低频功率放大器设计说明

.PAGE....目录1.课程设计目的12.课程设计题目的描述与要求12.1课程设计题目的描述12.2课程设计的基本要求13.课程设计内容23.1方案的总体论述23.2方案的选择与说明23.3方案的各部分工作原理43.4相关计算85.总结9附录参考文献..1.课程实际的目的通过课程设计,是同学加强对电子技术电路的理解,学会查询资料,方案比较,以及设计计算等环节,进一步提高分析解决实际问题的能力。锻炼分析,解决电子电路问题的实际本领,真正实现由知识向智能的转化,通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。2.课程设计题目描述与要求2.1课程设计的描述功率放大器在家电、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。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。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。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、LF357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。2.2课程设计的要求基本要求<1>.额定输出功率Po≥10W；<2>.负载阻抗RL=8Ω；<3>.失真度γ≤3%<4>.宽频带50Hz～10000Hz3.课程设计的内容3.1方案的总体论述系统原理方框图如图1所示。根据题目任务,我们设计有两个基本电路弱信号前置放大级电路功率放大电路自制稳压电源图1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．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。3.2方案的选择与说明方案的说明1．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。2．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。方案三：采用OTL功率放大器,该放大器采用TDA2030音频放大器芯片,TDA2030音频放大器电路是最常用到的音频功率放大电路,TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为10~1400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A,其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠,采用正输出单电源供电。根据题目设计要求,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。方案三采用TDA2030正好弥补了此缺点TDA2030内部有短路过热保护,且准确性比专用集成芯片高故本系统设计选用方案三。3．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LM7818、LM7918三端集成稳压器。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。为满足题目规定的指标要求,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OTL功率放大电路。3.3方案各部分工作原理：1．弱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、0P-16、OP-37、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3所示。如图2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3采用两级运算放大器电路A1和A2,每级放大器的增益取决于R1、R2和R3、R4,即AvA=1+R2/R1,AV=1+R4/R3。由上述分析可知,低频功率放大器的总增益为68d,两级前置放大器的增益安排在50d左右比较合适,每级增益在25d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3中C1、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R5=R2,R6=R4。一个采用两级NE5532<C1:A和C1:>构成的前置放大器如图4所示。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。第一级放大器,要求杂信号最强时,输出不失真,即在时,输出。所以取。当输入信号最小,即=10mV而输出不衰减时=A1×=15×10=150mV。第二级放大要求输出≥2.53V,考虑到元件误差的影响,取=3V,而输入信号最小为150mV,则第二级放大器倍数为/=3/0.15=20取=22。因此,取R=1K,R=15K,R=22K,R=1K。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。如图4两级NE5532构成的前置放大电路2．OTL功率放大器OTL功率放大器各级的作用输入级：主要作用是抑制零点漂移,保证电路工作稳定,同时对前级〔音调控制级送来的信号作低失真,低噪声放大。为此,采用带恒流源的,由复合管组成的差动放大电路,且设置的静态偏置电流较小。推动级的作用是获得足够高的电压放大倍数,以及为输出级提供足够大的驱动电流,为此,可采用带集电极有源负载的共射放大电路,其静态偏听偏信置电流比输入级要大。输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率,可采有由复合管构成的甲乙灯互补对称功放或准互补功放电路。图3电路原理图此外,还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路,为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路,以及过流保护电路等。电路设计时,各级应设置合适的静态工作点,在组装完毕后须进行静态和动态测试,在小型不失真的情况下,使输出功率最大。动态测试时,要注意消振和接好保险丝,以防损坏元器件。图4TDA2030构成的功率放大图电路为音频功率放大器原理图,其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为10~1400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A。其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。TDA2030使用方便、外围所需元器少,一般不需要调试即可成功。RP是音量调节电位器,C1是输入耦合电容,R1是TDA2030同相输入端偏置电阻。R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为<R4+R5>/R5=<4.7+150>/150=33.3倍,C3起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。C2、C4、C7为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。R6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证高频稳定性。VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。3．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+18V。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1000uF电解并并上0.1uF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3.4相关计算1.功率的计算输出功率Po用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示。设输出电压的幅值为Vom,则因为Iom=Vom/RL所以.当输入信号足够大,使Vim=Vom=Vcem=VCC-VCES≈VCC当Iom=Icm时,可获得最大的输出功率由上述对Po的讨论可知,要提供放大器的输出功率,可以增大电源电压VCC或降低负载阻抗RL。4.总结通过一周的课程设计,加强了对电子技术电路的理解,学会了查询资料,方案比较,以及失算等环节,进一步提高分析解决实际问题的能力。由于此设计采用了大量的集成芯片,我对NE5532和TDA2030的功能有了一定的了解。并且对所学的模电知识进行了简单的温顾,对功率放大有了进一步学习。同时我也发现了不足,有许多知识还是欠缺,对知识的应用缺少实践。通过这次设计,让我更好的学习了设计与实践之间的运用关系,为我以后的毕业论文设计打下基础。还有要感谢老师对我的课程设计的帮助。附录参考文献[1]胡翔骏电路分析<第二版>北京：高等教育出版社2007[2]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2006[3]高吉祥全国大学