实用低频功率放大器.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 通信电子线路课程设计 题 目 实用低频功率放大器 院 系 电气信息工程学院 专业班级 信11-1 学生姓名 学生学号 指导教师 张秀艳、任晶秋 2013年 7月 19 日东北石油大学课程设计任务书课程 通信电子线路课程设计 题目 实用低频功率放大器 专业 通信工程 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：设计具有弱信号放大能力的低频功率放大器。该功率放大器在带宽、失真度、效率等方面要具有较好的指标、较高的实用性。基本要求：1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5700）mV，等效负载电阻为8 下，放大通道应满足：（1）额定输出功率10W；（2）带宽BW(5010000)HZ；（3）在下和BW内的非线性失真系数3%；（4）在下的效率55%；（5）在前置放大级输入端交流短接到地时，=8上的交流声功率10mW。2）自行设计满足本设计任务要求的稳压电源。主要参考资料： 1 胡翔骏.电路分析(第二版)M.北京：高等教育出版社，2007. 2 谭博学，苗汇静.集成电路原理及应用M北京：电子工业出版社， 2008. 3 夏路易.电路原理图与电路板设计教程PROTEL99SEM.北京电子出版社，2002.完成期限 2013.7.15 2013.7.19 指导教师 专业负责人 2013年 7 月 15 日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、波形变换电路共4 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：正弦波方波转换电路；弱信号前置放大级电路；功率放大电路；自制稳压电源电路目录1.设计要求12.方案设计12.1 设计思路12.2方案论证与比较12.3方案选择33.各单元模块工作原理及计算33.1波形变换电路33.2弱信号前置放大级电路53.3功率放大级电路63.4系统整体电路图73.5自制稳压电源电路84.系统调试84.1稳压电源的调试84.2前置放大电路和波形转换电路的调试95.总结96.系统需要的元器件清单9参考文献10通信电子线路课程设计（报告）1.设计要求（1） 在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5700）mV，等效负载电阻为8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR10W； 带宽BW（5010000）Hz； 在下和BW内的非线性失真系数3%； 在下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，=8上的交流声功率10mW （2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。（3）转换后的方波信号波形 上升时间tr1s 下降时间tf1s 峰峰值电压Vp-p为200mV（4）波输入激励放大通道后的输出波形 在下额定输出功率10W 在下输出波形下降时间tf12s 在下输出波形顶部斜降2% 在下输出波形过冲量5%2.方案设计2.1 设计思路 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。为达到设计要求，前置放大电路要具有较强的抑制噪声的能力，因此在前置放大电路、前置放大电路与功率放大电路之间都采用阻容耦合的方式，这样具有较强的隔直作用，同时在同相放大的接地端也要加隔直电容，波形变换电路采用具有良好抗干扰能力的迟滞比较器，功率放大采用由集成芯片构成的功率放大电路。2.2方案论证与比较：2.2.1 波形变换电路：方案一：利用运放在开环状态下的饱和特性，采用过零比较器将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， 再经过反相衰减电路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：先经过前级放大后再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，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，施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357。 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。2.2.2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。2.2.3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。2.2.4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。2.3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.各单元模块工作原理及计算：3.1波形变换电路：设计电路如图1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1 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 （1） 比较器输出高低电平为 、 （2） （3） （4） （5） （6）当时， ， （7） 当时， ， （8）迟滞宽度 （9） 令，则 （10） 取，近似等于，即 (取) (11) （12）3.2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，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。 一个采用两级NE5532(C1:A和C1:B)构成的前置放大器如图2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） （13）当输入信号最小，即=10mV 而输出不衰减时 =A1=1510=150 mV （14）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 （15）取=22。因此，取=1K， =15K， =22K， =1K。图2前置放大电路3.3功率放大级电路： 采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路如图3所示。在图3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 （16）加上功率管管压降2V，则 （17）则取电源电压为20V。 （18） （19）所以计算效率为 （20）输出最大不失真电压 =17.9V，故 （21）由于A=20， （22） （23） （24）所以功放电压增益取=10，则输入信号 （25）图3采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路3.4 系统整体电路图：图4系统整体电路图3.5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。4.系统调试调试前的直观检查连线是否正确，检查电源输出值是否符合实验标准；检查元器件的安装情况：元器件的管脚之间有没有短路，连接处有没有接触不良，集成电路NE5532的管脚是否接对及集成块的缺口是否与底座对位。4.1稳压电源的调试 电源电压输出值稳定，其正电压输出为+14.8V，负电压输出为-14.7V。虽然运放所加正负电压不对称时可能会引起直流偏移，即在输入信号为0时，输出信号并不为0，但考虑到NE5532的低噪声性能和LM1875在8 负载上，20W输出时总谐波失真为0.015的特点，对正负电压输出微小的不对称不再做调整。4.2 前置放大电路和波形转换电路的调试 在此我们对前置放大电路的两级分开调试。调整直流电源输出为15V，插上运放NE5532芯片，接通直流电。5.总结时间总是过得很快，经过一周的课程设计的学习，我已经通过在上网查找相关的资料和设计，自己完成了一个实用低频功率放大器，让我更好的把课本上的知识应用到实践中，更好的运用所学的知识来解决实际问题，这也为我大四的毕业设计打下了一定的基础。经过这段课程设计的日子，我发现从刚开始对其的一无所知，到现在已经能够基本掌握其设计步骤。在这过程中，我体会最深的就是，在很多时候自己不能解决的问题就要虚心向其他人请教。还有就是要感谢张老师和任老师一周以来对我们的辅导，在这段时间里正是老师的督促和教诲，才使我们的论文能按时的完成，也正是老师的精益求精，才使我学到了很多知识。6.系统需要的元器件清单表1 元器件清单序号元器件名称元器件类型元器件规格数量备注1示波器TektronixTDS10121Tektronix2函数信号发生器EE164281南京新联电子设备有限公司3失真度量仪 GW instek GAD-201G1苏州固纬电子股份有限公司4数字万用表UT58E1UNI-T5电阻R1、R2、R510K46电阻R37.5k17电阻R41.5k18电阻R651k19电阻R847k110接地电阻R1022K 111电容C156pF112电容C2100pF113电容C310uF114电容C4220uF115耦合电容C10100uF116耦合电容C110.11uF117耦合电容C122.2uF118耦合电容C13、C140.1uF219直流负反馈电容C20220