低频功率放大器的理论设计方案

1 / 21 低频功率放大器的理论设计 摘要 实用低频功率放大器主要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原理、电子线路及应用。该电路由稳压电源、前 置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路五部分构成。稳压电源是为 前置放大器、功率放大器提供稳定的电源。前置放大器是进行电压的放大。功 率放大器实现电流、电压的放大。波形变换电路将正弦信号电压变成要求的方 波信号。设计的电路结构简洁、实用，充分体现了集成功放的优良性能。该功 率放大器失真度较低、效率较高，为以后的功率放大器设计提供了广阔思路。 关键词 ：正弦波方波转换 ；电路功率放大电路 ；自制稳压电源电路；弱信号前置放大级电路 2 / 21 Abstract The utility of the low frequency power amplifier are mainly applied in the audio signal of power amplifier, this article introduces the weak signal amplifier ability has the low frequency power amplifier, the principle of the content, the technical route. The main circuit manostat, preamplifier, power amplifiers, wave transform circuit and the protection circuit five parts. Voltage stabilizer for pre-amplifier, power amplifier provide stable dc power. The preamplifier is voltage scaling. Power amplifier realize current, voltage scaling. Wave transform circuit will sine signal voltage into requirements of the square wave signal. The design of the structure is simple, practical circuit, make full use of the good performance of the integrated amplifier. The power amplifier in bandwidth, distortion degree, have a high efficiency of solid, for the following power amplifier design to provide a broad ideas. Key words ：Sine wave-squarewave transform circuit 。Power amplifier。Circuit homemade manostat circuit 。Weak signal level preamplifier circuit 目目 录录 第1章 绪论1 第2章 总体方案的设计4 2.1总体方案的论证4 2.2波形的变换电路4 2.3弱信号前置放大级5 2.4功率放大级5 3 / 21 2.5自制稳压电源6 2.6方案的选择6 第3章 单元模块设计7 3.1波形变换电路7 3.2弱信号前置放大级8 3.3功率放大电路10 3.4自制稳压电源电路12 3.5特殊器件的介绍12 第4章总结14 参考文献15 致谢17 1 / 21 第1章 绪论 低频功率放大器1是一个技术相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出 了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了 长足的进步。随着科技进步在不断发展，一开始的是电子管功率放大器，发展 到现在的是集成功率放大器，它经历了不同的发展阶段：电子管功放、晶体管 功放、集成功放。 1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。 1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的 时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈术，使放大 器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各 种电子管放大器层出不穷。 60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶 体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点 。 在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员- 集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点， 逐步被音响界所认识。 70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有 电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD0.01%100kHz时）的 特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输 出。 功放有很多种分类方法，按所用放大器件来分类，可分为晶体管式功率放大器 包括场效应管功率放大器），电子管式放大器，集成电路功率放大器 中不可缺少的装置,并且还广泛应用于控制系统和测量系统中。 然而目前已经是一个技术相当成熟的领域,近几十年来,人们为之付出了不懈的 努力,不管从线路还是元器件方面,甚至思想认识都取得长足的进步4。当前市 上集成功放产品价格很低并且种类很多,典型的有LM1875、TDA1514。此类低频 功率放大器体积小、保护功能齐全、性能优越、易制作易调试、外围电路简单 。目前，有种应用砷化钾制作的功率放大器MMIC，在电话以及个人数据终端方 面应用越来越广泛，一块尺寸2.53.48平方毫MMMIC工作频率达950MHZ，输出 的功率可达到1.1W5。 基于目前研究现状，本文章给出的是一种简单实用、制作成本比较低廉的 实用低频功放的设计方案。其功率放大由分立元件组成,亦可由集成电路完成。 3 / 21 分立元件组成的功率放大器，如果能够进行精心设计，就会在效率和失真方面 优于集成的，价格会便宜，但如果参数设置和电路选择不恰当,元件的很多性能 就不会很好体现出来,甚至制作调试比较困难。从电路易调性和简单性，集成电 路会显得更好些。此次论文功放采用的是集成电路完成的。 第2章 总体方案的设计 2.1总体方案的论证 系统的原理图如图2-1所示。根据题目任务, 我们的设计总共有五个基本的电路： 1）波形变换电路 2）弱信号前置放大级电路 3）自制稳压电源电路 4）功率放大电路 5）保护电路 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2-1系统原理的框图6 前置级主要完成的是小信号电压放大的任务；而功率放大级则是实现对信 号电压以及电流的放大任务；直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量。 因为方波中含有丰富高次谐波分量，从而为波形变换电路提供方波，我们可通 过对方波进行信号的测试来检验功放的转换速率、效率、失真度等指标，保护 电路能够保护负载不过载，从而对功率放大器也有保护作用。 本文设计的系统是一个高保真、高增益、高效率、宽频带、快响应、低噪声的 4 / 21 音响与脉冲传输、放大兼容的电路。下面是对每个单元电路进行的论证。2.2 波形的变换电路 方案一：根据运放在开环情况下的饱和特性, 正弦波信号通过两级运放放大, 产生正弦波饱和失真方波信号, 因为输出方波的幅值远远大于题目的要求, 因而采用开关三极管脚和脚短接看成两个二极管削波，从而将电压钳制在700mv 附近, 然后通过电阻的分压, 最后得到题目所要求的正负极性对称200mVp- p方波信号。 方案二：直接利用施密特触发器进行整形变换。其中施密特电路可用高速 运算、高精度电路联接而成，亦可采用专用的施密特触发器构成，此外还可以 用NE5532电路构成。 本文采用方案二，因为施密特电路是由高速、高精度运算放大器LF357组成 。 2.3弱信号前置放大级 前置放大电路必须由快响应、高保真、低噪声、高增益、宽带音响集成电 路组成。达到上述要求的集成电路是：M5212、LLM1875、NE5532等。 本设计选用的是NE5532，因为与众多的运放相比较而言, NE5532具有高阻抗、高精度、高速、低噪音、宽频带等优良特性, 被尊称为“运放之皇”。此运放高速转换的特性能够改良电路瞬态的性能, 比较宽的带宽也能确保信号在低、中、高频段不失真的输出,从而电路的整体指 标会大大的提高。2.4功率放大级 方案一：功率放大输出级采用的是分立元件组成的OCL电路，驱动级采用的 是集成芯片，全部功放级采用的是大环电压的负反馈。采用此方案有很多的突 出优点：首先反馈深度容易控制，放大倍数容易控制。而且失真度可以达到很 小的水平，从而使音质十分纯净。也有一定缺点：外围元器件较多，调试比较 困难。 方案二：本文采用的是专门的功放集成芯片。LM1875是功率放大集成块， 外围电路简单，体积小巧，最大优点是输出功率大。除此之外此集成电路内 部设置有过热过载以及感性负载反向电势安全工作安全保护。 5 / 21 为了达到题目设计的要求，能够供选择的功率放大器由分立元件构成，也 可以由集成电路组成。分立元件构成的功放，若电路选择得比较好，参数选择 的比较恰当，元件性能很优良，并且制作以及调试得都很顺利，那么它的性能 很可能优于较好的集成功放。目前许多优质功放均采用的是分立功放。但也存 在着缺点:只要有一个环节搭配不当或出现问题，那么性能很可能低于一般集成 的功放，不至于由于过流、过载、过热等损坏，还需要加上比较复杂的保护性 电路。当前市场有很多性能很好的集成功放芯片，如LM1875、TDA2040A、TDA15 14等。集成功放具有很多优点：保护功能较完善、工作可靠、易制作调试，外 围电路简单，即使达不到顶级功放性能，但是符合并且超越本设计的目标和要 求是能够完成的7。此外集成运放有性价比高的优点。 所以此系统设计选用的是方案二。该方案有很多优点：外围元器件少， 技术成熟，调试简单，保护功能较完善，便于扩功等等。 2.5自制稳压电源 本文中该系统设计采用的是三端集成的稳压电源电路，该稳压电源电路选 用的是 LM7818、三端集成的稳压器。 2.6方案的选择 通过文章前面的论证我们可以得知，本系统总共有两种设计方案，一种设 计方案是利用集成电路和分立元件相组合的方案，另外一种是全部利用集成芯 片的方案。 我们为了尽可能减小噪声的影响，降低非线性失真，并且考虑外围元器件 给系统引入不必要的噪声等干扰，因而会影响实验的结果，从而本设计采用的 是方案二：整个系统采用的是集成运放芯片的搭建电路。 6 / 21 第3章 单元模块设计 3.1波形变换电路 构建电路如图3- 1所示，通过施密特触发器使波形变换以及整形，利用高精度、高速运算放大器 LF357组建施密特触发器。根据要求，变换之后的方波必须要正、负对称，频率 约为1000Hz，上升和下降时间 1us，电压峰峰值约为200mV。由于LF357属于FET管，具有良好匹配性能，漂 移小、输入阻抗高、频带宽、低噪声、响应快等特点，完全满足技术指标的要 求8。 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date:30-Nov-2009Sheet of File:F:protei199业业业业业业业业.DdbDrawn By: LF357 R1 10K R2 10K R3 75K R4 1.5K R5 10K D1 D2 C1 56PF C2 100PF RW 5.6K -VCC +VCC Ui Uo Uo1Uo0 V z=3V 图 3-1 波形变换电路 7 / 21 在这个电路图中，C1与C2均为脉冲加速电容，这样就减少了方波脉冲上升和下 降时间,因此可以选取56pF和100pF。R1能够将输出幅度调整到约200mV，因而可 选取10K。R4是限流电阻，限制稳压二极管、，因而能够保证输出方波幅 度比较稳定。 1）首先要确定输出电压 ，比较器输出高低电平是 、 2）与的表达式=时，输出电压会发生跳变） 10MHZ的芯片，如NE5534、LF357、OP-37、OP- 16等等。电路联接成为迟滞电压比较器的构造，若要确保输出方波幅度稳定输 出，要使用2只稳压二极管D1、D2，稳压值V=3V。R4是稳压二极管限流电阻， 令流过D1、D2电流限定在6mA附近。C1、C2均为脉冲加速电容，它能够减少方波 脉冲上升与下降的时间。 倘若迟滞比较器的迟滞宽度为V=Emh-Eml=0.7V，则R3可利用下式确定即 R3=，带宽为70 KHz， AC与DC短路保护电路和热保护电路，电源的电压范围为16到60V，用TO-220封装13。 如下图3- 4电路中所示，输入信号Vi通过C12耦合到LM1875脚，功率放大后从脚输出 加到扬声器。R13、C14串联接到输出端，目的是抑制高频噪声。C9、C10、C11 、C13作用是用于电源去耦滤波，目的是防止功率放大器产生高频自激，去耦对 电源采取进一步滤波措施，除去两级间信号通过电源互相干扰的影响。R11、R1 2组成反馈网络；C20是直流负反馈电容；它的作用是稳定静态工作点，从而对 放大电路各项动态性能没有显著地影响，动态性能是指通频带、放大倍数、输 入及输出电阻等等。R10是输入接地电阻，目的是防止输入靠路时引起感应噪声 ；C12为信号耦合电容，耦合是信号由第一级向到第二级传送过程。电源电压采 用的是15V。LM1875开环增益为26 dB，放大倍数A=20。 要求输出到8负载上的功率Po20W， 11 / 21 加上功率管管压降2V，则 那么取电源电压是20V。 计算效率为 输出最大不失真电压 =17.9V，故 因为A=20， 所以功放电压增益取值=10,那么输入信号 图3-4采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路 12 / 21 由于在本电路中选用了集成功放LM1875在应用中便于扩功，调试简单，外围 元器件少，使功率放大级电路实用简洁，非线性失真小，输出功率大。 3.4自制稳压电源电路 作为直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量，根据上面设计的前置 放大级电路与功率放大级电路目标要求，仅仅需要的是稳压电源输出的一种直 流电压+18V。因为三端稳压器具有外围元器件少、结构简单、性能优良、调试 方便等很多显著优点，本设计中采用的是三端稳压电路，电源经1000uF电解并 且并上0.1uF电容滤掉各种频率干扰输出,输出的电压直流性能较好,实测它的纹 波电压也很小。 3.5特殊器件的介绍 本电路设计实用简洁，各模块单元采用的均是集成运放电路。前置放大 级电路中采用的是集成双运放NE5532,在正弦波一方波转换电路中采用LF357， 功率放大级中采用LM1875。这样设计能够使电路外围结构简单，体积小巧精致 ，并且较好的结合了各运放的优良性能，能够使电路能满足各项指标要求。现 介绍各芯片参数如下： 表3-1 NE5532的极限参数16 表3-2 LM1875的参数17 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=25 PD1100mW 工作温度 TOPR070 电压范围：单电压1560V ,或30V 静态电流：50mA 输出功率：30W 13 / 21 LF357的通用参数18与MOSFET输入设备的比较而言，第一JFET比较 耐用而且允许无熔断处理；第二JFET有高或低的源阻抗低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(5000pF19使用，没有稳定性的问题。对数放大器与 光电放大器都采用保持电路，其中共同特点： （1）低输入偏置电流：30pA （2）低输入失调电流3pA 3）高输入阻抗：1012 4）低输入噪声电流：0.01pA/HZ :55-69. 7华成英.模拟电子技术基础.M.北京:高等教育出版社，1991. 9华中师范学院.电子线路基础.M.湖北:湖北科学技术出版社,1985. 10曾祥富.电子技术基础.M.北京:高等教育出版社