实用低频功率放大器设计与制作

实用低频功率放大器设计与制作 组员 翟吉庆组员 翟吉庆 章磊章磊 杨涛杨涛 1 方案设计与电路原理分析 根据题目任务 我们设计有四个基本电路 正弦波一方波转换电路 弱信号前置放大级电路 功率放大电路 自制稳压电源电路 为提高该电路的实用功能 我们考虑在 两电路间 加上跨导增益调节电路控制增益 用数字显示电路模拟显示其增益谓节程度 其组成电路的结 构框图如图1 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 前置放大电路和跨导增益调节电路中采用集成运放NE5534 在正弦波一方波转换电路中采用集 成双运放NE5532 因为同众多的运放相比 NE5532和NE5534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 其具体指标参数为 转换频率为15V us 增益带 宽积为10MHz 直流增益为10 5倍 最高工作电压为士22V 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 1 正弦波一方波转换电路如图2所示 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 于是采用开关三饭管e脚与c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7OOmV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 由于该电路利用了高精度运放NE5532的开环状态下的饱和特性和高转换速率 因而输出的方波 信号瞬态特性好 上升沿和下降沿都非常睫 能达到题设要求 1 2 前置放大电路如图3所示 从信号源输出的信号非常徽弱 5 700mv 只有经过放大 之后 这种信号才能激励功率放大器 前置放大由运放 NE5534 担任 为弥补前置放大部分 由运放产生的微小零漂和因布线等原因造成的失真 脚与 脚之间接调零电阻 脚与 脚 之间接补偿电容 该电路增益可由公式计算 调节电位器 可以改变电路的增益 跨导信号增益调节电路如图4所示 由前置放大级输出的电平信号若直接 经电位器调节再送入功率放大器 当调节电位器时 由于电位器的性能和接触碳膜的影响会使放大 级的工作状态和性能受到影响 同时电位器的调节噪声也将放大输出 该电路则能避免这些影响 该电路是通过改变跨导 G 来控制放大器增益的 如图 电位器wa 滑动端向右移时 输入电流 对输出电压的变化率变小 而当滑动端向左侧移动时 情况正相反 因而改变了放大器的增益 该增益调节电路由运放NE5534组成 其调节范围为O 20dB 1 3 功率放大电路如图5所示 电路采用了由菲利浦公司生产的一种高保真功率放大集成IC TDA15l4A 该集成IC具有在功率范围内失真小 效率高等特点 同时该集成电路具有较完善的保 护功能 有以下几个特点 高输出功率 补偿电压低 抗波动能力强 静嗓 备用装置 静噪时间由外部延迟元件决定 过热保护 能防止静电放电 开关断开或合上时无 嗒哒 声 热阻板低 安全操作保护 短路保护 其内部框图如图6所示 主要参数如表1所示 该功放集成电路设有自举电路 在实际制作中 为提高输出波形的瞬态特性 我们将6脚与7脚短 接 取消自举电路 这样虽减少了约4W 的输出功率 却减小了非线性失真 且输出功率仍能满足 要求 R40和R46 用以确定开机延时静噪时间 反馈电阻R44并联一容量为llOP瓷片电容C48 能 有效消除正反馈自激 C46和R45用于消除接入负载后高频自激的产生 1 4 自制稳压电源电路如图7所示 电源为整个功放的心脏 其质量直接影响前后级输出信号的好 坏 本题需两组电源 我们采用50W 大功率变压器分两绕组给前后级供电 由于TDA1514A 的电压 变化范围较广 为保证电源有足够的功率提供给功放 固而后级电源采用了5A 4OOV 2CZBE硅 整流管全桥 在每个二极管上并联0 047uF电容以消除电网高频谐波 电源经10000uF电解并上1000uF 47uF 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0 01mV 前级电源用两只47 10W 电阻串联在次级起 分压作用 使三端稳压集成电路7815 7915的输入电压不至过高 同时还能在电源负载短路时 起分压保护作用 该电源也是采用容值不同的电容并在一起以士 15V 稳定的直流电压输出 2 电路测试方法与数据分析 按题目规定 要求测试以下部分 2 1 基本要求部分 条件 在放大通道的正弦信号输入电压为5 700mV 等效负载电阻RL 为8 2 1 1 额定输出功率P0R 测试方法 在输出端跨接RL 输入1KHz正弦波将输出端波形激励到削波点 用示波器测出此时输 出波形的峰一峰值电压 再按以下公式计算 用示波器 HITACHI VC 一 6545 实测 得输出峰一峰值电压为 36 0Vp p 代入公式 有 所以 该功放输出功率为 2O 25w 2 1 2 带宽BW 测试方法 输入信号幅值不变 当输入信号频率变化时 用示波器测功放输出信号幅值变 化 下限频率fL和上限频率fH对应的幅值为0 707 中频带幅值 fL fH即为带宽BW 由示波器 HITAcHI VC 一 6545 测试数据 如下表 2 由表可知 输入中频幅值为24 80V 则fL和fH对应的幅值为24 8 0 707 17 7V 所测频率对应 的幅值均在f1 和fH之上 2 1 3 在PoR 和BW 内的非线性失真来戴 铡量方法 采甩SZ 3型失真度测量仅测量 北无三厂制 在输入信号频率为1KHz 输出波形幅 值接近削波点 36 0Vp p 时 即在BW 内和POR下 测得输出波形失真度为0 54 题目要 求为3 2 1 4 在POR下的效率 测试方法 在PoR时 用万用表测功放电源正电压为21 6V 断开功放正电源 串入万用表 测 得通过电流值为760mA 则输入功率为 Pm 760 2 10一 21 6 32 8W 因此在PoR 下的效率 2 1 5 交流声功率 用示波器 HITACHI VC 6545 测在8n负载 输入端短路时示波器波形 测得其峰一峰 值电压为 0 492Vp p 则 2 2 发挥部分 2 2 1 放大器的时间响应 由示波器 HITACHI VC 6545测 2 2 1 1 正弦波 方波转换电路产生的方波 测试方法 测方波的上升沿中点处到顶部l0 和90 所经历的时间为上升时间t 而下降时间t 则为方波的下降沿中点处到底部10 和90 所经历的时间 上升时间tl 0 9us 下降时间 t 0 8us 峰 峰值电压为 200mVp p 2 2 1 2 用方波激励放大通道时 在 R 80F 测最大输出波形峰一峰值电压为 36Vp p 在POR 条件下 测功放输出波形 2 3 数据结果分析 实测数据均达到或超过题目所要求指标 如下表 3 所示 RL 8 3 发挥与创新部分 3 1 低噪声跨导信号增益控制装置 具体电路功能与原理分析见方案设计与电路原理分析部分 3 2 增益调节程度用数字模拟显示 电路图如图8所示 数字显示部分由1个三位半数字表头组成 基准电压由 5v 电压分压而来 基准 电压范围为0 000 0 999V 此电压调整由跨导信号增益控制器的同轴电位器W3B调节 使其显示与 增益调节程度同步 3 3 提高效率 由于采用高效率的功放集成块TDA1514A和低内阻大功率的电源及太电容滤波电路 两组IOOOOuF 5OV 使整个电路效率较高 在额定功率下 该功放效率达到了62 超过了基本要求指标 3 4 减小非线性失真 采用优质高速运放NE5534作前置放大及增益控制 使前级信号最大限度地不失真输出 经实测 该功放输出波形非线性失真仅为0 56 远小于题设基本要求 3 5 扩展带宽BW 前置NE5534的退耦电容由47uF增至1000uF时 输出波形低频特性太大改善 而在功放电路中取消自 举电路 又使瞬态性能太大提高 从而提高了低频 高频特性 扩展了带宽 4 焊接与整机装配调试 信号输入前置放大部分 最容易感受到噪声干扰 因此 我们把正弦波一方波转换电路安 装在面板上 采用一点接地焊接 信号输入输出线均采用尽量短的屏蔽线 这样我们就有效士 的提高了放大器的抗干扰能力 使其达到系统指标要求 后级功放电路所需电源功率较大 为使太信号也能不失真输出 必须使电流畅通无阻地供给功 放级 因而在电源焊接工艺上 我们采用粗铜线将正 负电源及地分别连上焊牢 以减少其接 触电阻 整机调试时 用示波器逐级检查在输入方波信号情况下的输出波形 若有波形失真 则通过 判断其是否为高频失真 表现为有过冲量 还是低频失真 表现为上升沿和下降沿变斜或出现四 角 来改变电路中相应的阻 容元件参数 使之最终达到指标要求 电路中各部分耦合电容均采用钽电容 电阻则采用金属膜电阻 使整机性能增加 制作功放的整体效果与焊接 布线关系密切 为防止噪声干扰 减少失真 机内各电路板 装 配非常讲究 本功率放大器电源部分和前置部分分别置于机箱相对的角上 以免前置级引入变 压器干扰 同时 强弱信号也尽量分开 以免产生反馈自激 信号输入线采用屏蔽线 以减少外 部干扰 整机内部装配图如图9所示 同时 为使面板不致呆板 设计时 在面板