低頻功率放大器電路的設(shè)計

1、2012屆本科畢業(yè)設(shè)計低頻功率放大器電路的設(shè)計姓 名：郭兆乾系另比物理與電氣信息學(xué)院專業(yè)：電子信息工程學(xué)號： 080312017指導(dǎo)教師：彭愛蓮2012年02月15日摘要J.I關(guān)鍵詞J.I0引言11總體方案設(shè)計21.1總體方案論證 21.2單元模塊方案論證與比較 2波形變換電路 2弱信號前置放大級 2功率放大級 3自制穩(wěn)壓電源 31.3方案選擇32單元模塊設(shè)計 42.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計：4波形變換電路： 4弱信號前置放大級電路： 5功率放大電路 6自制穩(wěn)壓電源電路 ： 72.2特殊器件的介紹73結(jié)語9致謝9附錄:102摘要實用低頻功率放大器主要應(yīng)用是對音頻信號進行功率放大，本文介紹

2、了具有弱信號放大能力的低頻功率放大器的基本原理、內(nèi)容、技術(shù)路線。整個電路主要由穩(wěn)壓電源、前置放大器、功率放大器、波形變換電路和保護電路共五部分構(gòu)成。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大器、 功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是電壓的放大。功率放大器實現(xiàn)電流、電壓的放大。波形變換電路是將正弦信號電壓變換成規(guī)定要求的方波信號。設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡潔、實用，充分利用到了集成功放的優(yōu)良性能。實驗結(jié)果表明該功率放大器在帶寬、失真度、效率等方面具有較好的指標、較高的實用性，為功率放大器的設(shè)計提供了廣闊的思路。關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)換電路；放大級電路；穩(wěn)壓電源電路AbstractPractical application of

3、 low frequency power amplifier is mainly for audio signal power amplifier, this paper introduces the weak signal amplifier ability has the low frequency power amplifier, the basic principle of content, the technical route. The main circuit by manostat, preamplifier, power amplifiers, wave tran sform

4、 circuit and the protect ion circuit of five parts. Mano stat primarily for pre-amplifier, power amplifier provide stable dc power. The preamplifier mainly is the voltage scaling. Power amplifier realize current, voltage scaling. Wave transform circuit is will sine signal voltage transform into the

5、requirements of square wave signal. The design of the structure is simple, practical circuit, make full use of the performanee of the integrated amplifier. The experimental results show that the power amplifier in bandwidth, distortion degree, efficiency has good index, higher practicability, for po

6、wer amplifier design offers wide thi nkingKeywordsConversion circuit,Amplifier circuit level,Stabilized voltage power supply circuit0引言功率放大器在家電、 數(shù)碼產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，與我們?nèi)粘Ｉ钣兄芮嘘P(guān)系。隨著生活水平的提高，人們越來越注重視覺，音質(zhì)的享受。在大多數(shù)情況下，增強系統(tǒng)性能， 如更好的聲音效果，是促使消費者購買產(chǎn)品的一個重要因素。低頻功率放大器作為音響等電子設(shè)備的后即放大電路，它的主要作用是將前級的音頻信號進行功率放大以推動負載工作， 獲得良好

7、的聲音效果。同時低頻功率放大器又是音響等電聲設(shè)備消耗電源能量的主要部分。 因此設(shè)計出實用、簡潔、低價格的低頻功率放大器是一個發(fā)展方向。從最初的電子管功率放大器到現(xiàn)在的集成功率放大器，功率放大器經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段：電子管功放 晶體管功放 集成功放。功放按不同的分類方法可分為不同的類型，按所用的放大器件分類，可分為電子管式放大器、晶體管式功率放大器 （包括場效應(yīng)管功率放大器）和集成電路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶體管和集成電路式功率放大器為主，電子管功率放大器也占有一席之地。電子管功率放大器俗稱膽機，電子管功放的生產(chǎn)工藝相當成熟，產(chǎn)品的穩(wěn)定性很高， 而離散性極小，特別是它的

8、工作機理決定了它的音色十分溫柔，富有人情味，因而成為重要的音響電路形式。電子管電路的設(shè)計、安裝、 調(diào)試都比較簡單，期缺點是輸出變壓器、電源變壓器的繞制工藝稍麻煩，耗電大、體積大、 有一定的使用期限。因此在實際使用中有一定的局限性。現(xiàn)在大功率晶體管種類很多，優(yōu)質(zhì)功放電路也層出不窮，因此晶體管功率放大器是應(yīng)用最廣泛的形式。人們研制出許多優(yōu)質(zhì)新型電路使功放的諧波失真，很容易減少到0.05%以下。場效應(yīng)管是一種很有潛力的功率放大器件，它具有噪聲小、動態(tài)范圍大、負溫度特性等特點，音色和電子管相似，保護電路簡單。場效應(yīng)管生產(chǎn)技術(shù)還在不斷發(fā)展，場效應(yīng)管放大器將有更為強大的生命力。由于集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，

9、集成電路功率放大器也大量涌現(xiàn)出來，其工藝和指標都達到了很高水平，它的突出特點是體積小、電路簡單、性能優(yōu)越、保護功能齊全等。由于在很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時就 要在主機和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了 “組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音 質(zhì)輸出?，F(xiàn)今功率放大器不僅僅是消費產(chǎn)品（音響）中不可缺少的設(shè)備，還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中。然而低頻功率放大器已經(jīng)是一個技術(shù)相當成熟的領(lǐng)域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至思想認識上都取得了長足的

10、進步。目前市場上的集成功放產(chǎn)品價格已經(jīng)很低并且種類也很多，典型的有LM1875 TDA1521TDA1514這些優(yōu)質(zhì)功放模塊體積小、性能優(yōu)越、保護功能齊全、外圍電路簡單、易制作易 調(diào)試。最近，一種應(yīng)用砷化鉀 MESFET制成的功率放大器 MMIG在移動電話和個人數(shù)據(jù)終端 領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，一片尺寸為2.5 X 3.48平方毫米的MMIC輸出功率可達1.1W,工作頻率達950MHZ本文給出一種簡單實用、制作成本低廉的實用低頻功率放大器的設(shè)計方案，并給出實際測試結(jié)果。功率放大可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成功率放大器，如果進行精心的設(shè)計，則在效率和失真方面更優(yōu)于集成的，價格

11、方面便宜一點，但如果電路選擇和參數(shù)設(shè)置不恰當時，元件性能就不能很好的表現(xiàn)出來，制作調(diào)試比較困難。從電路的簡單性和易調(diào)性，集成電路更好些。本次設(shè)計功放采用集成電路完成。本實用低頻功率放大器設(shè)計有兩部分組成前置放大級和功率放大級。前置放大級主要任務(wù)是完成小信號電壓放大任務(wù)。功率放大級主要任務(wù)是在允許的失真限度內(nèi)，盡可能高效率地向負載提供足夠大的功率，要求是輸出功率要大、效率要高。通過詳盡的資料查詢和嚴密的方案論證后， 我們選擇通過集成運放 NE5532、LM1875 LF357的配套使用來使本電路系 統(tǒng)設(shè)計簡潔、實用并且達到高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應(yīng)的指標。1總體方案設(shè)計.1.1總體方

12、案論證系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示。根據(jù)題目任務(wù)，我們設(shè)計有五個基本電路 波形變換電路 弱信號前置放大級電路 自制穩(wěn)壓電源電路 保護電路外供正弦 信號源弱信號前置 放大電路功率放大 電路.8歐姆負載自制穩(wěn)壓電源保護電路波形變 換電路圖1系統(tǒng)原理框圖其中前置級主要完成小信號的電壓放大任務(wù)；功率放大級則實現(xiàn)對信號的電壓和電流放大任務(wù)；直流穩(wěn)壓電源部分則為整個功放電路提供能量.由于方波中含有豐富的高次諧波分量，波形變換電路提供方波，可通過對方波信號的測試來檢驗功放的轉(zhuǎn)換速率、失真度、效率等指標，保護電路可以有效地保護負載不過載，對功率放大器也有一定的保護作用。該系統(tǒng)是一個高增益、高保真、高效率、低噪聲、

13、寬頻帶、快響應(yīng)的音響與脈沖傳輸、 放大兼容的實用電路。下面對每個單元電路分別進行論證。1.2單元模塊方案論證與比較波形變換電路方案一：利用運放在開環(huán)狀態(tài)下的飽和特性，正弦波信號經(jīng)過兩級運放放大后，產(chǎn)生了正 弦波飽和失真的方波信號，由于輸出方波幅值遠大于題目要求，于是采用開關(guān)三極管腳與 腳短接當成兩個二極管削波（用兩個鍺開關(guān)管也可以），便將電壓鉗制在700mv左右，然后通過電阻分壓，最終得到題目要求的正負極性對稱的200mVp-p的方波信號。方案二：直接采用施密特觸發(fā)器進行變換與整形。而施密特電路可用高精度、高速運算電路搭接而成，也可采用專用施密特觸發(fā)器構(gòu)成，還可以選用NE5532電路構(gòu)成。方案

14、三：利用運放的正反饋作用，使轉(zhuǎn)換部分的波形上升沿和下降沿都變得很陡，利用穩(wěn)壓管將電壓穩(wěn)定在6. 2 V左右，然后利用電阻分壓得到要求的正負對稱的峰一峰值為200 mV的方波信號。運放選用 NE5532。本系統(tǒng)采用方案二，且施密特電路采用高精度、高速運算放大器LF357構(gòu)成。弱信號前置放大級方案一：弱信號前置放大電路必須由低噪聲、高保真、高增益、快響應(yīng)、寬帶音響集成電路構(gòu)成。符合上述條件的集成電路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534 等。本系統(tǒng)設(shè)計選用 NE5532，因為同眾多的運放相比，NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、 高速、寬頻帶等

15、優(yōu)良性能，被稱為“運放之皇”。這種運放的高速轉(zhuǎn)換性能可大大改善電 路的瞬態(tài)性能，較寬的帶寬能保證信號在低、中、高頻段均能不失真輸出，使電路的整體指標大大提高。功率放大級方案一：功率放大輸出級采用分立元件構(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)電壓負反饋。這種方案的優(yōu)點是：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)很純凈。但外圍元器件較多，調(diào)試要困難一些。方案二：采用專用的功放集成芯片。LM1875是一款功 率放大集成塊，體積小巧，外 圍電路簡單，且輸出功率較大。該集成電路內(nèi)部設(shè)有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護。根據(jù)題目設(shè)計要求， 可供選擇的

16、功率放大器可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成的功放，如果電路選擇得好，參數(shù)恰當，元件性能優(yōu)越，且制作和調(diào)試得好，則 性能很可能高過較好的集成功放。許多優(yōu)質(zhì)功放均是分立功放。但其中只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者搭配不當，則性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過載、過流、過熱等損壞還得加復(fù)雜的保護電路?，F(xiàn)在市場上有許多性能優(yōu)異的集成功放芯片，如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外圍電路簡單，保護功能較完善，易制作 調(diào)試等優(yōu)點，雖不及頂級功放的性能，但滿足并超過本設(shè)計的要求是沒有問題的。另外集成運放還有性價比高的特點。故本系統(tǒng)設(shè)計選用方案二。該

17、方案的優(yōu)點是：技術(shù)成熟，外圍元器件少，保護功能較完善，調(diào)試簡單，便 于擴功等。自制穩(wěn)壓電源本系統(tǒng)設(shè)計采用三端集成穩(wěn)壓電源電路，選用LM7818、LM7918三端集成穩(wěn)壓器。1.3方案選擇由前面的方案論證得知，設(shè)計本系統(tǒng)有兩種方案，一種方案是采用集成電路與分立元件相結(jié) 合的方案，另一種是全部采用集成芯片的方案。為盡可能的降低噪聲影響，減小非線性失真，以及考慮到外圍元器件過多會給系統(tǒng)引入噪聲 等干擾因素造成不利影響，本設(shè)計采用方案二：全部采用集成運放芯片搭建電路。5為滿足題目規(guī)定的指標要求，減小非線性失真，提高電路的高頻和低頻特性，我們決定在 前置放大級電路中采用集成雙運放NE5532,在正弦波一

18、方波轉(zhuǎn)換電路中采用集成運放LF357，在功率放大級中采用運放LM1875。2單元模塊設(shè)計2.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計：波形變換電路：設(shè)計電路如圖2所示，我們直接采用施密特觸發(fā)器進行波形變換與整形，選用高精度、高速運算放大器LF357構(gòu)成施密特觸發(fā)器。根據(jù)題目要求，變換后的方波要正、負對稱，頻率為1000Hz,上升和下降時間< 1us電壓的峰-峰值為200mV。因為LF357屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應(yīng)快等特點，完全可以滿足 技術(shù)指標要求。+VC CUi1 0KLF3 5 7Uo 1Uo 0 R 4"1.5 K1 0K0K7 5

19、KVC C5 6PFD1Vz =± 3VUoR W 5.6 K1 00 PF18圖2波形變換電路R 24此電路中，C21和C22為脈沖加速電容，可以減少方波脈沖上升時間和下降時間。為限流電阻，限制穩(wěn)壓二極管電流VD 1、VD 2，保證輸出方波幅度穩(wěn)定。(1)確定輸出電壓U。U。=Vz，比較器輸出高低電平為_VzOHUoL Vz2323(2) U身口 U-的表達式(當U += U _時，輸出電壓狀態(tài)發(fā)生跳變)Ui ,22當u iEmH時，Uo：0 ,Uo二-V z當u i_ EmL時，Uo0 ,U O=Vz。遲滯寬度V =E mH-EmL 一2R 23Vz。R 22 R 23(3)門限

20、電位23222323mL(-Vz)2223圖4中集成運算放大器可采用轉(zhuǎn)換速率SR > 10V/US ,增益帶寬積GBW > 10MHZ的運放芯片，如LF357、OP-16、OP-37、NE5534等。電路接成遲滯電壓比較器結(jié)構(gòu)，為保證輸 出方波幅度穩(wěn)定輸出使用2只穩(wěn)壓二極管 D1、D2，穩(wěn)壓值為Vz=±3V。R4為穩(wěn)壓二極管的限流電阻，把流過 D1、D2的電流限定在6mA左右。C1、C2為脈沖加速電容，它可以進一 步減少方波脈沖時間上升和下降時間。假設(shè)遲滯比較器的遲滯寬度 V=EmH-EmL=0.7V，貝U R3可用下式來確定R3= (2Vz/ V- 1 ) R2= (2

21、*3/0.7-1 ) *10=75.71 K Q 取 R3=75 K Q 如電路采用 LF357 集成運 放，則輸出方波的上升時間和下降時間可做到小于0.5uS。調(diào)節(jié)RW，輸出幅度可調(diào)節(jié)到200mV，滿足題目指標要求。弱信號前置放大級電路：前置放大電路可以采用集成運算放大器構(gòu)成的前置放大器，也可以采用專用前置放大器I C構(gòu)成的前置放大器電路，從經(jīng)濟方面考慮本設(shè)計采用的是集成運算放大器方案，設(shè)計前置放大器可供選用的集成運算放大器有很多，有LF347、LF353、LF357、LF356、OP-16、OP-37、NE5532、NE5534等。主要考慮的技術(shù)指標是帶寬、電壓增益、轉(zhuǎn)換速率、噪聲和電流消

22、耗 等。為提高前置放大器電路輸入電阻和共模抑制性能，減少輸出噪聲,采用集成運算放大器構(gòu)成前置放大器電路時，必須采用同相放大電路結(jié)構(gòu)，電路如圖3所示。圖3同相放大電路結(jié)構(gòu)的前置放大電路為了盡能保證不失真放大，圖3采用兩級運算放大器電路 A1和A2,每級放大器的增益 取決于 R1、R2 和 R3、R4,即 AvA=1+R2/R1,AVB=1+R4/R3。由上述分析可知，低頻功率放大器的總增益為 68dB,兩級前置放大器的增益安排在50dB左右比較合適，每級增益在25dB左右，以保證充分發(fā)揮每級的線性放大性能并滿足帶寬 要求,從而可保證不失真，即達到保真放大質(zhì)量。圖3中C1、C2分別為隔直流電容，是

23、為滿足各級直流反饋、穩(wěn)定直流工作點而加的。但對于交流成分，C1、C2必須呈現(xiàn)短路狀態(tài)，即要求C1、C2的容抗遠小于R1、R3的阻值。C3、 C4為耦合電容，為保證低頻響應(yīng)，要求其容抗遠小于放大器的輸入電阻。 R5、R6為各級運放輸 入端的平衡電阻，通常R5=R2,R6=R4。跟隨電路具有輸入電阻大，輸出電阻小的特點， 可以做多級放大器的中間級，即緩沖級。說得通俗一點，就是做阻抗變換，使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配。所以兩級放大電路前 加了跟隨電路實現(xiàn)阻抗匹配。圖4兩級NE5532構(gòu)成的前置放大電路功率放大電路前面已經(jīng)說過功率放大電路可由分立元件組成也可以由集成功放組成。分立元件組成的功率放大電路，如

24、果電路選擇得好，參數(shù)選擇恰當，元件性能優(yōu)良，設(shè)計和調(diào)試的好，則性 能也很優(yōu)良。在分立元件組成功率放大電路中由三極管、二極管、電阻、電容等器件組成的核心電路，提供了自由調(diào)整的余地。 但分立元件組成的功率放大電路只要其中一個環(huán)節(jié)出 現(xiàn)問題，則性能會低于一般集成功率放大電路。而且為了不致過載、過流、過熱等損壞元件,需要加以復(fù)雜的保護電路。集成功率放大電路成熟， 低頻性能好，內(nèi)部設(shè)計具有復(fù)合保護電路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件參數(shù)穩(wěn)定，無須調(diào)整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電 路簡單，保護功能齊全，還可外加散熱片解決散熱問題。以下介紹采用集成芯片構(gòu)成的的功率放大器。采用集成功放LM

25、1875構(gòu)成的低頻功率放大器電路如圖2.6所示。LM1875是一個輸出功率最大可達到 30W的音頻功率放大器，Avo為90dB,失真率為0.015%(1KHz,20W)，帶寬為70 KHz，具有AC和DC短路保護電路和熱保護電路，電源電壓范圍為1660V,采用TO-220封裝。在圖5電路中，輸入信號 Vi經(jīng)過C12耦合到LM1875的腳，功率放大后從腳輸出 加到揚聲器。R13、C14串聯(lián)接在輸出端用以抑制高頻噪聲。C9 C10、C11、C13用于電源去耦濾波，防止功率放大器產(chǎn)生高頻自激，去耦是指對電源采取進一步的濾波措施，去除兩級間信號通過電源互相干擾的影響。R11、R12組成反饋網(wǎng)絡(luò)；C20

26、為直流負反饋電容； 直流負反饋的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，而對放大電路的各項動態(tài)性能沒有影響，動態(tài)性能指放級向第二級傳遞的過程。電源電壓采用土15V。A=20。LM1875開環(huán)增益為26 dB，即放大倍數(shù)大倍數(shù)、通頻帶、輸入及輸出電阻等。R10為輸入接地電阻，防止輸入靠路時引起感應(yīng)噪聲； C12為信號耦合電容，耦合指信號由第圖5采用集成功放LM1875構(gòu)成的低頻功率放大器電路由于在本電路 中選用了集成功放LM1875，它在 應(yīng)用中外圍元器件少，調(diào)試簡單，便于擴功，使得 功率放大級電路簡潔，實用，輸出功率大，非線性失真小。自制穩(wěn)壓電源電路：直流穩(wěn)壓電源部分則為整個功放電路提供能量，根據(jù)以上設(shè)計的前置

27、放大級電路和功率放大級電路的要求，僅需要穩(wěn)壓電源輸出的一種直流電壓即+18V。因三端穩(wěn)壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍元器件少、性能優(yōu)良、調(diào)試方便等顯著優(yōu)點，本設(shè)計中采用三端穩(wěn)壓電路，電源經(jīng) 1OOOUF電解并并上O.1uF電容依次濾掉各種頻率干擾后輸出 ，輸出電壓直流性能好，實測 其紋波電壓很小。2.2特殊器件的介紹本電路設(shè)計簡 潔、實用，各模塊單元均選用集成運放電路。在前置放大級電路中采用集成雙運放 NE5532,在正弦波一方波轉(zhuǎn)換電路中采用集成運放LF357，在功率放大級中采用運放LM1875。如此設(shè)計使得電路外圍結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧精致，且較好的結(jié)合了各 運放的優(yōu)良性能，使電路能滿足各項指標?，F(xiàn)介

28、紹各芯片參數(shù)如下：表1 NE5532的極限參數(shù)參數(shù)符號NE5532單位電源電壓Vcc埜2V差分輸入電壓Vdif±13V輸入電壓Vi提供電壓V功耗，Ta=25 CPD1100mW工作溫度TOPR070C表2 LM1875的參數(shù)電壓范圍單 電壓1560V ,或±30V靜態(tài)電流50mA輸出功率30W諧波失真v 0.015%，當 f=1kHz , RL=8Q , P0=20W 時額定增益26dB，當 f=1kHz 時工作電壓±25V轉(zhuǎn)換速率18V/ 卩 S （9V/ 卩 S）LF357的通用參數(shù)：與MOSFET輸入設(shè)備相比，耐用的 JFET允許無熔斷處理；高或低的源阻抗低 1/?轉(zhuǎn)折，優(yōu)良的低噪聲應(yīng)用；在大多數(shù)單片放大器上，偏置調(diào)整不可降解漂移或共模抑制；新輸出電路級允許大電容負載（5000pF）的使用，無穩(wěn)定性的問題;內(nèi)部補償和大的差分輸入電壓能力；對數(shù)放大器；光電放大器；采祥保持電路共同特點；低輸入偏置電流：30pA ；低輸入失調(diào)電流 3pA；高輸入阻抗：1012 Q；低輸入噪聲電流：O.OIpA/ VHZ高共模抑制比：1OOdB ;大的DC電壓增益：106dB3結(jié)語詳細介紹了一種簡單實用