电路设计：(a)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。 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,可以取56pF和100pF。可以将输出幅度调整至200mV，可选用10K。为限流电阻，限制稳压二极管电流、，保证输出方波幅度稳定。 （1）确定输出电压U0U0=Vz，比较器输出高低电平为Vz (1) (2) （2）U+和U-的表达式（当U+=U-时，输出电压状态发生跳变） (3) (4) （3）门限电位 (5) (6) 当时， (7) 当时， (8)迟滞宽度 (9) 令（假设迟滞比较器的迟滞宽度） 则 (10)取R22=75K，R21近似等于R23，即R21=10 K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。(b)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。如图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。一个采用两级NE5532(C1:A和C1:B)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， 输出 。对于第一级放大器,要求杂信号最强时,输出不失真,即在 时,输出。所以 取 (11)当输入信号最小,即=10mV 而输出不衰减时=A1=1510=150 mV (12) 第二级放大要求输出2.53V,考虑到元件误差的影响,取=3V,而输入信号最小为150 mV,则第二级放大器倍数为/=3/0.15=20 (13)取=22。因此,取R=1K, R=15K, R=22K, R=1K。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。 如图4两级NE5532构成的前置放大电路(c)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。因为要求输出到8电阻负载上的功率Po20W，而 (14)加上功率管管压降2V，则 (15)则取电源电压为20V。(16) (17)所以计算效率为 (18)输出最大不失真电压 =17.9V，故 (19)由于A=20， (20) ， (21)所以功放电压增益取=10,则输入信号 (22) 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。(d)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)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。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TOPR070LM1875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； 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：106dB4总结经过一个星期的准备，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皮老师致谢。在这次课程设计