低频功率放大器毕业设计(专科)

毕业设计题目低频功率放大器学生姓名张政学号201003041126专业应用电子技术班级电子201001班指导教师张鉴完成日期2012年11月20日毕业设计开题报告学生姓名张政学号201003041126专业应用电子技术班级电子201001班指导教师张鉴开题时间201267电子信息学院电子信息学院毕业设计开题报告拟设计题目低频放大器设计综述（本课题研究的意义、研究的现状及已有成果）数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，MBSANDLER等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。研究内容（研究方向，研究内容、系统功能）本低频功率放大器设计有两部分组成前置放大级和功率放大级。前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。实现方法及预期目标（包括实施的初步方案、重点、难点及环境）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，在模拟电子技术知识的基础上，我在此介绍制作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。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。对进度的具体安排1对系统总的电路结构框图有一个大致的分析2对低频放大器的电路进行仔细的资料查阅3用PROTER软件进行模拟仿真实验4查阅资料进行论文的设计参考文献1胡翔骏电路分析第二版北京高等教育出版社20072华成英、童诗白模拟电子学基础（第四版）北京高等教育出版社20063黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计北京北京航空航天大学出版社2006指导教师意见（签署意见并签字）审查人签字年月日领导小组审查意见审查人签字年月日毕业设计（论文）评审表（指导教师用）学生姓名_张政_专业_应用电子技术_班级_电子201001班_学号_201003041126_题目_低频功率放大器_等级评价内容具体要求ABCD调查论证能独立查阅文献和从事调研；能正确翻译外文资料；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集加工各种信息及获取新知识的能力。方案设计和技能能正确设计方案，独立进行实际工作，如设备安装、调试和操作等。分析与解决问题的能力能运用所学知识和技能去发现和解决实际问题；能正确处理数据；能对课题进行理论分析，并得出有价值的结论。工作量、工作态度按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨扎实。论文（设计）质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；方法正确，分析、处理问题科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一、编号齐全、书写工整规范。图表完备、整洁、正确；论文（设计）有实用价值。创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。指导教师评审成绩百分制指导教师签字年月日注此表存毕业设计（论文）档案毕业设计（论文）成绩评定表（答辩小组用）系别电子信息学院专业应用电子学生姓名张政班级（学号）201003041126题目低频功率放大器设计指导教师指导教师评定成绩评阅教师评阅教师评定成绩答辩小组成员答辩时间、地点评价内容具体要求所占成绩比例评分报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理；结论严谨；论文（设计）有实用价值。30论文质量符合毕业设计论文规范，条理清晰，结构严谨10工作量、难度工作量饱满，难度适中10创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10答辩回答问题有理论根据，基本概念清楚；主要问题回答准确、深入。30报告时间符合要求。10答辩情况合计百分制答辩小组评语及总评成绩总评成绩（等级制）_答辩小组负责人（签字）年月日单位盖章注此表存毕业设计（论文）档案毕业设计（论文）答辩记录学生姓名张政专业应用电子技术班级电子2001001班学号201003041126题目低频放大器设计答辩老师答辩记录（包括答辩中的题问、学生回答情况）年月日注此表存毕业设计（论文）档案目录1绪论511选题背景及意义5111本课题的研究现状5112选题目的及意义512设计任务及要求6121设计的基本要求62低频功率放大器的设计721功率放大电路的主要特点722系统电路设计7221低频功率放大模块7222数据采集显示模块11223电源模块12224各模块方案选择和论证13225各模块的最终方案确定1723电路的理论计算173系统结构方框图184系统软件设计1841测量显示模块软件设计流程图185系统测试与调试1951测试仪器1952放大倍数的测试2053输入电阻的测试2054通频带的测试2055低频放大器功率的测试216结论与展望2161结论2162展望22致谢22附录23附录一低频功率放大电路24附录二系统原理图25参考文献26低频功率放大器的设计学生张政指导老师张鉴（黄冈职业技术学院）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。关键词方波转换电路前置放大级电路功率放大电路1绪论11选题背景及意义数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，MBSANDLER等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。111本课题的研究现状在半导体设计潮流走向轻薄短小之际，不仅半导体组件本身的封装要小，整个模块的尺寸也变成决定系统客户接受与否的关键规格。全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCMPULSECODEMODULATION,脉冲编码调制）数字信息变换成PWM脉冲宽度调制或PDM脉冲密度调制的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。由于其开关管工作于开关状态，因此具有高效率、低功耗等优点。目前，D类音频功率放大器在移动电话、平面电视、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。在手机、PDA、MP3PLAYER等应用中，以D类取代AB类放大器的趋势便已相当明显。112选题目的及意义数字音频功率放大器的研究背景与发展现状随着现代电子技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中1。随着近十几年来半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用2。音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型，传统的模拟功放按放大器的工作状态可分为A类、B类、AB类等形式。A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低，A类音频放大器的理论效率是25，实际效率大约为1520B类音频放大器的理论最大效率是785AB类音频放大器的理论效率75，实际效率在5070之间。无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30左右。音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。12设计任务及要求设计并制作一个低频功率放大器，并将输出功率，电源功率，整机效率显示。它主要由前置放大器级，功率放大级，整流分压模块，峰值检测，直流稳压电源模块以及显示模块构成。121设计的基本要求功能要求（1）当输入正弦信号电压有效值为5MV时，在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。（2）通频带为20HZ20KHZ。（3）输入电阻为600。（4）输出噪声电压有效值V0N5MV。（5）尽可能提高功率放大器的整机效率。（6）具有测量并显示低频功率放大器输出功率正弦信号输入时、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5。2低频功率放大器的设计21功率放大电路的主要特点基于输出较大功率的基本任务，对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面1）大信号工作状态为输出足够大的功率,功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大,因此，功率放大管的动态工作范围很大,功放管中的电压、电流信号都是大信号状态，一般以不超过晶体管的极限参数为限度。2）非线性失真问题由于功放管的非线性，功率放大电路又工作在大信号工作状态，必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非线性失真就越严重。因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。3）提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗从能量转换的观点来看，功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出，其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上，并且主要是功放管的损耗。对于同样功率的直流电能，转换成的交流输出能量越多，功率放大电路的效率就越高。因为功率大，所以效率的问题就变得十分重要，否则，不仅会带来能源的浪费，还会引起功放管的发热而损毁。22系统电路设计该低频功率放大器有以下几部分组成（1）低频功率放大模块（2）数据采集显示模块（3）电源模块221低频功率放大模块前置放大电路前置放大是采用差动放大电路。差动电路的优点是放大倍数较高和可以克服温度漂移。这里采用三个2N551三极管。其中最下面的2N551和两个二极管构成一组恒流源。理论上这组作为前置放大的差动放大电路电压放大倍数可以达到40倍以上。这样才能确保整体电压放大倍数达到1260倍左右。电路图如图图1所示。图1前置放大电路中间级放大中间级采用OP07运算放大器搭设的比例放大电路。放大倍数较大。通频带会较小。为了保证2020KHZ的通频带，我们需要在这里采用负反馈来拉平通频带。在这里采用的是OP07精密运放。经过调试，这组放大电路的放大倍数可以达到50倍以上。如图图2所示。图2中间放大级功率放大级在本设计中要求最小输出为5W，而且要求功率尽可能大。输入是小于5MV。整体电压放大倍数为1260倍以上。我们采用HITACHI的2SK1058和2SJ162对管。以2SK1058为例，最大耗散功率为100W，最大漏源电压为160V，最大漏极电流为7A。2SJ162与2SK1058除了管子类型不同，其他指标基本一致。用2SK1058和2SJ162对管作为末级输出，最大输出可以达到50W左右。如图图3所示。图3功率输出级4仪用放大电压电路部分由于要显示输出功率和总功率，我们采用电流采样和电压采样电路来采样所需要的电流和电压，从而根据公式计算出输出功率和根据RP2OUTU算出总功率。其中电流采样电路是采用在电路中串入01的功率电IUIN总P阻，然后采集电阻间的电压差。但由于电压差太小，我们这里是采用仪用放大电路（三运电路）来进行小信号精密放大。电压采样是采用电阻分压的方式获得交流电压后，用二极管检波和电压跟随器隔离后即获得电压数据。如图图4所示。图4仪用放大电路222数据采集显示模块1测量模块测量部分采用A/D转换电路来采集负载上的电流和电压，然后将数据送单片机进行分析和处理，将结果送液晶显示。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。如图图5所示。图5测量、显示电路2显示模块显示部分采用液晶LCD1602，单片机按用汇编语言编写好的程序中的执行过程将A/D采集到的数据经过处理、计算显示在LCD1602上。3按键模块由于独立式按键电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。在按键数量较多时，I/O口浪费较大。故只在按键数量不多时，采用这种按键。按键的功能如下（1）按键1查看电源功率；（2）按键2查看输出功率；（3）按键3查看效率。223电源模块由于单片机需要5V的电源供电，功率放大级的2SK1058和2SJ162对管需要24V和24V的电源供电，所以电源电路我们是采用线性电源。我们将220V/50HZ的交流电经过变压器的变压，二极管的整流，电容的滤波，稳压器7805、7812、7912的稳压来获得5V、12V、12V的直流电压。我们由两个12V和12V的线性来搭成24V和24V来供电。如图图6所示。图6电源电路224各模块方案选择与论证2241低频动率放大模块1信号前置放大级方案一采用分立元件组成放大电路。用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。该电路的优点是共模抑制比高、性价比高。方案二采用集成电路构成。该电路的优点是电压增益易调且高、电路简单。根据题目要求需要低输入电阻，高增益的前置放大级。方案一要求的性能相同的小功率三极管电路设计、计算相对复杂。而方案二具有更大的优越性和灵活性，因此选用方案二。最终确定采用三极管2N5551搭成的差分放大电路。2中间放大级方案一采用分立元件组成多级放大。用功率小三极管组成多级共射放大电路，性价比好。方案二采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。根据题目要求，放大器的通频带要宽，放大倍数大。方案一各放大级如直接耦合，各级的静态工作点相互影响，难以设置；如采用电容耦合，通频带将受影响，放大倍数要达到要求，放大级数多，难以达到要求。方案二采用集成芯片做一级放大，放大倍数易达到要求，设计易于实现，价比高。因此选方案二。3功率放大级方案一采用集成功率放大电路集成音频功率放大器在要求不高的情况下可以完全满足普通要求，且电路简单方便，调试方便，体积很小，如TDA2030等，如图图7所示。但本设计要求不能使用集成功放。因此无法使用此方案。图7集成功率放大电路方案二采用甲类功率放大电路甲类功率放大电路失真度最小，但整体电路效率最低，且功放管散热问题较为严重。因此一般只用于输入级或者中间级放大，不建议作为整个电路的末级放大。如图图8所示。因此在本设计中不采用此方案。图8甲类功率放大电路方案三采用甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路是分立元件放大电路中，效率和失真度可以达到较为完美的折中。虽然存在交越失真，但可以通过给功放管增加适当的偏置电压，可以减少交越失真。此电路在功率放大电路末级放大中使用最广泛。如图图9所示。经过比较，我们决定采用方案三来实现末级功率的放大部分。图9甲乙类互补对称功率放大电路2242数据采集显示模块1测量模块方案一输出电压经分压后用A/D直接采集计算由于输出电压较大，但A/D的基准电压是5V，所以必须利用分压将电压降到5V以内进行测量。方案二采用小阻值的采样电阻对小阻值的功率电阻的两端电压差进行采样，但由于电压差太小，我们这里是采用仪用放大电路（三运电路）来进行小信号精密放大。ADC0809是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，转换时间100US，输入电压范围为0至5V。增加某些外部电路后，输入模拟电压为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无需附加逻辑接口电路。ADC0809的外围电路相对简单，并且符合设计要求，因此采用此方案。2、显示模块根据设计要求，需要显示输出电压、电源供给功率、输出功率和效率。方案一使用液晶屏显示。液晶显示屏具有低耗电量、无辐射危险，可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。方案二使用传统的数码管显示。数码管具有低能耗、低损耗、耐老化、防晒防潮、易于维护、操作简单的特点。本设计要显示的数据较多，方案二要求数码管位数多、硬件焊接繁琐、且显示的数据易混淆。方案一使硬件电路简单、数据显示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用LCD1602液晶屏显示。3、按键模块方案一行列式按键方案二独立式按键独立式按键电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。在按键数量较多时，I/O口浪费较大。故只在按键数量不多时，采用这种按键。因为本系统只用到4个按键且I/O口够用，所以采用方案二。2243电源模块方案一开关电源制作一个开关稳压电源，将220V市电经过变压，经整流滤波后供电路使用。此电源特点是体积小，但电路较为复杂。但功率开关MOSFET的控制是需要产生几KHZ以上及其谐波的震荡频率，此频率容易对音频功率放大器产生严重影响，故在音频放大电路中一般不采用开关稳压电源。方案二线性电源。同样将220V市电经过变压，经过桥式整流和滤波后再经过7805、7812、7912稳压后输出5V、12V、12V的直流电源。此电源特点是体积较大，但电路简单，除了50HZ的工频外，一般无其他干扰频率。在音频放大电路中，电源一般是采用此方案。因此在本设计中，我们采用此电源方案。225各模块的最终方案确定经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下（1）前置放大级采用2N551三极管组成的差动放大电路；（2）中间放大级采用OP07运算放大器搭设的比例放大电路；（3）功率放大级采用HITAHI的2SK1058和2SJ162对管做的甲乙类推挽放大电路；（4）测量模块A/D采集数据、单片机控制；（5）显示模块LCD1602液晶显示；（6）按键模块独立式按键（7）电源模块路线性电源。23电路的理论计算（1）求输出最小电压MINUO根据题意，输出功率，负载,则WP58LRLUO23685VOL故MIN9I2UOP（2）求放大器最小放大倍数根据题意，输入最小电压为5MV，则126053MINIUOAU根据如上的分析和计算，我们可以知道该电路的设计总的电压放大倍数必须大于1260倍，所以我们采取了两级的电压放大。前置放大级采用差动放大电路，中间放大级采用运算放大器搭设的比例放大电路，两级的放大倍数相乘可达到该设计电路的要求，而末级最主要是功率放大。3系统结构方框图图10系统结构方框图4系统软件设计41测量显示模块软件设计流程图测量显示模块软件设计流程图如图图11所示图11主流程图5系统测试与调试51测试仪器测试使用的仪器设备如表1所示。表1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量1YB1602信号发生器12DS1022C双踪示波器13UNIT数字万用表152放大倍数的测试放大倍数测量使用信号发生器接输入端，用示波器测出最后一级的输出电压，根据公式（。测试数据如表2所示。OUTULOUTTRUP25/8W表2放大倍数的测定输入信号前置放大级电压放大倍数中间级电压放大倍数总电压放大倍数输出电压输出功率5MV8554402V025W15MV105151066V275W30MV1047470125V975W40MV9944744515V141W53输入电阻的测试测试方法给系统输入端加不同的直流电压，分别测输入电流，按计算输出电阻。测试数据如表3所示。RIIUO表3输入电阻的测定输入直流电压输入直流电流输入电阻5V8MA6259V14MA64312V198MA60654通频带的测试根据通频带的定义，放大倍数下降到07时的低端频率和高端频率范围AU称为放大电路通频带。即。HLFBW测试方法输入一个正弦波，改变频率，测量输出电压，按计算IOUA放大倍数。测试数据如表4所示。表4通频带的测试输入信号峰值信号频率下限频率LF上限频率HF通频带HLFBW15MV1KHZ3HZ3KHZ2997HZ30MV1KZ3HZ27KHZ2697HZ40MV1KHZ3HZ22HZ2197HZ55低频功率放大器的测试电源供给的功率按公式计算，输出功率按公式L2RVCPDCLRUOMP2计算，效率按公式。为最大不失真输出信号的峰值。测试DCO10UOM结果如表5所示。表5低频放大器效率测试供给直流电源电压V24V20V18电源供给功率459W318W258W实际测量输出功率16W17W18W测量效率3495356986结论与展望61结论低频功率放大器可以实现以下功能（1）当输入正弦信号电压有效值为5MV时（即峰峰值为7MV时，）在8电阻负载（一端接地）上，输出功率为025W，输出波形无明显失真。（2）通频带为3HZ3KHZ。（3）输入电阻为600左右。（4）功率放大器的整机效率尽量提高。（5）具有测量并显示低频功率放大器输出功率正弦信号输入时、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5。62展望由于时间和条件的限制，本系统也存在一些不足之处，可在今后的工作中改进。（1）当输入信号为5MV时，输出功率无法达到要求的大于等于5W；（2）通频带太窄；（3）输出信号由过电阻分压后经二极管检波后的信号太小，导致A