毕业设计（论文）低频功率放大器的设计

编号淮安信息职业技术学院毕业论文题目低频功率放大器的设计学生姓名季网东学号15071139系部电子工程系专业应用电子技术班级150711指导教师赵洪涛二一年六月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、和保护电路共四部分构成。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。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。关键词前置放大功放电源电路ABSTRACTPRACTICALAPPLICATIONOFLOWPOWERAMPLIFIERISMAINLYFORAUDIOSIGNALPOWERAMPLIFIER,THEPAPERINTRODUCESTHEWEAKSIGNALWITHLOWPOWERAMPLIFIERAMPLIFICATIONABILITYOFBASICPRINCIPLE,CONTENTS,THETECHNICALROUTETHEMAINCIRCUITBYMANOSTAT,PREAMPLIFIER,POWERAMPLIFIERS,ANDPROTECTCIRCUITFOURPARTSMANOSTATPRIMARILYFORPREAMPLIFIER,POWERAMPLIFIERS,PROVIDESTABLEDCPOWERSUPPLYTHEPREAMPLIFIERISMAINLYTHEVOLTAGEAMPLIFIERCURRENT,VOLTAGEPOWERAMPLIFIERAMPLIFICATIONTHEDESIGNOFCONCISEANDPRACTICALCIRCUITSTRUCTURE,TOMAKEFULLUSEOFTHEEXCELLENTPROPERTIESOFINTEGRATEDAMPLIFIEREXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEPOWERAMPLIFIER,THEDISTORTIONDEGREEINBANDWIDTHANDEFFICIENCYINDEX,ANDHASBETTERPRACTICABILITYANDHIGHPOWERAMPLIFIERFORTHEDESIGNPROVIDESABROADTHINKINGKEYWORDSTHEPREAMPLIFIERPOWERAMPLIFIERPOWERSUPPLYCIRCUIT目录摘要IABSTRACTII第一章前言1第二章总体方案设计321总体方案论证322单元模块方案论证与比较3221弱信号前置放大级3222功率放大级3223自制稳压电源423方案选择4第三章单元模块设计531各单元模块功能介绍及电路设计5311弱信号信号前置放大级电路5312功率放大电路6313自制稳压电源电路832特殊器件的介绍10第四章电路的制作与调试1141电路的制作与装配11411利用PCB制作电路板11412元器件的装配1142电路板的调试11421稳压电源的调试12422静态调试12423动态调试12总结13致谢14参考文献15第一章前言功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后即放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的发展阶段电子管功放晶体管功放集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到005以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。现今功率放大器不仅仅是消费产品音响中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。然而低频功率放大器已经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,乃至思想认识上都取得了长足的进步。目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多,典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514。这些优质功放模块体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作易调试。最近，一种应用砷化钾MESFET制成的功率放大器MMIC，在移动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为25348平方毫米的MMIC输出功率可达11W，工作频率达950MHZ。本文给出一种简单实用、制作成本低廉的实用低频功率放大器的设计方案,并给出实际测试结果。功率放大可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成功率放大器，如果进行精心的设计，则在效率和失真方面更优于集成的，价格方面便宜一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时,元件性能就不能很好的表现出来,制作调试比较困难。从电路的简单性和易调性，集成电路更好些。本次设计功放采用集成电路完成。本次实用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。通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、LM1875、的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。其输出功率大于20W,负载为8欧姆。第二章总体方案设计21总体方案论证系统原理方框图如图11所示。根据设计任务,我们设计有四个基本电路1弱信号前置放大级电路2自制稳压电源电路3功率放大器4保护电路前置放大级保护电路功率放大级自制稳压电源8欧姆负载图11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。22单元模块方案论证与比较221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。222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。223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LM7815、LM7915三端集成稳压器。23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,在功率放大级中采用运放LM1875。第三章单元模块设计31各单元模块功能介绍及电路设计311弱信号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、0P16、OP37、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31。图31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31级运算放大器电路A和B,每级放大器的增益取决于R1、R2和R3、R4,即AVA1R2/R1,AVB1R4/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31C1、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R5R2,R6R4。一个采用两级NE5532C1A和C1B构成的前置放大器如图32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MVUPI5,。VUPO532,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MVUPI70,出。所以取。OM17150/1POMUA15A当输入信号最小,即10MV而输出不衰减时I,A11510150MV。POU,1PI,第二级放大要求输出253V,考虑到元件误差的影响,取3V,POU,2POU,2而输入信号最小为150MV,则第二级放大器倍数/3/01520POA,21,1取22。因此,取R1M,R1M,R420K,R31K。2A67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。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE29NOV2009SHEETOFFILEFPROTEI199业业业业业业业业DDBDRAWNBYA1NE5532A2NE5532R11KR220KR31KR420KR51MR61MRW150KRW250KUOA0NE5532R71MC147UFC210UFC347UFC410UFC547UF15V15V15V15V15V15VS1业业业业业业业业UI图32两级NE5532构成的前置放大电路312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33LM1875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00151KHZ,20W，带宽为70KHZ，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TO220封装。在图33，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26DB，即放大倍数A20。因为要求输出到8电阻负载上的功率PO20W，而9172082OLOMPRU加上功率管管压降2V，则V917则取电源电压为20V。ARPILOCM248/0/2WIUCV301所以计算效率为76/20/VOP计输出最大不失真电压179V，故OMUPO835917,由于A20，21RF210RAF10AAF所以功放电压增益取10,则输入信号FVUPOPI5830/,图33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。313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15V。稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。方案1我们可以采用以桥式整理电路实现整流的目的，以大电容作为滤波电路，然后接负载。但是这样做有以下不足之处，如负载的影响很大，电压不可调以及没有保护电路等一下列问题。我们采用某些芯片，可以解决以上的问题。方案2以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7815和7915设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。如下图所示，220V（幅值311V）50HZ市电经变压器22025输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7815C与LM7915C作用得到15V的直流输出。图34单相电源接法本设计的直流稳压电源是交流信号先经变压器变压，再经过桥式整流电路整流，经过极性电容滤波以及通过两三端网络来实现双极型稳压电源。滑动变阻器R3,R4的存在使电源输出变的可调。电阻R1，R2，即为保护电阻，可以起到过流保护作用。也可以在芯片两端加上个对称的二极管（替代电阻），以起到过流保护和短路保护。图35双电源接法本系统选用方案2的双电源。32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表31NE5532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，TA25PD1100MW工作温度TOPR070表32LM1875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0015，当F1KHZ，RL8，P020W时额定增益26DB，当F1KHZ时工作电压25V转换速率18V/S9V/S第四章电路的制作与调试41电路的制作与装配411利用PCB制作电路板由于此图较简单，在实验室我们能很快制作出电路板，下面我将制作电路板的详细过程列举出来第1步利用一个能生成图像的软件生成一些图像文件，比如用低版本的PROTEL组织SCH，再利用网络表生成相应PCB图（不会PROTEL的话，甚至是WINDOWS的画笔程序也行，以备打印。第2步将PCB图打印到热转印纸上（所谓的热转印纸就是不干胶纸的黄色底衬）。第3步将打印好PCB的转印纸平铺在覆铜板上，准备转印。第4步用热转印机加温（要很热）将转印纸上黑色塑料粉压在覆铜板上形成高精度的抗腐层。第5步转印机加温加压成功转印后的效果若你经常搞，熟练了，很容易成功。第6步准备好三氯化铁溶液进行腐蚀。第7步效果还不错吧注意不要腐蚀过度，腐蚀结束，准备焊接。第8步清理出焊盘部分，剩下的部分用于阻焊。第9步安装所需预定原件并焊接好。第10步测试以验证其正确性。通过上面的方法能容易的得到我们所需要的电路板，但是焊接完的电路成品的效果好坏取决于电路原理图设计的好坏以及制作出的电路板的好坏。412元器件的装配去电子市场买元件，考虑到价格问题，选用的元器件为五色环电阻、小型电解电容、有极性电容等，工具为20W普通内热式电烙铁一把、钳子、螺丝刀等等。经过一系列的准备就绪之后，焊接也是最麻烦的一关，焊接时首先焊接电阻，再焊电容，再焊整流管，再焊电位器，最后焊LM1875。焊接LM1875前须先把LM1875用螺丝固定在散热片上，否则在最后装散热片时螺丝很难打进去。LM1875与散热片接触的部分必须涂少量的散热脂，以利散热。焊接时必须注意焊接质量，避免虚焊，最后检查一下，及时补焊。42电路板的调试本功放板调试特别简单，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。用万用表仔细的检查电路的每一个部分，然后进行调试。421稳压电源的调试电源电压输出值稳定，其正电压输出为148V，负电压输出为147V。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0015的特点，对正负电压输出微小的不对称不再做调整。422静态调试调试时首先输入电源,然后进行静态调试,使输入短路U10,输出也要为U00，接上变压器，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用电表，最好是数显的，万用表置于DC2V档。功放板上电注意观察万用电表的读数，在正常情况下，读数应在30MV以内，否则应立即断电检查电路板。若电表的读数在正常的范围内，则表明该功放板功能基本正常，静态调试成功。423动态调试先输入信号源1000HZ,用示波器测到此时输出波形电压有效值为U17V，看示波器上的波形是否失真,然后测失真度,最后接上8扬声器，CD机播放惠威测试音乐作为输入信号，旋转音量电位器，音量大小应该有变化，当旋转音量电位器慢慢增大听是否扬声器失真，旋转音量电位器慢慢减小到最小听扬声器是否有噪音有的话说明放大器音质不是很好，调节高低音旋钮，就可以听到各种频率变化时，所输出来的悦耳的声音了，这就是音响的效果。总结详细介绍了一种简单实用、价格低的低频功率放大器的电路设计方法,整套设计只需几十元。在设计处我们最先要做的是绘制一份合理的低频功率放大器的电路原理图，在这过程中我们根据各种元件的用途、型号及实际应