低頻功率放大器的設(shè)計與制作——功放部分.doc

目目 錄錄 摘要 1 英文摘要 1 引言 2 1 系統(tǒng)方案設(shè)計 3 1 1 系統(tǒng)框圖 3 1 2 前置運放設(shè)計方案 3 1 3 功率放大器設(shè)計方案 8 2 硬件電路設(shè)計 10 2 1 前置放大電路設(shè)計 10 2 2 放大電路設(shè)計 11 2 3 功率放大電路設(shè)計 12 2 4 帶阻濾波電路設(shè)計 12 2 5 電源電路設(shè)計 14 2 6 低頻功率放大器總圖 15 3 元器件選配 16 4 硬件電路的制作 17 4 1 前置放大電路 PCB 的制作 17 4 2 功率放大電路 PCB 的制作 17 4 3 電源電路 PCB 的制作 18 5 調(diào)試 19 5 1 調(diào)試與測試所用儀器 19 5 2 測試內(nèi)容 19 5 3 測試步驟 19 結(jié)論與謝辭 24 參考文獻(xiàn) 25 附件一 原理圖 26 附件二 PCB 圖 28 附件三 實物圖 29 低頻功率放大器的設(shè)計與制作低頻功率放大器的設(shè)計與制作 功放部分功放部分 理工類 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 通信網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備專業(yè) 余國斌余國斌 摘要摘要 設(shè)計并制作一個頻率信號功率放大器 它主要由前置放大電路 功率推動電路 功率放大電路 及電源電路等部分組成 前置放大電路采用 NE5532 為主要芯片 功率 推動級同樣采用了 NE5532 功率放大電路采用了場效應(yīng)管 IRF530 IRF530 通頻帶部 分采用 NE5532 作為主體芯片 制作出來的低頻功率放大器具有輸入阻抗高 失真度小 放大倍數(shù)大 輸出穩(wěn)定性高等特點 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 放大 功率 運放 場效應(yīng)管 Design and Manufacture of Low Frequency Power Amplifier Amplifier Section Major of Communication Network and Equipment Information and Engineering College JinHua College of Vocation And Technology Yu Guobin Abstract Design and production of a frequency signal power amplifier which is mainly from the preamplifier circuit the power to promote the circuit power amplifier circuit and power circuit components NE5532 preamplifier circuit used as the main chip the power to promote the same level using NE5532 power amplifier circuit using FET IRF530 IRF530 pass band as the main part is NE5532 chip Produced low frequency power amplifier with high input impedance distortion is small the magnification large and high output stability Keywords Zoom power FET op amp 引言引言 近年來 現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展和家庭影院需求檔次的不斷提高 人們已基本 上不滿足于普通的家用音響所能夠提供的音質(zhì)音效了 需要音質(zhì)更純正 立體聲音效 更佳 高低音的頻率響應(yīng)豐滿 功能更佳智能化的影音系統(tǒng) 原來設(shè)計比較粗糙的普 通家用功放已經(jīng)滿足不了多數(shù)用戶對音樂完美還原追求的需要 本論文主要對音頻功 率放大器的元件參數(shù)及性能指標(biāo)進(jìn)行了分析研究 對常見功率音頻放大電路進(jìn)行較深 入的分析 從而設(shè)計一種高效率 高保真的低頻功放 本文通過一種實物制作的方式 來得出各類音頻功放的特點 為了更好的調(diào)試和 記錄現(xiàn)象 特地將前置運放與功率放大部分分開制作調(diào)試 并將前置運放與三種方案的 功率放大部分分別組合調(diào)試 從而得出各類功放的特點 再將最佳的組合方案整合成 一塊 PCB 得出本次設(shè)計的作品 針對形式多樣的音頻功放市場 本文采用了三種應(yīng)用最為廣泛組合方式 前置運 放將采用有 20世紀(jì)的運放之王 之稱的 NE5532作為運放芯片 功率放大部分將采用 集成功放 普通功放 CMOS 功放三種形式 代表性的以場效應(yīng)管功放作為調(diào)試和記錄 方案 芯片采用大家最為熟悉且具有代表性的 TDA2030 TIP41C TIP42C IRF530 IRF9530芯片 水平有限 如有不合理之處 請多多指教 1 1 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案 1 11 1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖 低頻功率放大器主要由前置放大電路 功率推動電路 功率放大電路 及電源電 路等部分組成 組成框圖如下圖 1 所示 當(dāng)開關(guān) K1 與 K2 同時向上時 前置放大和推 動級放大直接相連 當(dāng)開關(guān) K2 與 K2 同時向下時 前置放大經(jīng)過帶阻濾波通向推動級 前置放大 帶阻濾波 推動放大功率放大低頻信號負(fù)載 K1K2 電源 15V 15V 5V 后續(xù)測試電路 圖1 低頻功率放大器系統(tǒng)框圖 1 21 2 前置運放設(shè)計方案前置運放設(shè)計方案 低頻輸入信號的幅度較弱不能滿足推動控制電路所需要的電壓要求 因此必須通 過一級高增益 低失真的放大器將其放大后才能具有實際應(yīng)用功能 前置放大電路要求具有低噪聲 高保真 高增益 快響應(yīng) 寬帶寬的特點 電路 中 常見的電壓放大器多采用晶體管式放大器前置放大電路 場效應(yīng)管放大器前置放 大電路 集成運算放大器前置放大電路等 1 2 11 2 1 方案一 晶體管放大電路方案一 晶體管放大電路 采用晶體管直接耦合式電壓負(fù)反饋放大電路 不僅具有很高的電壓放大倍數(shù) 而 且工作性能穩(wěn)定 圖 2 是一種典型的兩級直耦式晶體管放大電路 在該電路中 第二級放大管 VT2的基極電壓 Vb2也就是第一級放大管 VTl的集電極 電壓 Vcl 而直流工作點的穩(wěn)定 則是通過 VT2的發(fā)射極電阻 R9取得 反饋電壓 VF 與 流過 R9的電流成正比 VF 通過 R3 與 R4 的分壓后加到 VT1的基極 該電路的電壓放大 倍數(shù)等于兩級放大倍數(shù)的乘積 即 1 2 電路工作的穩(wěn)定是通過這樣的反饋過程 達(dá)到的 當(dāng) VT2的發(fā)射極電流增大時 VF 升高 經(jīng)過只 R3 R4分壓的反饋電壓跟著升 高 即 Vbl升高 VT1導(dǎo)通程度增大 Vcl 降低 Vcl 與 Vb2直接耦合 這就使 VT2導(dǎo)通 程度減低 流過發(fā)射極電阻 RF 的電流減小 電路恢復(fù)正常工作 達(dá)到穩(wěn)定工作的目的 在電路中 VT1的發(fā)射極電阻 ReI 未加旁路電容 表明其不僅有直流負(fù)反饋作用 而且具有交流負(fù)反饋作用 VT2的發(fā)射極電阻分為兩部分 其中的 Re2加有旁路電容 C3 使 其僅有直流負(fù)反饋而無交流負(fù)反饋 圖 2 晶體管放大電路 這樣的放大器稱為小信號低頻電壓放大器 為了保證電路工作的穩(wěn)定和有較高的 信噪比 通常選用較低的工作電壓和較小的工作電流 對于第一級放大管 VT1 取 Ie1 0 5 1mA 對于第二級放大管 VT2 取 Ie2 1 2mA 按照所取工作電流和所選 用的工作電壓 確定每一級放大管的負(fù)載電阻 Rc 即 R Vcc 一 Vce 一 Vb Ic 式中 Vcc 為電源電壓 Vce 為各管集電極管壓降 取 2 4V Vb 為各管基極電壓 Vb IeRe 5 8 Vbe 或 3 5V Vbe 0 7V 為硅管 發(fā)射極電阻 Re 可根據(jù)已選定的 Ie 及 Vb 來求得 即 Re Vb Ie 或 Re Ve Ie Vb 0 7e 反饋電阻 R3 與 R4 的確定 根據(jù) I1 應(yīng)等于 5 10 Ibl 這個穩(wěn)定條件以及近似地認(rèn) 為 VF Ve2 Vc1 有 VF Ve1 根據(jù)以上各式可確定 R3與 R4 的值 43 4 RR R 43 4 RR R 這種方案的優(yōu)點 電壓放大倍數(shù)高 穩(wěn)定性好 1 2 21 2 2 方案二 場效應(yīng)管前置放大電路方案二 場效應(yīng)管前置放大電路 場效應(yīng)管具有極高的輸入阻抗和很高的放大倍數(shù) 用它組成的電壓放大器通常只 用一級即可 圖 3 是一個柵極分壓式共源極放大電路 類似于晶體管的共發(fā)射極放大電路 它 的靜態(tài)偏置也和晶體管放大電路相似 但場效應(yīng)管是一種電壓控制元件 在它的正常 工作范圍內(nèi) 柵極 G 幾乎不取電流 為了保證它的工作特性 必須始終保持柵 G 一源 S 和柵 G 一漏 D 兩個 PN 結(jié)處于反向偏置狀態(tài) 對于 N 型管 這樣 在場效應(yīng)管放 大電路中 它的柵極偏置電阻不是為它的柵極取得偏置電流 而是為了取得合適的柵 極偏壓 因此在這種電路中 它的偏置電阻常加入可調(diào)電阻 以便在電路調(diào)整中取得 合適的偏壓 圖 3 場效應(yīng)管前置放大器 這種方案的優(yōu)點 輸入阻抗高 放大倍數(shù)大 效率高等特點 1 2 31 2 3 方案三 集成運放前置放大電路方案三 集成運放前置放大電路 集成運算放大器由于它有很高的輸入阻抗和很高的放大倍數(shù) 而且工作穩(wěn)定 又 便于調(diào)整 在各類放大器中得到了廣泛的應(yīng)用 其中最常用的集成運放電路有單運放 A741 和四運放電路 LM324 集成運算放大器用一個三角形的符號來表示 它至少有五個引出端 一個同相輸 入端 和一個反相輸入端 一 一個電源正端 VDD 和一個電源負(fù)端 Vss 還有一個 輸出端 如圖 4 所示 集成運算放大器實際上是一個高增益的直流放大器 它的輸入電路幾乎無一例外 地采用了差分放大器 因此它的兩個輸入端也就是差分放大器的兩個輸入端 標(biāo)以 號 的輸入端稱為同相輸入端 從該端輸入信號時 其輸出信號與輸入信號同相 標(biāo)以一 號的輸入端稱為反相輸入端 從該端輸入信號時 其輸出信號與輸入信號反相 圖 4 集成運算放大器 理想運算放大器假定輸入為 0 即 V V1 0 這就使同相輸入端與反相輸入端處 于同電位 理想運算放大器假定增益為無窮大 相對于有限的輸出電壓 V 輸人電壓 V2一 V1可以忽略不計 在實際應(yīng)用中 運算放大器的輸入阻抗為幾百千歐至幾兆歐 它的放大倍數(shù)為幾萬至幾十萬倍 實際上已十分接近理想運算放大器 運算放大器在使用中 分反相放大器和同相放大器兩種使用方式 如圖 5 所示 其中圖 5 a 為反相放大器應(yīng)用方式 輸入信號 Vi通過電阻 R1加到反相輸入端 一 同 相輸入端 通過電阻 R2接地 輸出電壓 V 通過反饋電阻 RF 接回到輸入端 一 形 成一個深度的電壓負(fù)反饋 為了保證運放的兩個輸入端處于平衡工作狀態(tài) 避免輸入 電流產(chǎn)生的附加差動輸入電壓 使反相輸入端與同相輸入端對地的電阻相等 即應(yīng)當(dāng) 使 R2 R1 RF R1與 RF 并聯(lián) 圖 5 運算放大器的使 在上述假定條件下 通過分析推導(dǎo) 得出如下結(jié)果 反相放大器的電壓放大倍數(shù) Af 等于輸出電壓 V 與輸入電壓 Vi之比 便相位相反 其數(shù)值可由反饋電阻 RF 和輸入 端電阻 R1 之比值確定 與運算放大器本身參數(shù)無關(guān) 即 Af V Vi 一 RF R1 上述結(jié)果對運算放大器的使用提供了極大的方便 我們可以通過設(shè)定 R 和 R1 的 值精確地設(shè)計一個放大電路 而不需要進(jìn)行復(fù)雜的運算 如果將輸入信號通過 R2從運算放大器的同相輸入端 輸入 就構(gòu)成了同相放大器 這時需將反相輸人端 一 通過 R 接地 輸出電壓 V 通過反饋電阻 RF 仍反饋到反相 輸入端 一 同時也應(yīng)使 R2 R1 RF 以保證兩個輸入端對地的電阻相等 如圖 5 b 所示 通過分析和推導(dǎo) 同相放大器的放大倍數(shù) Af Vo Vi 1 RF R1 由該式可知 同 相放大器的放大倍數(shù)比反相放大器的放大倍數(shù)大 1 且與輸入信號同相位 在特殊情況下 當(dāng) RF 0 或 R1 oo 時 Af 1 這種電路稱為電壓跟隨器 如圖 5 c 所示 電壓跟隨器雖然沒有放大輸入信號的作用 但在電路中常用作阻抗變換 在多級放大電路中 實現(xiàn)放大器的前后級間匹配 有著十分重要的作用 圖 6 運放組成的運算放大器 圖 6 是一個聲控電路的電壓放大電路圖 該電路采用反相放大器的放大方式 反 饋電阻 RF 為 100k R1 10k 按有關(guān)公式計算可知放大倍數(shù) Af 一 RF R1 一 10 輸出電壓 Vo 與輸入電壓 Vi 反相 電路中 R2 R1 RF 1 R1 1 RF 1 R2 計算結(jié)果 R2 9 1k 實際電路取 10k 與計算結(jié)果十分接近 這是由于在實際應(yīng)用中 為了易于選用標(biāo)準(zhǔn)系列電阻 除了一些特殊電路之外 一般無需十分精確 其結(jié)果完全可以滿足使用要求 這種方案的優(yōu)點 低噪聲 高保真 高增益 快響應(yīng) 寬帶寬等特點 1 2 41 2 4 方案的比較方案的比較 通過方案的論證 從而得出他們的優(yōu)點與特點 現(xiàn)列表如下 表 1 前置放大器方案比較 方案方案方案一方案一方案二方案二方案三方案三 類型類型晶體管運放前置放大器晶體管運放前置放大器場效應(yīng)管運放前置放大器場效應(yīng)管運放前置放大器集成運放前置放大器集成運放前置放大器 優(yōu)點優(yōu)點 很高的電壓放大倍數(shù) 工作性能穩(wěn)定等 輸入阻抗高 很高的放大倍數(shù)等 輸入阻抗高 很高的放大倍數(shù) 工作穩(wěn)定 好調(diào)整等 特點特點 外圍電路元器件多 調(diào)試?yán)щy 品質(zhì)有限等 外圍電路復(fù)雜 調(diào)試?yán)щy 可以做出很 高要求的功放等 外圍的元器件少 調(diào)試簡單等 綜合上述方案的優(yōu)點和特點 前置放大電路采用其在噪聲 轉(zhuǎn)換速率 增益帶寬 等方面優(yōu)異的指標(biāo)的集成芯片運放 1 31 3 功率放大設(shè)計方案功率放大設(shè)計方案 1 3 11 3 1 功率放大方案一 集成功率放大器功率放大方案一 集成功率放大器 集成放大器由于它有很高的輸入阻抗和很高的放大倍數(shù) 而且工作穩(wěn)定 又便于 調(diào)整 在各類放大器中得到了廣泛的應(yīng)用 其中最常用的集成運放電路有單運放 A741 和四運放電路 LM324 集成放大器實際上是一個高增益的直流放大器 它的輸入電路幾乎無一例外地采 用了差分放大器 因此它的兩個輸入端也就是差分放大器的兩個輸入端 標(biāo)以 號的輸 入端稱為同相輸入端 從該端輸入信號時 其輸出信號與輸入信號同相 標(biāo)以一號的 輸入端稱為反相輸入端 從該端輸入信號時 其輸出信號與輸入信號反相 采用專用的音響集成芯片 符合題目要求的集成芯片有許多 例如以 TA7240AP 7241AP TA7270P 7271P 為代表的音響集成芯片 近 40 多年來 在我國音響 設(shè)備中非常流行 它的特點是失真小 噪聲小 音質(zhì)純且價格便宜 若要進(jìn)一步提高 輸出功率到 50W 左右 采用原膜集成電路 STK4181 輸出 100W 的有 STK0100 等 該方案的特點 技術(shù)成熟 外圍元器件少 調(diào)試簡單 便于擴功等 1 3 21 3 2 功率放大方案二 晶體管功率放大器功率放大方案二 晶體管功率放大器 放大器不僅其放大其輸入端的噪聲 而且 放大器本身也存在噪聲 所以其輸出 端的信噪比必然小于輸入端信噪比 放大器本身噪聲越大 它的輸出端信噪比就越小 于輸入端信噪比 Nf 就越大 所以在低噪聲放大器的前級通常選用場效應(yīng)管 或者低 噪聲晶體管 功率放大電路是一種弱電系統(tǒng) 具有很高的靈敏度 很容易接受外界和內(nèi)部一些 無規(guī)則信號的影響 也就是在放大器的輸入端短路時 輸出端仍有一些無規(guī)則的電壓 或電流變化輸出 利用示波器或揚聲器就可覺察到 這就是功率放大器的噪聲或干擾 電壓 噪聲所產(chǎn)生的影響常用噪聲系數(shù) Nf 表示 單位為分貝 dB Nf 越小越好 Nf 輸入信號噪聲比 輸出信號噪聲比 晶體管的噪聲來源有三種 1 熱噪聲 由于載流子不規(guī)則的熱運動 通過半導(dǎo)體管內(nèi)的體電阻時而產(chǎn)生 2 散粒噪聲 通常所說的三極管中的電流只是一個平均值 實際上通過發(fā)射結(jié)注入 基區(qū)的載流子數(shù)目 在各個瞬時都不相同 因而引起發(fā)射極電流或集電極電流有一無 規(guī)則的流動 產(chǎn)生散粒噪聲 3 顫動噪聲 晶體管產(chǎn)生顫動噪聲的原因現(xiàn)在還不十分清楚 但被設(shè)想為載流子在 晶體表面的產(chǎn)生和復(fù)合所引起 因此與半導(dǎo)體材料本身及工藝水平有關(guān) 功率放大輸出級才用分立元件構(gòu)成的 OCL 電路 驅(qū)動級采用集成芯片 整個功放級采 用大環(huán)電壓負(fù)反饋 這種方案的優(yōu)點 由于反饋深度容易控制 故放大倍數(shù)容易控制 且失真度可以 做到很小 使音質(zhì)純凈 但外圍元器件較多 調(diào)試要困難很多 1 3 31 3 3 功率放大方案三 場效應(yīng)管功率放大器功率放大方案三 場效應(yīng)管功率放大器 采用場效應(yīng)管做的功率放大器 重放的音樂溫暖潤滑 韻昧十足 放大電路的功 能是利用三極管的電流控制作用 或場效應(yīng)管電壓控制作用 把微弱的電信號 簡稱 信號 指變化的電壓 電流 功率 不失真地放大到所需的數(shù)值 實現(xiàn)將直流電源的 能量部分地轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號 放大電路的實質(zhì) 是一種用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置 場效應(yīng)管主要有結(jié)型場效應(yīng)管 JFET 和絕緣柵型場效應(yīng)管場效應(yīng)管是利用多子 導(dǎo)電 多子 電子為多數(shù)載流子 簡稱多子 而晶體管是既利用多子 又利用少子 空穴為少數(shù)載流子 簡稱少子 由于少子的濃度易受溫度 輻射等外界條件的影響 因此在環(huán)境變化比較劇烈的條件下 采用場效應(yīng)管比較合適 場效應(yīng)管主要有結(jié)型場效應(yīng)管 JFET 和絕緣柵型場效應(yīng)管 IGFET 絕緣柵型 場效應(yīng)管的襯底 B 與源析 S 連在一起 它的三個極分別為柵極 G 漏極 D 和源極 S 晶體管分 NPN 和 PNP 管 它的三個極分別為基極 b 集電極 c 發(fā) 射極 e 場效應(yīng)管的 G D S 極與晶體管的 b c e 極有相似的功能 絕緣柵型效 應(yīng)管和結(jié)型場效應(yīng)管的區(qū)別在于它們的導(dǎo)電機構(gòu)和電流控制原理根本不同 結(jié)型管是 利用耗盡區(qū)的寬度變化來改變導(dǎo)電溝道的寬窄以便控制漏極電流 絕緣柵型場效應(yīng)管 則是用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng) 電感應(yīng)電荷的多少去改變導(dǎo)電溝道來控制電流 它們 性質(zhì)的差異使結(jié)型場效應(yīng)管往往運用在功放輸入級 前級 絕緣柵型場效應(yīng)管則用在 功放末級 輸出級 功率放大輸出級才用分立元件構(gòu)成的 OCL 電路 驅(qū)動級采用集成芯片 整個功放 級采用大環(huán)電壓負(fù)反饋 這種方案的優(yōu)點 由于反饋深度容易控制 故放大倍數(shù)容易控制 且失真度可以 做到很小 使音質(zhì)純凈 但外圍元器件較多 調(diào)試要困難很多 1 3 41 3 4 方案的比較方案的比較 通過方案的論證 從而得出他們的優(yōu)點與特點 現(xiàn)列表如下 表 2 功率放大器方案比較 方案方案方案一方案一方案二方案二方案三方案三 類型類型集成功率放大器集成功率放大器晶體管功率放大器晶體管功率放大器場效應(yīng)管功率放大器場效應(yīng)管功率放大器 優(yōu)點優(yōu)點 失真小 噪聲小 音質(zhì)純 價格便宜等 體積小 重量輕 耗電少 壽命長 可靠性高等 輸入阻抗高 噪聲低 功耗低 熱穩(wěn)定性高 抗輻射能力強等 特點特點 帶載能力不足 功率較小 成本高等 輸入阻抗小 功耗大等 外圍元器件較多 調(diào)試較困難等 綜合上述方案的優(yōu)點和特點 功率放大部分采用對管 考慮到晶體管放大器能調(diào) 處 但不能達(dá)到最好的效果 因此功率放大器部分采用能調(diào)出更高要求的場效應(yīng)管功 率放大器 2 2 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要通過課題要求 結(jié)合實際設(shè)計出可以作為產(chǎn)品的實際電路原 理圖 是后續(xù)制作的保障 因此 原理圖的設(shè)計是作品成功的關(guān)鍵 2 12 1 前置放大電路設(shè)計前置放大電路設(shè)計 前置放大器對小信號進(jìn)行低噪聲放大作用 本電路的選擇 NE5532 主要承擔(dān)電壓 放大任務(wù) 由于其在噪聲 轉(zhuǎn)換速率 增益帶寬等方面優(yōu)異的指標(biāo) 而且具有一定的 輸出電流 做功率前置放大很合適 故采用 NE5532作為前置放大電路的芯片 R 2 47K 3 2 1 84 U 1A N E5532 R 3 1K R 4 1 5K C 4 100P C 3 220P R 11 5K C1 10U C2 10U C5 10U 15V 15V IN P1 P2 圖7 前置放大電路 如圖 7 所示 前置放大器的任務(wù)是完成小信號的電壓放大 其失真度和噪聲對系 統(tǒng)的影響最大 故采用了低噪聲 高保真度的雙通道專用音響前置集成放大器 NE5532 均采用了電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路 因電壓串聯(lián)負(fù)反饋具有良好的抗共模干擾能 力 且具有改善波形失真的作用 前置級增益為 2 1 3 P A R 考慮到輸入信號的變化范圍很大 用 P1 做分壓器來改變整個系統(tǒng)的增益 小信號通道的抗干擾的重點在底線的安排 現(xiàn)將兩級放大間的地線分開 由較粗的 導(dǎo)線連接 防止出現(xiàn)自激現(xiàn)象 2 22 2 推動級電路設(shè)計推動級電路設(shè)計 推動級用來推動功放輸出級 對信號電壓和電流進(jìn)行進(jìn)一步放大 有的推動級還 要輸出兩個大小相等 方向相反的推動信號 推動級放大器也是一級電壓放大器 當(dāng) 然同時也具有電流放大作用 它工作在大信號放大狀態(tài)下 本電路的選擇 NE5532 放大電路將信號電壓再次放大 以滿足后級功放輸入要求 由于其在噪聲 轉(zhuǎn)換速率 增益帶寬等方面優(yōu)異的指標(biāo) 而且具有一定的輸出電流 做推動級放大很合適 前幾級放大采用 NE5532 作為放大芯片 推動級級增益為 6 2 6 P A R 圖 8 推動放大電路原理圖 2 3 功率放大電路設(shè)計功率放大電路設(shè)計 功率輸出級是整個功率放大器的的最后一級 用來對信號進(jìn)行電流放大 電壓放 大級和推動級對信號的電壓已進(jìn)行了足夠的電壓放大 輸出級再進(jìn)行電流放大 以達(dá) 到對信號功率放大的目的 這是因為輸出信號功率等于輸出信號電流與電壓之積 功率放大器常用電路有兩種 一種是用輸入輸出變壓器的推挽電路 另一種是無 輸入輸出變壓器的推挽電路 如 OCL OTL BTL 等 相比之下 后者的頻響和失真方 面都表現(xiàn)較好 故采用 OCL 電路 根據(jù)效率的要求 盡可能提高功率放大器的整機效 率 由于甲類效率低 功耗大 而乙類有不可避免的交越失真 因此選用甲乙類功放 如圖 9 所示 采用場效應(yīng)管 IRF530 IRF9530 組成復(fù)合管 末級屬于典型的 OCL 電 路 R 1 10 0 R 2 4 7K R 3 1K R 4 10 0 R 5 10 0 R 6 0 22 5W R 9 10 R 7 0 22 5W A A K K D 1 IN 40 07 A A K K D 2 IN 40 07 C 1 0 1u C 3 0 04 7u Q 1 90 13 Q 2 IR F5 30 Q 3 IR F9 53 0 1 5V 15V O UT IN IN O UT 1 2 J1 C ON 2 15V 1 5V 1 2 J2 C ON 2 1 2 3 J3 C ON 3 C 2 1u F R 10 2K R 8 2K 上上上 上上上 圖 9 場效應(yīng)管功放電路原理圖 2 42 4 帶阻濾波電路設(shè)計帶阻濾波電路設(shè)計 為了能在后期的調(diào)試中避免受到一些高頻率成分的干擾 我額外增加了能去除高頻 的功能 為此設(shè)計了帶阻濾波電路 用于除去低頻信號中的高頻成分 有源濾波器是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器 它是在運算放大器的基礎(chǔ)上增加一 些 R C 等無源元件而構(gòu)成的 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分 例如 有 一個較低頻率的信號 其中包含一些較高頻率成分的干擾 濾波過程如圖 10 所示 圖 10 濾波過程 有源帶通濾波器 BPF 電路如圖 11 所示 有源帶阻濾波器 BEF 電路如圖 12 所示 帶通濾波器是由低通 RC 環(huán)節(jié)和高通 RC 環(huán)節(jié)組合而成的 要將高通的下限截止頻率設(shè) 置為小于低通的上限截止頻率 反之則為帶阻濾波器 圖 11 二階壓控型 BPF 圖 12 二階壓控型 BEF 要想獲得好的濾波特性 一般需要較高的階數(shù) 濾波器的設(shè)計計算十分麻煩 需 要時可借助于工程計算曲線和有關(guān)計算機輔助設(shè)計軟件 作為一個可以濾出雜波干擾信號 得到所需要的信號 從而提高準(zhǔn)確度 減小失 真 通過開關(guān) 使其與推動級電路相連接 從而工作 如圖 13 所示 由 P3 和 C8 組成無源低通 RC 濾波器 以 NE5532 為核心與 P4 P5 和 C7 共同組成一個有源集成高通濾波器 由無源低通 RC 濾波器和有源集成高通濾波 器共同組成一個低頻帶阻濾波器 C 6 1U F 3 2 1 84 U 2A N E5532 C 71U F C 82U F 15V 15V K 1 K 2 上上上上上上上上上上上上上上 上上上Q 8 K 2 上上上1 上上R 01上上上上上上上上上f0 P3P4 P5 圖 13 帶阻濾波電路原理圖 2 52 5 電源電路設(shè)計電源電路設(shè)計 整個電路系統(tǒng)既存在大信號 功率放大級 也存在小信號 前置放大級 所以 抗干擾也要引起足夠的重視 因為功放級的大電流流過公共底線 會產(chǎn)生一個壓降 這樣就會對前置級產(chǎn)生干擾 因此要采取單點接地的抗干擾措施 既前置級單獨用一 個地 功放級單獨用一個地 最后將兩個地接到穩(wěn)壓電源上的同一個公共地上 本次設(shè)計采用的是 5V 15V 和 15V 電壓 設(shè)計采用正負(fù)24V 的開關(guān)電源作為總的 電源輸入 通過穩(wěn)壓塊7815 7915 7805供給 電源用電解電容與小容量瓷片電容組 合的方式進(jìn)行去耦 V in 1 GND 2 15V 3U 1 M C7815 V in 2 GND 1 15V 3 U 2 M C7915 V in 1 GND 2 5V 3 U 3 M C7805 C 1 1000uF C 3 1000uF C 12 220uF C 2 220uF C 4 220uF C 5 47uF C 6 0 1uF C 7 0 1uF C 10 0 1uF C 8 0 1uF C 9 0 1uF C 11 0 1uF D 1 D 2 1 2 3 J1 C ON 3 1 2 3 J2 C ON 3 1 2 J3 C ON 2 R 1 200 15V 15V 15V 15V 5V 5V 15V上上上上上 15V上上上上上 5V上上上上上 上上24V上上上上 圖 14 電源電路原理圖 2 62 6 低頻功率放大器總圖低頻功率放大器總圖 本次低頻功率放大器總圖如圖 15 所示 R 2 47K 3 2 1 84 U 1A N E5532 R 3 1K R 4 1 5K C 4 100P C 3 220P R 11 5K C1 10U C2 10U C5 10U 15V 15V IN P1 P2 C 6 1U F 3 2 1 84 U 2A N E5532 C 71U F C 82U F 15V 15V K 1 K 2 上上上上上上上上上上上上上上 上上上Q 8 K 2 上上上1 上上R 01上上上上上上上上上f0 P3P4 P5 R 5 20K R 6 1K 5 6 7 U 1B N E5532 R 7 10K C 9 220P P6 IN 1 2 J1 C ON 2 R 1100 R 2 4 7K R 3 1K R 4 100 R 5 100 R 6 0 22 5W R 9 10 R 7 0 22 5W A A K K D 1 IN 4007 A A K K D 2 IN 4007 C 1 0 1u C 3 0 047u Q 1 9013 Q 2 IR F530 Q 3 IR F9530 15V 15V O UT IN O UT 15V 15V 1 2 J2 C ON 2 1 2 3 J3 C ON 3 C 2 1uF R 10 2K R 8 2K 上上上 上上上上上上 上上上上上上 上上上上上上 上上上上上上 上上上 圖 15 低頻功率放大器總圖電路圖 3 3 元器件選配元器件選配 本低頻功放的元器件選配 見表 3 表 3 低頻功率放大器元器件清單 型號功能數(shù)量單價 元 小計 元 IRF9530 CMOS 功放 11 51 5 IRF530 CMOS 功放 11 51 5 NE5532 放大芯片 21 53 0 9013 NPN 三極管 30 51 5 7815 15V 電源 11 51 5 7915 15V 電源 11 51 5 7805 5V 電源 11 51 5 IN4007 整流二極管 20 30 6 10 電阻 20 10 2 100 電阻 60 10 6 1K 電阻 40 10 4 10K 電阻 30 10 3 0 22 5W 功率電阻 40 52 0 0 1uF 電解電容 40 31 2 1uF 電解電容 60 31 8 10uF 電解電容 30 30 9 0 047uF 瓷片電容 20 30 6 104 瓷片電容 60 10 6 105 瓷片電容 40 10 4 104 微調(diào)電阻 30 10 3 201 微調(diào)電阻 20 10 2 KG 開關(guān) 20 51 0 附銅板 10 15PCB 實物 53 015 0 其它材料費用 6 7 制作所需費用 元 44 8 4 4 硬件電路制作硬件電路制作 印制電路板 PCB 是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件 它提供電路元件和期 間之間的電氣連接 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展 PCB 的密度越來越高 PCB 設(shè)計的好壞 對抗干擾能力影響很大 因此 在進(jìn)行 PCB 設(shè)計時 必須注意一些原則和細(xì)節(jié) 4 14 1 前置放大電路前置放大電路 PCBPCB 板的制作板的制作 如圖 16 所示 電路中有兩個較大的接地焊盤 從圖中不難看到 兩點之間可以連 接而不產(chǎn)生跳線 圖中可知左邊的地 主要連接前置放大電路的接地 當(dāng) K1 與 K2 同 時至于下端時 同時提供帶阻濾波電路的接地 而右邊的地 主要連接的是推動級放 大電路的接地 兩級之間的電壓值和頻率值會有差異 容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象 故設(shè)計時 采用屏蔽粗導(dǎo)線連接 從而減少失真和自激現(xiàn)象 圖 16 前置放大電路 PCB 圖 4 24 2 功率放大電路功率放大電路 PCBPCB 板的制作板的制作 如圖 17 所示 Q2 與 Q3 兩個功率放大三極管版面部分采用不附銅的方式 為的是 更好的減少干擾 排版上力求整齊美觀 線路上盡量縮短距離 避免不必要的擾 圖 17 功率放大電路 PCB 板圖 4 34 3 電源電路電源電路 PCBPCB 板的制作板的制作 如圖 18 所示 為了更方便電源的輸入與輸出 將輸入接口置于左側(cè) 輸出接口置 于右側(cè) 由于芯片發(fā)熱需要安裝散熱片 所以將其周圍空出較大的空間 用于安裝散 熱片 圖 18 電源電路 PCB 板圖 5 5 調(diào)試調(diào)試 5 15 1 調(diào)試與測試所用儀器調(diào)試與測試所用儀器 調(diào)試所用儀器如表 4 所示 表 4 所用儀器名稱與用處 儀器名稱儀器名稱用處用處 數(shù)字萬用表測試靜態(tài)電壓 動態(tài)輸入輸出的電壓和電流 40MHz數(shù)字示波器測試信號波形 直流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的電源供應(yīng) 低頻信號源給低頻功放一個穩(wěn)定的信號 失真儀測試失真度 5 25 2 測試內(nèi)容測試內(nèi)容 1 測試前置運放電路的輸入輸出靜態(tài)與動態(tài)電壓值 2 測試推動級放大電路的輸入輸出靜態(tài)與動態(tài)壓值 3 測試功率放大電路的輸入輸出靜態(tài)與動態(tài)電壓值 4 測試整機的效率 5 測試整機的失真度 6 測試整機的通頻帶 7 測試整機的信號噪聲功率 8 測試整機的輸出功率 9 測試帶阻電路輸入輸出電壓 10 以及其它的一些測試 5 35 3 測試步驟測試步驟 5 3 15 3 1 前置運放電路的測試前置運放電路的測試 靜態(tài)測試 方法 通入電源 用萬用表的直流電壓檔測試對應(yīng)點的電壓值 數(shù)據(jù) 如表5所示 表5 靜態(tài)測試數(shù)據(jù)表 NE5532U1A 1號管腳 輸出 2號管腳 反相輸入 3號管腳 同相輸入 電壓值 0 92V 9 1mV 9 6mV 動態(tài)測試 方法 通入電源 用萬用表的交流電壓檔測試對應(yīng)點的電壓值 數(shù)據(jù) 如表6所示 表6 動態(tài)測試數(shù)據(jù)表 輸入端輸出端放大倍數(shù) 電壓值 10mV0 64V 64倍 5 3 25 3 2 推動級放大電路的測試推動級放大電路的測試 靜態(tài)測試 方法 通入電源 用萬用表的直流電壓檔測試對應(yīng)點的電壓值 數(shù)據(jù) 如表7所示 表7 靜態(tài)測試數(shù)據(jù)表 NE5532U1B 5號管腳 同相輸入 6號管腳 反相輸入 7號管腳 輸出 電壓值 4 1mV 4 1mV 25 2mV 動態(tài)測試 方法 通入電源 用萬用表的交流流電壓檔測試對應(yīng)點的電壓值 數(shù)據(jù) 如表8所示 表8 動態(tài)測試數(shù)據(jù)表 輸入端輸出端放大倍數(shù) 電壓值 0 64V7 45V 11 6倍 5 3 35 3 3 功率放大電路的測試功率放大電路的測試 靜態(tài)測試 方法 通入電源 用萬用表的直流電壓檔測試對應(yīng)點的電壓值 數(shù)據(jù) 如表9所示 表9 靜態(tài)測試數(shù)據(jù)表 電壓值1號管腳2號管腳3號管腳 IRF5303 28V14 46V0 45V IRF9530 3 13V 14 43V0 44V 動態(tài)測試 方法 通入電源 用萬用表的交流電壓檔測試對應(yīng)點的電壓值 數(shù)據(jù) 如表10所示 表10 動態(tài)測試數(shù)據(jù)表 輸入端輸出端放大倍數(shù) 電壓值 7 45V8 41V 1 1倍 5 3 45 3 4 整機的測試整機的測試 1 功率測試 方法 f 1KHz 在失真度盡量小情況下 測出最大輸出電壓和失真度 R 8 05 L 示波器監(jiān)視不存在失真 測出最大輸出電壓和失真度 換算成功率 數(shù)據(jù) 失真度小 V 8 41V R 8 05 P 8 78W maxL max 2 U R 監(jiān)視無失真的情況下 V 8 21V R 8 05 P 8 37W maxL max 2 U R 2 效率測試 數(shù)據(jù) 滿功率電壓14 46V V 8 05V R 8 05 33 8 maxL max p P 額 3 通頻帶測試 方法 保持 20mV不變 記錄不同頻率時的輸出 i V 數(shù)據(jù) 如表11所示 表11 動態(tài)測試數(shù)據(jù)表 f Hz1020304050607080901003006001000 V0 311 602 963 233 503 814 124 284 505 886 046 416 88 f KHz35791113151719213050100 V7 027 247 188 208 198 248 318 328 288 217 987 203 14 放大電路的增益A 是頻率的函數(shù) 在低頻段和高頻段放大倍數(shù)都要下降 當(dāng) f A 下降到中頻電壓放大倍數(shù)最大值的時 即0 7 f 1 2 增益下降3dB的頻率點就是功率下降的一半 在放大電路的幅頻響應(yīng)圖中 取帶寬 的上下限頻率是在增益下降3 的dB的地方 即半功率點 對于功率 取10logX而對于 電壓 取20logX 3db點 對于半功率 就是10log0 5 如果換算成電壓 電壓就是 0 707倍 算成db就是20log0 707 3dB 根據(jù)表11數(shù)據(jù)得到如圖19所示 和的頻率值即為半功率點 所得的 A f B f B f A f 值即為本電路的帶寬 大約為60KHz 說明本電路的帶寬值大 適用的頻率范圍廣 圖19 功率放大器頻譜圖 4 信號噪聲功率 方法 測交流噪聲有效值 按公式算出噪聲功率 數(shù)據(jù) 交流噪聲有效值為2mV 1 99 3 2 L PW R 噪聲 2 10 W 5 失真度 方法 采用失真儀測試 數(shù)據(jù) 測試結(jié)果表明 失真度小 1 8 2 3 4 0 V KHz 0 01 0 05 0 1 0 3 0 6135791113151719213050 100 7 5 6 帶寬 B f A f 5 3 55 3 5 帶阻電路的測試帶阻電路的測試 方法 保持 20mV不變 記錄不同頻率時的輸出 i V 數(shù)據(jù) 如表12所示 表12 動態(tài)測試數(shù)據(jù)表 f KHz0 010 51234567891011 V1 407 657 647 667 667 655 232 281 562 345 687 587 63 f KHz121314151617181920304050100 V7 447 427 397 377 367 357 337 326 986 234 241 450 65 根據(jù)表12數(shù)據(jù)得到如圖20所示 和的頻率值即為半功率點 A f B f C f D f C f 所得的值即為本帶阻電路的帶阻 大約在4KHz 10KHz之間 B f 圖20 帶阻電路頻譜圖 1 8 7 2 3 4 5 6 0 V KHz 0 01 0 05 0 1 0 3 0 6135791113151719203050100 低頻段中頻段 通帶 高頻段 D f C f B f A f 結(jié)論與謝辭結(jié)論與謝辭 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 高吉祥 模擬電子線路設(shè)計 M 電子工業(yè)出版社 2007 08 15 19 2 鄭國平 模擬電子 M 清華大學(xué)出版社 2006 11 25 29 3 陳曉平 傅海