低频功率放大器设计

1、目录前 言最新. . 2一、设计要求：. . 5二、总体方案设计. . 6（一）总体方案论证 .6（二）单元模块方案论证与比较 .7三、理论计算. . 10（一）输出电压与功率计算 .10（二）系统放大倍数的计算 .10四、单元电路与程序的设计. . 11（一）低噪声前置放大电路 .11（二）带阻滤波电路 .12（三）信号放大与功率放大电路 .12（四）峰值检波电路 .13（五）自制稳压电源电路 .14（六）单片机采样电路框图 .15（七）系统软件与程序设计 .15五、测试方案与测试结果. . 16（一）输出功率的测量 .16（二）通频带的测量 .17（三）输入阻抗的测量 .18（四）输出噪声

2、电压的测量 .18（五）测量、显示功能的测试 .18（六）失真度测量 .19总结. . 20致. . 21参考文献. . 22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

3、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，其缺点是输

4、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0.05%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

5、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 TDA1521TDA

6、1514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MESFE制成的功率放大器MMIC在移动和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.5 3.48平方毫米的MMIC俞出功率可达1.1W,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

7、性和易调性，集成电路更好些。 本次设计功放采用集成电路和分立元件共同完成。本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,尽可能高效率地向负载提供足够大的功 率，要俞出功率要大、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OPA842 LM324A併口IRF630、IRF9630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。、设计要求：(1) 当输入正弦信号电压有效值为5mV寸，在8Q电阻

8、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600Qo(4) 输出噪声电压有效值V0NK5mV(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%。发挥部分(1)低频功率放大器通频带扩展为10Hz50kHz。(2)在通频带低频功率放大器失真度小于1%。(3)在满足输出功率5W通频带为20Hz20kHz的前提下，尽可能降低 输入信号幅度。(4)设计一个带阻滤波器，阻带频率围为4060HN在50Hz频率点输出功率衰减6dB。5）其他二

9、、总体方案设计（一）总体方案论证按照本系统的设计功能要求，本低频功率放大器系统的设计采用了由OPA842勾成的低噪声放大电路，带阻滤波电路信号放大电路、功率放大电路、 波形变换电路、单片机控制、AD转换、LCD显示、稳压电源等几个模块组成。电路的系统框图如图1所示方案选择电源图1系统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由于方 波中含有丰富的高次谐波分量，波形变换电路提供方波，可通过对方波信号的 测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标，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

10、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。（二）单元模块方案论证与比较1低噪声放大电路设计要求：要求输出噪声电压有效值小于5mv方案一：由OP07构成的放大电路。OP07芯片是一种低噪声，非斩波零稳输入倍号峰A片D方案选择态的双极性运算放大器集成电路增益带宽积为0.5M。当输入5mv/20H50KHz的信号时，其放大倍数最大只能达到25倍，不能达到题目的放大要求方案二：有OPA842勾成的放大电路。OPA842E片是由TI公司提供的一种 低输入电压噪声，极低失真的双极性运算放大电路，增益带宽积为20

11、0M当输 入5mv/50KHz的信号时，其放大倍数可达4000倍，远超过题目要求的放大倍 数。综上所述，我们选择方案二。2带阻滤波器方案论证与选择方案1：利用一个放大器来实现带阻，本电路简单，易于调试，但是计算 麻烦，造成参数不精确。方案2：通过用前级一个低通滤波器后级连接一个高通滤波器来达到带阻 的要求，通过两个滤波器来实现便于计算，可更好的提高通频带的围，可以使 电路更加精确。综上所述，我们选择方案二3功率放大电路设计要求：当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Q电阻负载（一端 接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。方案一：采用乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）,驱动级采用集成

12、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OCL电路要采用双电源供电，电源利用率不高。方案二：采用具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路（OTL电路），可采用 单电源供电，提高了电源的利用率，而且有效克服了普通甲乙类推挽放大电路 的交越失真问题。综上所述，我们选择方案二。4显示电路方案论证与选择方案1:通过后级输出级连乘法器，来实现可输出功率，再通过数码管来 实现参数显示的功能，用乘法器可实现题目要求，但是乘法器的在采集电压时 如果电压不稳定会造成误差很大。显示的结果不准确。方案2:利用单片机计算功率，

13、通过在输出级采集电源的电压和负载的电 压利用单片机进行模数转换，在用程序计算，再通过数码管显示参数，但是， 在放大电路采样时，有时信号不稳定，电压的波动过大，会造成单片机的样本 不确定，不能精确的计算，而用数码管显示，会造成消耗功率大。方案3:利用单片机计算功率，在电源的加一个放大可调的电路，来计算 电源的功率，计算输出的功率在负载上采集电压，通过单片机计算，再用液晶 显示，在直接在电源输出级采集电压，可提高采集的稳定性，使单片机在计算使更加的精确。利用液晶显示可降低功耗为了更好的提高整机效率，降低性价比。综上所述，我们选择方案三。5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LM78

14、12 LM7912三端集成稳压器。三、理论计算(一) 输出电压与功率计算因为设计要求在8Q电阻负载上输出功率5W即输出最小电压为2(1)U2P RL8 5 40所以U、407 V所以其峰值电压Up.2 7 10V考虑留出一定的裕量，故设计输出功率输出级的电源电压为，输出功率输出级的输出电压峰值则接近12V,，最大输出功率则接近9V,满足题目要求。(2) P = UXU / 2R = 12X12 / (2X8) = 9W(二) 系统放大倍数的计算根据U和输入信号幅度，求出系统的放大倍数与放大的级数为AU7V1400倍5mv 5mv考虑到电路的复杂程度，我们确定采用两级放大器，一级跟随器兼增益调节

15、。前置放大器的增益Av1=200倍，功率放大器的增益Av2=20倍，跟随器兼 增益调节的增益Av3=0 1倍。整机增益为Av=Av1Av2Av3=126256dB,我们设计了Q值可调、衰减幅度可调的功能，经调试，电路的参数完全达到了，带阻滤波电路如图3所示。（三）信号放大与功率放大电路功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，末级功放管采用分立的大功率互补对称的场效应晶体管IRF630、IRF9630,般电路的反 馈采样点选在运放的输出端（图4中a点）,而本设计中选取在功率输出端（图4中b点），利用反向比例放大器的强负反馈功能来纠正功率输出及的交越失真。末级功率放大电路工作在甲乙类

16、状态， 静态工作电流为25mA图4信号放大与 功率放大电路。图4信号放大与功率放大电路（四）峰值检波电路峰值检波器为理想检波电路，该电路可以消除检波二极管的正向导通电压所引起的误差。如图5所示，测得的电压峰值送给M3处理（五）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，需要稳压电源输出的两种直流电压即土12V。 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2.2uF电解并并上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，如图6所示图6

17、稳压电源VCCC-1- LMT812L C23f 1uF-VUCD2 12V二C24D32 2产-1SV_VUC - LMT912-12VOVCC（六）单片机采样电路框图（七）系统软件与程序设计程序由主程序和中断程序组成，如图7所示。在主程序中，首先对LCD定时中断TO等进行初始化，给任务变量赋初值，然后进行AD转换并送LCD显 示，同时等待中断。进入中断后，任务全局变量外部有输入时AD进行采样及 数据处理，然后数据更新显示，等待下一次中断执行各任务。图7程序设计流程图五、测试方案与测试结果（一）输出功率的测量所用仪器：YB1602函数信号发生器，ADS1102D型双通道数字存储示波器。 测量

18、方法： 用函数信号发生器提供电压有效值为5mV勺正弦输入信号， 调整其 频率在20Hz20kHz之间变化，用示波器测量8Q电阻负载上的电压信号，可ADC二路采样以看到输出波形无明显失真。记录几个随机频率点处负载两端的电压有效值u有效匕u有效，利用公式R即可求出输出功率。测量结果：如表1所示。表1输出功率的测量结果f(Hz)10Hz20Hz60Hz100Hz200Hz1K2K10K20KU有效(V)5.35.67.27.27.27.27.27.2FO(W)3.546.486.486.486.486.486.48(二)通频带的测量所用仪器：YB1602函数信号发生器，ADS1102D型双通道数字存

19、储示波器。测量方法：方法同上，需要分别测量20Hz和20KHZ附近处的电压有效值,U有效0.707U有效2，而小于20Hz和大于20KHZ的频率点的电压值小于0.707U有效测量结果：如表2所示。表2通频带的测量结果1U有效7.07 Vf(Hz)2611205K10K15K20K50K100K140K如果这两点处的电压幅值大于U有效（V）457.077.077.077.077.077.076.85.85（三）输入阻抗的测量所用仪器：万用表，YB1602函数信号发生器，ADS1102：型双通道数字存储 示波器。测量方法：不接负载，断开电源，在功率放大电路输入端之前串接一个600欧的电阻R,在此外

20、接电阻之前输入电压有效值为5mV正弦信号，用示波器测 量外接电阻端的信号电压有效值UR有效和原输入端的信号电压有效值Ui有效。Us 有效ui 有效测量结果：测得Us有效5mVUi有效2.5mV,根据R Ri Ri可求得RRi600Q（四）输出噪声电压的测量所用仪器：带宽为2MHZ勺毫伏表测量方法：将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值U测量结果：测得UON5mV（五）测量、显示功能的测试所用仪器：YB1731C 2A双路跟踪稳压稳流电源，YB1602函数信号发生器,ADS110Z：型双通道数字存储示波器，万用表。测量方法：把万用表串联在直流信号源与功率放大电路之间，利用其电流档测直流

21、输入电流Ii,直流电压Ui可通过信号源直接读出；用示波器测量8Q电阻负载上的电压有效值U有效，利用公式P Ui Ii得直流电源的供给功率；pU有效利用公式0R可得输出功率；利用公式测量结果：Ui12V,Ii613mAp100%p可得整机效率；测量结果可从LCD上直接读取。PU有效6.36V,胃100%=68%（六）失真度测量所用仪器:YB1602函数信号发生器，ADS110Z：型双通道数字存储示波器测量方法：测量8Q电阻负载上的电压信号，用基波剔除法，即测量信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。总结该系统采用直流供电，低频交流信号输入、由低频功率放大模块、减

22、法器功能电路模块、峰值检测电路模块、TLC1543AD采样转换模块，单片机控制模 块、显示LCD12864模块组成、带阻滤波器来增强系统的抗干扰性能。系统具 有低频功率放大功能，测量并显示直流电源功率、交流输出功率、效率功能、抗干扰能力强等特点致本设计是在祖云老师的精心指导和鼓励下完成的。老师深厚扎实的学识， 严谨的学风和真诚谦逊的品质，使我在这次设计过程中收益匪浅。老师在设计 方面对我的指导和帮助令我终身难忘。在此，谨向老师表示衷心的感！同时我要感所有支持和帮助过我的同学和老师！此外，我还要感在我的论文中所有被援引过的文献的作者们，他们是我的 知识之源！最后，向评阅本论文及参加论文答辩的专家

23、和老师及同学们致以最为崇高 的意。参考文献l付家才单片机控制工程实践技术l川：化学工业出版杜20042全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品 选编（19941999）.：理工大学，2003.3高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训教程.：电子工业，2007.4胡宴如.模拟电子技术 ：高等教育，2006.5胡翔骏 电路分析（第二版）：高等教育20076华成英、童诗白 模拟电子学基础（第四版） ：高等教育20067高吉祥 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之模拟电子线路设计 ：电子工业20078黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 ：航空航天大学20069谭博学、苗汇静 集成电

24、路原理及应用（第二版） ：电子工业200810夏路易、石宗义 电路原理图与电路板设计教程PROTEL99S希望电 子200211谷丽华、辛晓宁、么旭东 实用低频功率放大器的设计 化工学院学 报2005年01期12 NE5532、NE5534 OPA842等器件的DATA SHEET附录A(程序)#include lcd3.h #include key.h #includesystemInit.h/#includeuartGetPut.h /#include #include #include void delayms (int ms)void adcInit(void)SysCtlPeriEn

25、able(SYSCTL_PERIPH_ADC); /使能ADC模块SysCtlADCSpeedSet(SYSCTL_ADCSPEED_125KSPS); /设 置ADC采样速率ADCSequDisable(ADC_BASE, 0);/配置前先禁止采样序列/采样序列配置：ADC基址，采样序列编号，触发事件，采样优先级ADCSequConfig(ADC_BASE, 0, ADC_TRIGGER_PROCESSOR, 0);/采样步进设置：ADC基址，采样序列编号，步值，通道设置ADCSequStepConfig(ADC_BASE, 0,0, ADC_CTL_CH0);/第0步：采样ADC0ADCS

26、equStepConfig(ADC_BASE, 0,1, ADC_CTL_CH1);/第1步：采样ADC1ADCSequStepConfig(ADC_BASE, 0, 2, ADC_CTL_CH2 |ADC_CTL_END | ADC_CTL_IE);ADCIntEnable(ADC_BASE,0);/使能ADC中断int a;for(a=0;a=ms;a+);#define ADCSequEnable#define ADCSequDisable#defineADCSequenceConfigure#defineADCSequenceStepConfigure#define ADCSequDa

27、taGet tBooleanADC_EndFlag = false; / / ADC初始化ADCSequenceEnableADCSequenceDisableADCSequConfigADCSequStepConfigADCSequenceDataGet定义ADC转换结束的标志IntEnable(INT_ADC0);/使能ADC采样序列中断IntMasterEnable( );/使能处理器中断ADCSequEnable(ADC_BASE,/使能采样序列/ ADC采样void adcSample(unsigned long ulVal )ADCProcessorTrigger(ADC_BASE

28、,/处理器触发采样序列while/等待采样结束ADC_EndFlag/清除ADC采样结束标志ADCSequDataGet(ADC_BASE,/自动读取全部ADC结果void mcu_initial0()SysCtlPeriEnable(LCD_PERIPH); /使能SysCtlPeripheralEnable( KEY_PERIPH设GPIOPadConfigSet(LCD_DATA, DATA_PIN ,GPIO_STRENGTH_8MA,GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU); /配 置数据端口为8mA若上拉输出GPIOPinTypeOut(LCD_DATAGPIO_PIN_0|G

29、PIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7);/设置PD为输出类型GPIOPadConfigSet(LCD_CONTROL,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_5 ,GPIO_STRENGTH_8MA,GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU);GPIOPinTypeOut(LCD_CONTROL,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_5);/设置P

30、B0PB3为输出类型GPIOPinTypeGPIOInput(KEY_PORT, KEY_PIN); / KEY设置GPIO为 输入口GPIOPadConfigSet(KEY_PORT, KEY_PIN, GPIO_STRENGTH_8MA,/KEY设置GPIO端口GPIO为8mA带弱上拉输出0);0);(!ADC_EndFlag);= false;0, ulVal);注意使用I/O口前一定要);/使能key_GPIO口外GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU);int main(void)unsigned char k;unsigned char temp; unsigned char

31、num; unsigned char num1; unsigned charnum2; unsigned char num3; unsigned char num4; unsigned char num5;unsigned char num6; unsigned char num7; unsigned char num8; unsignedchar num9;unsigned char num10;unsigned char num11;unsigned int I,E,P1,P2,U,M;unsigned long v,v1,v2;unsigned long ulVal5;/ char cB

32、uf30;jtagWait();clockInit();/uartInit( ); / UART adcInit( );/ ADC mcu_initial0();lcd_initial();/Displayen(0,0,2);for(k=0;k8;k+) /第一页Display(0,k*16,k);Display(2,k*16,k+8);Display(4,k*16,k+16);Display(6,k*16,k+24);delayms(3000000);clear_screen(0);for(k=0;k8;k+) /第二页/防止JTAG失效初始化初始化Display(0,k*16,k+32);Display(2,k*16,k+40);Display(4,k*16,k+48);Display(6,k*16,k+56);delayms(3000000);clear_screen(0);for(k=0;k8;k+) /第三页Display(0,k*16,k+64);Display(2,k*16,k+72);Display(4,k*16,k+80);Display(6,k*16,k+88);delayms(3000000);while(1)adcSample(ulVal); / ADC采样v = (ulVal0 * 3000) /1024;/spr