低頻功率放大器設(shè)計(jì)

1、目目 錄錄1.1.課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)目的.12.2.課程設(shè)計(jì)題目的描述與要求課程設(shè)計(jì)題目的描述與要求.1 2.12.1 課程設(shè)計(jì)題目的描述課程設(shè)計(jì)題目的描述.1.1 2.22.2 課程設(shè)計(jì)的基本要求課程設(shè)計(jì)的基本要求.1.13.3.課程設(shè)計(jì)內(nèi)容課程設(shè)計(jì)內(nèi)容.2 3.13.1 方案的總體論述方案的總體論述.2.2 3.23.2 方案的選擇與說(shuō)明方案的選擇與說(shuō)明.2.2 3.33.3 方案的各部分工作原理方案的各部分工作原理.4.4 3.43.4 相關(guān)計(jì)算相關(guān)計(jì)算.8.85.5.總結(jié)總結(jié).9附錄附錄參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)- 1 -1.1.課程實(shí)際的目的課程實(shí)際的目的 通過(guò)課程設(shè)計(jì)，是同學(xué)加強(qiáng)對(duì)電子技術(shù)

2、電路的理解，學(xué)會(huì)查詢資料，方案比較，以及設(shè)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。鍛煉分析，解決電子電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由知識(shí)向智能的轉(zhuǎn)化，通過(guò)此綜合訓(xùn)練，為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。2.2.課程設(shè)計(jì)題目描述與要求課程設(shè)計(jì)題目描述與要求2.1 課程設(shè)計(jì)的描述功率放大器在家電、數(shù)碼產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與我們?nèi)粘Ｉ钣兄芮嘘P(guān)系。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(jí)的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大以推動(dòng)負(fù)載工作，獲得良好的聲音效果。同時(shí)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(jì)出實(shí)用、簡(jiǎn)潔、低價(jià)格的低頻功率放大器是一個(gè)發(fā)展方向。功率

3、放大器隨著科技的進(jìn)步是不斷發(fā)展的，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(gè)不同的發(fā)展階段：電子管功放 晶體管功放 集成功放。由于集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路功率放大器也大量涌現(xiàn)出來(lái)，其工藝和指標(biāo)都達(dá)到了很高水平，它的突出特點(diǎn)是體積小、電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、保護(hù)功能齊全等。低頻功率放大器設(shè)計(jì)有兩部分組成前置放大級(jí)和功率放大級(jí)。前置放大級(jí)主要任務(wù)是完成小信號(hào)電壓放大任務(wù)，同時(shí)要求低噪聲、低溫漂。功率放大級(jí)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(fù)載提供足夠大的功率，要求是輸出功率要大、效率要高。通過(guò)詳盡的資料查詢和嚴(yán)密的方案論證后，我們選擇通過(guò)集成運(yùn)放 NE55

4、32、LM1875、LF357 的配套使用來(lái)使本電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、實(shí)用并且達(dá)到高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應(yīng)的指標(biāo)。2.2 課程設(shè)計(jì)的要求基本要求(1).額定輸出功率Po10W；(2).負(fù)載阻抗RL=8；(3).失真度 3% - 2 -(4).寬頻帶 50Hz10000Hz3.3.課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容3.1 方案的總體論述系統(tǒng)原理方框圖如圖 1 所示。根據(jù)題目任務(wù), 我們?cè)O(shè)計(jì)有兩個(gè)基本電路 弱信號(hào)前置放大級(jí)電路 功率放大電路 自制穩(wěn)壓電源 外供正弦信號(hào)源波形變換電路弱信號(hào)前置放大電路自制穩(wěn)壓電源功率放大電路8歐姆負(fù)載保護(hù)電路 圖圖 1 1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖 其中

5、前置級(jí)主要完成小信號(hào)的電壓放大任務(wù)；功率放大級(jí)則實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的電壓和電流放大任務(wù)；直流穩(wěn)壓電源部分則為整個(gè)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(guò)對(duì)方波信號(hào)的測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)功放的轉(zhuǎn)換速率、失真度、效率等指標(biāo)，保護(hù)電路可以有效地保護(hù)負(fù)載不過(guò)載，對(duì)功率放大器也有一定的保護(hù)作用。該系統(tǒng)是一個(gè)高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應(yīng)的音響與脈沖傳輸、放大兼容的實(shí)用電路。下面對(duì)每個(gè)單元電路分別進(jìn)行論證。3.2 方案的選擇與說(shuō)明3.2.1 方案的說(shuō)明1弱信號(hào)前置放大級(jí)：- 3 -方案一:弱信號(hào)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

6、上述條件的集成電路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534 等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用 NE5532，因?yàn)橥姸嗟倪\(yùn)放相比, NE5532 具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、寬頻帶等優(yōu)良性能, 被稱為“ 運(yùn)放之皇” 。這種運(yùn)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(hào)在低、中、高頻段均能不失真輸出, 使電路的整體指標(biāo)大大提高。2功率放大級(jí)：方案一： 功率放大輸出級(jí)采用分立元件構(gòu)成的OCL電路，驅(qū)動(dòng)級(jí)采用集成芯片，整個(gè)功放級(jí)采用大環(huán)電壓負(fù)反饋。這種方案的優(yōu)點(diǎn)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

7、。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(jiǎn)單，且輸出功率較大。該集成電路內(nèi)部設(shè)有過(guò)載過(guò)熱及感性負(fù)載反向電勢(shì)安全工作保護(hù)。方案三：采用 OTL 功率放大器，該放大器采用TDA2030音頻放大器芯片，TDA2030音頻放大器電路是最常用到的音頻功率放大電路，TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,輸出功率大于10W,頻率響應(yīng)為101400Hz,輸出電流峰值最大可達(dá)3.5A，其內(nèi)部電路包含輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí),且有短路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù),可確保電路工作安全可靠，采用正輸出單電源供電。根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，可供選擇的功率放

8、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(dāng)，元件性能優(yōu)越，且制作和調(diào)試得好，則性能很可能高過(guò)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(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題或者搭配不當(dāng)，則性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過(guò)載、過(guò)流、過(guò)熱等損壞還得加復(fù)雜的保護(hù)電路。方案三采用TDA2030正好彌補(bǔ)了此缺點(diǎn)TDA2030內(nèi)部有短路過(guò)熱保護(hù)，且準(zhǔn)確性比專用集成芯片高故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用方案三 。- 4 -3自制穩(wěn)壓電源：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。3.2.2 方案選擇：由前面的方案論證得知，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)

9、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(guò)多會(huì)給系統(tǒng)引入噪聲等干擾因素造成不利影響，本設(shè)計(jì)采用方案二：全部采用集成運(yùn)放芯片搭建電路。為滿足題目規(guī)定的指標(biāo)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(jí)電路中采用集成雙運(yùn)放 NE5532, 在功率放大級(jí)中采用 OTL 功率放大電路。3.33.3 方案各部分工作原理：方案各部分工作原理：1弱信號(hào)前置放大級(jí)電路：前置放大電路可以采用集成運(yùn)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IC構(gòu)成的前置放大器電路,從經(jīng)

10、濟(jì)方面考慮本設(shè)計(jì)采用的是集成運(yùn)算放大器方案,設(shè)計(jì)前置放大器可供選用的集成運(yùn)算放大器有很多,有LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、NE5534等。主要考慮的技術(shù)指標(biāo)是帶寬、電壓增益、轉(zhuǎn)換速率、噪聲和電流消耗等。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(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器電路時(shí),必須采用同相放大電路結(jié)構(gòu),電路如圖3所示。- 5 -如圖2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(jí)運(yùn)算放大器電路A1和A2,每級(jí)放大器的增益取決于R1、R2和R3、R4,即AvA=1+R2/R1,AV=1+R4/R3。

11、由上述分析可知,低頻功率放大器的總增益為68d,兩級(jí)前置放大器的增益安排在50d左右比較合適,每級(jí)增益在25d左右,以保證充分發(fā)揮每級(jí)的線性放大性能并滿足帶寬要求,從而可保證不失真,即達(dá)到保真放大質(zhì)量。圖3中C1、C2分別為隔直流電容,是為滿足各級(jí)直流反饋、穩(wěn)定直流工作點(diǎn)而加的。但對(duì)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(yuǎn)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(yuǎn)小于放大器的輸入電阻。R5、R6為各級(jí)運(yùn)放輸入端的平衡電阻,通常R5=R2,R6=R4。一個(gè)采用兩級(jí)NE5532(C1:A和C1:)構(gòu)成的前置放大器如圖4所示。各級(jí)均采用固定增益

12、加輸出衰減組成,要求當(dāng)各級(jí)輸出不衰減,輸入 時(shí)， mVUPPI5,輸出 。VUPPO53. 2,第一級(jí)放大器,要求雜信號(hào)最強(qiáng)時(shí),輸出不失真,即在 時(shí),mVUPPI700,輸出。所以 取。VUOM117 .157 . 0/11/1POMUUA151A當(dāng)輸入信號(hào)最小,即=10mV 而輸出不衰減時(shí)PPIU,=A1=1510=150 mV。PPOU, 1PPIU,第二級(jí)放大要求輸出2.53V,考慮到元件誤差的影響,取=3V,而PPOU, 2PPOU, 2輸入信號(hào)最小為150 mV,則第二級(jí)放大器倍數(shù)為/=3/0.15=20PPOUA, 21PPOU, 1取=22。2A因此,取R =1K, R =15K

13、, R=22K, R=1K。671718跟隨電路具有輸入電阻大，輸出電阻小的特點(diǎn)，可以做多級(jí)放大器的中間級(jí)，即緩沖級(jí)。 說(shuō)得通俗一點(diǎn)，就是做阻抗變換，使前后級(jí)之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。所以兩級(jí)放大電路前加了跟隨電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。- 6 -123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Nov-2009Sheet of File:F:protei199業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè).DdbDrawn By:A1NE5532A2NE5532R11KR220KR31KR420KR51MR61MRw150KRw250KUoA0NE5532R71M+C14.7uF+C2

14、10uF+C347uF+C410uF+C547uF+15V+15V+15V-15V-15V-15VS1業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)Ui 如圖4兩級(jí)NE5532構(gòu)成的前置放大電路2OTL 功率放大器OTL 功率放大器各級(jí)的作用輸入級(jí)：主要作用是抑制零點(diǎn)漂移，保證電路工作穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)前級(jí)（音調(diào)控制級(jí)）送來(lái)的信號(hào)作低失真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由復(fù)合管組成的差動(dòng)放大電路，且設(shè)置的靜態(tài)偏置電流較小。 推動(dòng)級(jí)的作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，以及為輸出級(jí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，為此，可采用帶集電極有源負(fù)載的共射放大電路，其靜態(tài)偏聽(tīng)偏信置電流比輸入級(jí)要大。 輸出級(jí)的主要作用是級(jí)負(fù)載提供足夠大的輸出信號(hào)功率，

15、可采有由復(fù)合管構(gòu)成的甲乙燈互補(bǔ)對(duì)稱功放或準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。 - 7 -圖 3 電路原理圖此外，還應(yīng)考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)須設(shè)置直流負(fù)反饋電路，為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設(shè)置交流負(fù)反饋電路，以及過(guò)流保護(hù)電路等。電路設(shè)計(jì)時(shí)，各級(jí)應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在組裝完畢后須進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，在小型不失真的情況下，使輸出功率最大。動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，要注意消振和接好保險(xiǎn)絲，以防損壞元器件。圖 4TDA2030 構(gòu)成的功率放大圖電路為音頻功率放大器原理圖,其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,輸出功率大于10W,頻率響應(yīng)為101400Hz,輸出電流峰值最大可達(dá)3.5A。其內(nèi)部電路包含輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出

16、級(jí),且有短路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù),可確保電路工作- 8 -安全可靠。TDA2030使用方便、外圍所需元器少,一般不需要調(diào)試即可成功。 RP是音量調(diào)節(jié)電位器,C1是輸入耦合電容,R1是TDA2030同相輸入端偏置電阻。 R4、R5決定了該電路交流負(fù)反饋的強(qiáng)弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為(R4+R5)/R5=(4.7+150)/150=33.3倍,C3起隔直流作用,以使電路直流為100%負(fù)反饋。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。 C2、C4、C7為電源高頻旁路電容,防止電路產(chǎn)生自激振蕩。R6用以在電路接有感性負(fù)載揚(yáng)聲器時(shí),保證高頻穩(wěn)定性。VD1、VD2是保護(hù)二極管,防止輸出電壓峰值損壞集成塊TDA2030。3自制穩(wěn)壓

17、電源電路：直流穩(wěn)壓電源部分則為整個(gè)功放電路提供能量，根據(jù)以上設(shè)計(jì)的前置放大級(jí)電路和功率放大級(jí)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(jiǎn)單、外圍元器件少、性能優(yōu)良、調(diào)試方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用三端穩(wěn)壓電路，電源經(jīng) 1000uF 電解并并上 0.1uF 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(shí)測(cè)其紋波電壓很小3.43.4 相關(guān)計(jì)算相關(guān)計(jì)算1.功率的計(jì)算 輸出功率Po用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則因?yàn)镮om=Vom/RL所以.當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES V

18、CC當(dāng)Iom=Icm時(shí)，可獲得最大的輸出功率由上述對(duì)Po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負(fù)載阻抗RL。- 9 -4.4.總結(jié)總結(jié)通過(guò)一周的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了對(duì)電子技術(shù)電路的理解，學(xué)會(huì)了查詢資料，方案比較，以及失算等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。由于此設(shè)計(jì)采用了大量的集成芯片，我對(duì) NE5532 和 TDA2030 的功能有了一定的了解。并且對(duì)所學(xué)的模電知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的溫顧，對(duì)功率放大有了進(jìn)一步學(xué)習(xí)。同時(shí)我也發(fā)現(xiàn)了不足，有許多知識(shí)還是欠缺，對(duì)知識(shí)的應(yīng)用缺少實(shí)踐。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，讓我更好的學(xué)習(xí)了設(shè)計(jì)與實(shí)踐之間的運(yùn)用關(guān)系，為我以后的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。還有要感謝老師對(duì)我的課程設(shè)計(jì)的幫助。- 10 -附錄附錄- 11 -參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 胡翔駿 電路分析(第二版) 北京：高等教育出版社 20072 華成英、童詩(shī)白 模擬電