低频功率放大器毕业设计许晓明要点

1、基于Multisim的实用低频功率放大器仿真设计学员：许晓明指导教员：单位：目录第一局部摘要、引言二、.低频功放的概念三、.设计框架的形式四.系统总增益第二局部各局部电路的选择与设计一、. 输入级的设计二、. 前置放大级的设计1,电路的设计2,电路参数的计算三、.音频控制级的设计1,反应式上下音电路的设计电路工作原理2,设计方法四、.末级功率放大级的设计1,根本要求2,电路形式的要求3,末级功放参数计算五、.供电电路与接地六、.总体电路第三局部问题与分析结束语参考文献正文1.1摘要1.2低频功率的理念低频功率放大器是一种能量转换电路，在输入信号的作用下，电路把直流电源的 能量,通过前置放大级，

2、功率放大级，转换成随输入信号变化的输出功率送给负 载。功率放大器不仅仅是消费产品中不可缺少的局部，例如音响，还广泛应用于控制 系统和测量系统中，用途相当的广泛。在科学技术日新月 异的今天,低频功率放大器 已经是一个技术相当成熟的领域。 很多年以来，人们付出了不懈的努力，使它无论 是在线路技术方面还是在元器件方面乃至思想 认识上都取得了长足的进步。由于低频功率放大器运行中的信号幅度，如电压、电流都很大，其突出的问题是 要解决非线性失真和各种瞬态失真。 因为，功率放大器的 主要任务是在不失真的前 提下放大信号的功率。般在功放电路结构上可采用不同的形式，以满足人们对音响设备的不同要求。1.2设计框架

3、的形式常见的音频功率放大器电路可以分为甲类，乙类和甲乙类三种。另外为了完全 消除甲乙类和乙类功率放大器产生的交越失真 ，又出现了超 甲类放大器和直流放大 器等等。可供选择的方案有很多。根据设计题目要求，功率放大可由分立元件组成也可以由集成电路完成。当然 如果电路选择的好，参数恰当，元件性能优越，制作调试 得好，那么由分立元件组成的功放的性能还有可能高过集成功率放大器。由于本设计不是对单一信号频率实施放大，而是对一个输入电压变化 幅度大(5700mV，频带范围宽(5010000Hz的频带信号实施功 率放大,所以不能只从简单 的功率放大上考虑。至少应从以下几方面作较为全面的考虑：1,解决本设计的电

4、路对信号源，尤其是信号幅度小的影响。2,要求对整个频带内不同频率范围i，不同电压幅值信号都能均匀 放大。因此，所设计的低频功率放大电路，既能有效实现隔离，完成电路阻 抗匹配，又能 在一个频率范围内进行信号均衡放大的实用性电路。均衡局部，借鉴了音频放大电路的音调控制电路，将音调控制的输出信号送入功放，提升到所需的额定输出功率。 作为信号电路，还有波 形变换电路，来增加对称方波的输出功能，故得设计的方框原里 图：1.2.1;设计的整个电路有正弦信号源，放大通道，直流电源，负载局部组成。在放大通 道的正弦信号输入幅值大约在5 700mv，在等效负载电 阻RL为8偶的情况下，其放大通道的额定功率应大于

5、或等于10W。通道带宽大于或等于5010000Hz，在额定功率小剑侠非线性失真小于或等于3%系统组成：系统主要是有输入级，前置放大、音调控制，功率放大器级等几个局部组成。 其中，变换电路 负责执行波形变换，前置放大级主要完成信号电压的分幅度范围放大任务音调控制电路实施完成对几段音调控制中心频率电平控制；功率放大 级那么是实现对信号的电压和电流放大任务。直流稳压电源局部那么是为 整个电路提供能量。卜面作介绍。1.3系统总增益由于任务要求额定功率不小于10W，考虑流出50%的未&量，所以输出 功率应该 在15W以上,同时输出电阻负载为8Q0那么:匕“= ,2x15x8 =15. 5V-16

6、V系统的最大增益为max 317201g(71510A dB-二通 系统的最小增益为min 317201g( 27.770010A dB -3所以在整个放大电路的增益应该在27.7dB71dB范围内可调。 为 了保证放大器的性能，单级放大器的增益不宜过高，通常2040dB似大倍数在10100倍之间乙=依品 x& 二 ,2x15x8 =15.5HI6V第2章各局部电路的选择设计2.1输入级的设计2.1.1 设计说明放大器的输入级是指多级放大器最前面的2 级。对它的要求是:2、它的输出阻抗要越小越好。3、由于输入级在多级放大级的最前面，输入信号电平很低, 本身产生的噪声要和信号一起经过放大

7、器全程放大，当噪声较大I能将信号淹没，这就要求噪声系数要小。针对上述要求，本设计拟采用由 NE5532 构成的电压跟随电路 号源与放大电路之间的连接电路，如图 2.1.12、它的输出阻抗要越小越好。3、由于输入级在多级放大级的最前面，输入信号电平很低, 本身产生的噪声要和信号一起经过放大器全程放大，当噪声较大I能将信号淹没，这就要求噪声系数要小。针对上述要求，本设计拟采用由 NE5532 构成的电压跟随电路 号源与放大电路之间的连接电路，如图 2.1.12,它的输出阻抗要越小越好.3、山不输入级女多级放大级的最前面，输入仔 本身产生的噪声要和信号一起经过放大器全程放大 能将信号淹没，这就要求噪

8、声系数要小.针对上述要求，本设计拟采用由 NE5532 构成的号源叮放大电路之间的连接电路，如图 2.1.1的带宽能保证信号在低中高频均能不失真的输出，使电路的整体 指标大大提高内部结构图：IOUIOU卜接输出到前置放大级：力外档是进行波形转换后再触个前置放大级.聚用NE5532ftNE5532ft为阳抗交换电路的原因是为J J满足题指标要求,减小节线性失真,提高电路的低频特性。在编入级电路局部的止弦波方波转换电路中采川柒成运放NE5532.NE5532.因为。其他集成运算放大叁相比,NE5532NE5532具有高秸度.低啜有，高用抗.高速,频带宽等优良特件.卜面对NE5532NE5532进行

9、以卜的单的介绍：NE5532NE5532足一种内部扑优的双王低噪力，的运算放大器。其具体指标参数为：转换速率为15T/15T/s s增益带宽枳为10M1L10M1L力流增益为1010倍最高工作电爪为22V22V这种火成运放的高速M M换件能可以大大改汽电路的瞬态性能,较宽图 2 2 1 1 2 2 NE5532NE5532 内部纺构图最大定价如&?I I 2 2 1.1. 1 1 NE5532NE5532 解定值NE5532NE5532VCCVCC-2222V V开福除人电乐VDVD1AM31AM3V V工外溢冷越畏TOPRTOPR7070 C C检人信。：经过班成电咨 G G 和 N

10、E5532NE5532 之篇进入城入级的第二学分.核级的第二局部是 个比拟器.通过该比拟裾.使信号怀化为相应 的方波信；.n.n 弦波一方波料换电路如图 2.1.32.1.3 所示.利用运放 NE5532NE5532 在开环状上下的饱和特性.正弦波信弓住过两次运放放人之后,产生了图2.2. 1.21.2 NE5532NE5532内部结构图只体电挤图如卜阳 2.1.32.1.3：图 2 2 1.31.3 正弦波一方波转攒电路电乐比拟器(VolGige(VolGige Compandor)Compandor)的功能：比拟眄个电乐的大小 (用输出电压的高或低电平,表示两个总入电压的人小关系)电乐比拟

11、器的作用：它可用作模拟电路和数电路的接II.II.还可以 用作波形产II和殳换电路等.注：电压比拟器中的集成运放通常I I件在北找性区，及满足如下关 系I IU.U.U.U.时：UOUOLU.UU.U16dB420.84242201g(1 1611087R R R R R R +=+=假设取24.7R k = Q那么可得:42733R R k =取标称值为427R k = Q又因为当输入在540mV时，开关闭合，要求：201g 35V A dB423201g(1 35/R R R += 3.5422342332311065/40064400400400R R R R R R R R R +=

12、Q=Q取标称值470Qo最后经过核算，能够到达设计要求RM/ / xaimtxaimt nulnul ktikti xtxt 1 1其耦合电容等 考虑信号低频率低，均采用耐压50V、容量为33/勺电解电容输入端电阻R1取100k。电阻应远大于前级输出阻抗，并一个小电容改善输 入特性。T2-TLT2-TLI Iiiii meme171.(DC171.(DC msmsCharvnel_BCharvnel_B0 0a a126126 V VTirwlMrseTirwlMrseScabScab |l|l* * nrrctbnnnrrctbnn HlHlChamd Aasm7 7 nrxlbninrxl

13、bniTriggerTriggerEdgaEdga但 士| 区I II Iflfl2.3音调控制级的设计人们在欣赏音乐时，总希望听到悦耳的声音，但是由于爱好不一，有的喜欢音浑 厚深沉，有的人那么喜欢清脆喷亮。 而低频功率放大器是 一般音响设备中最为重要的 一局部，这就要求在该级中对信号频率特 性进行人为控制，使频率特性中某一频率 的功率增益增加或是降低达 到音调控制的效果，这就是音量调节控制。在一般音响设备中都装有音调控制电路，普通收音机中音调控制 电路比拟简单, 高质量的收录机、扩音机中电路那么比拟复杂。音调控制又称音质调节，按其调节的频率范围分,有图低首首质和多频首质调节。局低首首质调节，

14、即在通频带的两端进 行频率特性调节时，例如100Hz左右，10KHz左右，并且要求在进行上下音调节时，中 音频率一般指1KHz附近频率特性应该保持根本不变，以保持音量。多频段音质调 节,如五频段其调节频段一般在60Hz、250Hz、1KHz、5KHz、15KHz附近，十 频段调节频段100Hz、180Hz、310Hz、550Hz、1.8KHz、3.1KHz、5.5KHz、10KHz、16KHz各频率附近。音调控制电路种类很多，有RC无源调节电路，有有源反应音质 调节电路等等。RC无源调节电路，调节范围宽，但中音电平也要衰 减，并且在调节过程中，整个电路的 阻抗也在改变，失真较大。而有 源反应式

15、音质调节电路中，RC调节电路仅作为放大 器反应电路的一局部，用来改变反应量的频率成分，使调节器的提升或衰减更加显 著，失真较小，使用的较多，本设计按要求进行通频带两端频率特性调节，即上下音 音质调节。2.3.1反应式上下音调节电路的设计和电路工作原理2.3.1.1电路组成反应式上下音调节是由放大电路中的阻抗元件R、C组成的。 为了使这种电 路得到满意的效果，要求电路输入信号源的内阻应足够 小，另外要求用来实现反应式 上下音单调节电路的放大级开开环增益 应足够大电路中运放的采用正是为此。放大增益为F uf fZ A Z =-当频率改变时，Z F , Z f的比值改变，放大器增益随之改变。假设改变

16、阻抗元件的电路结构，Z F , Z f随频率而改变，即到达了由改变电路结构来改变上下音的目的。从图2.3.1的4种电路结构就可以清楚的 看到这些电路对不同频率其增益改变的情况。在图2.3.1(a的电路里,1f Z R =211F Z R jwC =+当C1取值较大时，其容抗只有在低频时才有较大的变化，频率越低,Z F越大,电路增益越高，这样就到达了低音提升的目的。在图2.3.1(b的电路里，把容量较小C 3放在输入电路中，止匕电路111/f Z R jwC = 2F Z R =由于C 3容量较小，只有在高频时Z f随频率明显的变化，频率越高,电路增益越高， 到达了高频提升的目的。 同理， 图2

17、.3.1(C可以使高音衰减， 图2.3.1(d可以使低音衰减。综合以上4种情况，可以得到图2.3.2所示的反应式音调控制电 路，图中R W2为低音调节，R W1为高音调节，为了使电路得到较满意的效果，C 3、C 2容量要适当，其容抗和有关电阻相比在低频时要够大，在中高频时要足够小，而C 3的容抗选择是在低、中频时足够大，而在高频时要足够小，就是说C 1、C 2只让中、高音信号通过不让低音信号通过，而C 3只在电路设计时时常设：123121239w w R R R R3232 3 3 3 3 反应式后溯控赛电跪2.3.1.2电路的幅频特性1、信号在低频区由于C3的数值较小低频时呈现的阻抗很大，上

18、下两个支路相比R 4、C 3支路相当于开路。设运算放大器为理想元件，那么同、反相端电位相等且近于0, R 3的影响可以忽略。当Rw2的触点移到A点时C 1被短 路。在此电路中信号通过R1加到反相输入端，对中、高音信号而言，C 2相当于短路,反应支路只有R 2,反应量最大时的电路增益很小，输出U O很小。 随着频率的降低,C 2容抗增大， 反应支路除R 2外， 还有R W2 / Xc2,而且由于R W2R1，此时反应量极小，从而获得最大增益，输出U o很大，这就是低频提升。低频提升的数学关系式为：F uf fZ A Z =-此时:22211(/F W f Z R R jwC Z R =+=那么:

19、1+J-1+J-其中:根据假设条件:即:当2L w w 时信号频率接近中频时1+/1+/爪-当2L w w =时201g |3uf A dB =即在此时频率上调节电路可以提升3dB201g |17uf A dB =当1L w w 3 L2,3 L2,=3 L2,3 L2,时，对应的提升量为0dB , 3dB , 17dB , 20dB低频提升量较大。两转折频率L1, coL2间按照倍频程6dB变化。利用同样的分析方法，当R W2滑动到B点时。对高、中音信号来 说，此电路中 的C 1相当于短路，R W2被短路，放大倍数为1,无衰减 也没有提升。随着频率的降 低，C 1的容抗增大，输入信号衰减量增

20、 大,反应量也加大，增益下降。当频率很低时， C 1相当于开路，输入信号衰减最大，反应最深，增益最小，这就是低频衰减。其幅频特 性的数学表达式为：22 L10)L10)用低频提升电路同样的分析方法，可得到图233b的幅频特性曲线，在中频区域 增益为0dB，在=1时增益为-3dB ,9=9L2增益为-17dB，在 L2和L1之间 为倍频程6 dB变化，最大衰减为20dB，L1L2为转折频率。由于频率较高，大电容C 1、C 2可以视为短路，而C 3再不能视为 开路了，具等 效电路如图234a所示,为了讨论方便，把Y型接法 改成接法，234b所示3.10)3.10)t23.il)t23.il)1 +

21、2信号在图频区其中:从图2.3.4B的电路可以看出，通过R C、Ra反应到输入端的信 号极小，这一支 路的反应信号大局部被信号源短路，同样，信号U 1通过Rc、Rb加到反相输入端 的也极小,可见，Rc对电路的影响相当于 开路。高频提升:B0?0 0 2 2 3 3 4 4 型接法与人技法RdRd图 T T 3 3 5 5 等效跻其规律为：中频区增益为0dB ,=时H益为3 dB ,=H时增益为 17dB ,与Ho H2间为6 dB倍频程变化,最大提升和衰减量为20dB.把上面讨论的4种情况上下间提升和上下间衰减画在一坐标上，可得以下曲 线。6L曲线在1L f、2L f之间或是2H f、1H f

22、之间有倍频程,6dB的变化规律。设Lx f为1L f、2Lf之间的某一频率，xHf为2H f、1H f之间的某一频率，那么有以下关系式：1(LxdB f f dB ?= (2.3.24 1( 6xH H dBffdB?= (2.3.25通过以上分析可以看出：I、RW2控制低音，RW1控制高音H、当RW2从，A向B滑动时，低音信号衰减逐渐加强 使低音从提升转向衰减 同样道理，当RW1从C向D滑动时，高音信号衰减加大，反应也增强，使高音信号从 提升转向衰减，把RW2、RW1放在不同的位置时，可以得到上下音的不 同提升和 衰减。田、音调控制电路中增益A不因RW2、RW1改变而改变。IV、电路的最大

23、提升量信号是依靠减少输入衰减和减弱 负反应量来到达的，因此电路的放大级必须 有足够的开环增 益,才能依靠强的负反应获得较宽的调节量。2.3.2设计方法2.3.2.1选择组件根据对组件的要求选择组件，因上下音调节电路一般放 在多级放大器的中间部 位，对其没有特殊要求应选用通用型 就可以了。2.3.2.1确定转折频率在1L f、2L f转折频率及要求的Lx f、xHf的处的提升或是衰减量时，可以根据2f与Lx f、x H f与1H f之间的关系求出。2.3.2.2确定数值前面假已经假定RW=RW2=9R。它确实定影响假设转折频率及其元件参数。因 组件差模电阻较大,RW1、RW2可以选的大 些，一般

24、选几十千欧到几百千欧。2.3.2.3元件参数计算由上面公式2-3-25可知由上面公式2-3-18可知2.3.28)3i3i IN4IN4 H H1212 - - INI4INI4 (+)(+)IN?IN?卜)，6 60UT20UT27 %1111 GNDGND+ + 1 1r r , , IC-IC- N.jN.j 3/ L：g - i3.1 1- 8 8 0UT30UT3oin rININ* * 2 2HINIINI (-(- 3 3x xVcc;Vcc;41414 gligli3 3、VI13)13) INdINd (-)(-)X X1212 N4N4 (+)(+)IN2 H ( 6 L0

25、UT20UT2 ： 7 7工：IDID GNDGNDL L 10;10; N3(+)N3(+)g g; ;IN3(-)8,8, ； 0UT30UT3J那么:取标称值0.01uF ,即:取标称值13k Q由式2.3.18可得:=O.QC那么；取标称值510PF取RP2=RP1=470k, RP3=10kQ级间耦合与隔直电容45 10C C uF=经过核算，能够到达兴旺要求冬=-=(i.coscos；=00器OsesOses 1 11 1oscope-ISC5oscope-ISC52.4末级功率放大级的设计2.4.1根本要求功率放大电路物主要任务是：在允许的失真限度内，尽可能高效率的向负载提供 足

26、够大的功率。因此功率放大电路 的电路形式，工作状态，分析方法等等都与小信号 放大电路有所不同。在实用的电路中，往往要求末级输出一定的功率以驱动 负载。从能量转换的角 度来看:功率放大电路与其他放大电 路在本质上并没有什么区别，只是功率放大既 不是纯追求输 出高电压，也不是单纯追求纯追求输出大的电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。对功率放大电路的根本要求是：1、输出功率要大输出功率Po=Uo*Io要获得大的输出功率，不仅要求输 出电压高,而且要求输出 电流大。因此，晶体管工作在大信 号极限运行状态，应用时要考虑放大器件的极限参 数，以保证功放电路的平安运行。2、效率要高放大

27、信号的过程就是电路按照输入信号的变化规律，将直流电源提供能量转换 为交流能量的过程。其转化效率为负载上获得的信号功率和电源供应的功率之比 值。2.4.2电路形式的选择由于本设计任务要求额定功率不小于10W ,考虑留出50%的余量，故设计输出 功率应该在15W以上,同时输出负载8Q因此在放大电路中，鉴于这些原因，简单的分 立元件的功放电路要到达上述目标困难，应选用LM1875。该功放集成 块的性能指 标优异。该功放外围电路的元件值如图2.4.1所示:22 LM1LM1印5 5典型应用电路2.4.3末级功放参数计算根据任务要求留出一定量的功率富裕度，本设计拟选输 出功率P O =20W,由于+ +

28、 V&CV&C-归一*1 10 0 1 1炉I I-71-71该输出功率值明显低于LM1875T的额定输出功率，从而可以使其他各项性能指标 容易满足。输出电压和电流幅值:根据输出功率和负载要求：18OM U V =_ _/ J2RLPOy/2x?2.24OM I A =直流供电电压的选择：考虑各方面因素的影响，电源电压应高于OM U，考虑5V的电压裕度本设计取：(5 25CC OM V U V = +=最大耗散功率；22(2CC CC DM L V V P R -=? 224882兀=? 934.7W =效率：00%59.9%DMP P P4=电压增益确定：由前置级可知，提供应

29、功放级的最小输入电压和电压增益分别是:min min 0.046.40.25670, i V i U VA =?=即:37dB.频带宽度：LM1875的单位增益GBWP=2MHz,因此可以算得功率功率放大级带宽BW为:28.6VGBWP BW kHz A =主要外围元器件的选择：为了满足低频局部的要求，C 1、C 2、C 3等选用ELNA公司0.47的无极 性电容器。电容量在0.47仙以下的电容器，如C 2、C 4、C 6、C 7等选用优质 的MKP系列电容器，必要时应选用无感金属化聚丙烯电容器，如C 3、C 5等等。因为电路采用的同相输入，其放大倍数43170o V i U R A U R

30、=+=故：4369R R =因为3R不宜过小.取3R为标称值620。那么得：4369R R =4369R R =42.78k Q因为R3不宜过小取R 3为标准值620。那么得：R 4=69R3 =42.7k Q取标称值43 k Q.R 1原那么上应远大于前级电路的内阻，本设计选用阻值为100k超标称电阻。R 2选用阻值为1k。标称电阻。C 4、C 6接入目的是为了减小大容量的C 3、C 5滤波电容自 身线绕电感的 影响。为使负载扬声器时的变频特性，接入R 5、C 7组成消振网络,按经验R 5一般 取几十欧，C 7一股取0.22仙F本设计取.5 12.5供电电源与接地选可调式三端稳压器CW317

31、，其特性参数V O =1.237V, Iomax=1.5A,最小输 入、输 出压差Vi-Vo min=3V,最大输入、输出压差Vi-V o max =40V。组成的稳 压电源电 路如图1所示。由式根底知识得Vo =1.251 +RP 1/R 1 ,取R 1=240Q，那么RP 1min =336 Q ,RP 1max =1.49K Q ,故取RP 1为4.7K。的精密线绕可调电位器。3、选电源变压器由式min max (O i O V V V - + Vi V omin +(-V o max可得输人电压V的范围为9V +3V Vi 3V 40V12V Vi V imin /1.1=12/l.1

32、,取V 2=llV,副边电流I2Iomax =0.8A,那么取I 2=1A,变压器副边输出功率P 2 I 2V2=11W假设变压器的效率=Q7,那么原边输入 功率P1 P2/4=15.7期留有余地，选功率为20W的电源变压器。4、选整流二极管及滤波电容整流二极管D选IN4001,其极限参数为V RM 50V , I F =1A。满足V RMI F =Iomax的条件。滤波电容C可由纹波电压V op-p和稳压系数Sv来确定。，V o=9V, Vi=12V, V op-p=5mV, 553 X 10。那么得稳压器的输入电压的 变化量/ /1/1/ v v由根底知识得滤波电容血匕AVAV-V电容Cy

33、/2V 2=15. 4V。故取4700F J25VJ电容器，如图1中C 1所示。5、设计直流稳压电源电路原理图图1直流稳压电源电路图2. 6总体电路低频功率放大器是一个小型的电路系统，要将各级进行合理布 局，一般按照电路 的顺序一级一级的布局,每一级的地线要尽量接在一起,连线尽量短，否那么很容易出 现自激将已经设计好的各级电路连接起来，组成一个完整的低频功率放 大器电路。这 里就要考虑级间耦合的方式了。一般来说,放大器的级间耦合方式有变压器耦合、阻容耦合和直 接耦合几种。变压器耦合：级与级之间采用变压器耦合连接，具优点是级与级之间能够较好 的匹配，耗能少，缺点是通频带较窄，只有几百兹到几 千赫兹，非线性失真较大，加上本 身体积大、笨重、价格较贵等等特 点，一般只使用在需要节省能源的功率输出级。 随着对放大器通频带要求的增宽以及小型化、集成化的开展，变压器耦合的场合越 来越少了。阻容耦合