低頻功率放大器設計說明

.PAGE....目錄1.課程設計目的12.課程設計題目的描述與要求12.1課程設計題目的描述12.2課程設計的基本要求13.課程設計內(nèi)容23.1方案的總體論述23.2方案的選擇與說明23.3方案的各部分工作原理43.4相關(guān)計算85.總結(jié)9附錄參考文獻..1.課程實際的目的通過課程設計,是同學加強對電子技術(shù)電路的理解,學會查詢資料,方案比較,以及設計計算等環(huán)節(jié),進一步提高分析解決實際問題的能力。鍛煉分析,解決電子電路問題的實際本領(lǐng),真正實現(xiàn)由知識向智能的轉(zhuǎn)化,通過此綜合訓練,為以后畢業(yè)設計打下一定的基礎(chǔ)。2.課程設計題目描述與要求2.1課程設計的描述功率放大器在家電、數(shù)碼產(chǎn)品中的應用越來越廣泛,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,獲得良好的聲音效果。同時低頻功率放大器又是音響等電聲設備消耗電源能量的主要部分。因此設計出實用、簡潔、低價格的低頻功率放大器是一個發(fā)展方向。功率放大器隨著科技的進步是不斷發(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,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。低頻功率放大器設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是完成小信號電壓放大任務,同時要求低噪聲、低溫漂。功率放大級主要任務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)設計簡潔、實用并且達到高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應的指標。2.2課程設計的要求基本要求<1>.額定輸出功率Po≥10W；<2>.負載阻抗RL=8Ω；<3>.失真度γ≤3%<4>.寬頻帶50Hz～10000Hz3.課程設計的內(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,我們設計有兩個基本電路弱信號前置放大級電路功率放大電路自制穩(wěn)壓電源圖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；功率放大級則實現(xiàn)對信號的電壓和電流放大任務；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、寬頻帶、快響應的音響與脈沖傳輸、放大兼容的實用電路。下面對每個單元電路分別進行論證。3.2方案的選擇與說明方案的說明1．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、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。2．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)部設有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護。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,頻率響應為10~1400Hz,輸出電流峰值最大可達3.5A,其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級,且有短路保護和過熱保護,可確保電路工作安全可靠,采用正輸出單電源供電。根據(jù)題目設計要求,可供選擇的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雜的保護電路。方案三采用TDA2030正好彌補了此缺點TDA2030內(nèi)部有短路過熱保護,且準確性比專用集成芯片高故本系統(tǒng)設計選用方案三。3．自制穩(wěn)壓電源：本系統(tǒng)設計采用三端集成穩(wěn)壓電源電路,選用LM7818、LM7918三端集成穩(wěn)壓器。方案選擇：由前面的方案論證得知,設計本系統(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,本設計采用方案二：全部采用集成運放芯片搭建電路。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,在功率放大級中采用OTL功率放大電路。3.3方案各部分工作原理：1．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IC構(gòu)成的前置放大器電路,從經(jīng)濟方面考慮本設計采用的是集成運算放大器方案,設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、0P-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。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,AV=1+R4/R3。由上述分析可知,低頻功率放大器的總增益為68d,兩級前置放大器的增益安排在50d左右比較合適,每級增益在25d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,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。一個采用兩級NE5532<C1:A和C1:>構(gòu)成的前置放大器如圖4所示。各級均采用固定增益加輸出衰減組成,要求當各級輸出不衰減,輸入時,輸出。第一級放大器,要求雜信號最強時,輸出不失真,即在時,輸出。所以取。當輸入信號最小,即=10mV而輸出不衰減時=A1×=15×10=150mV。第二級放大要求輸出≥2.53V,考慮到元件誤差的影響,取=3V,而輸入信號最小為150mV,則第二級放大器倍數(shù)為/=3/0.15=20取=22。因此,取R=1K,R=15K,R=22K,R=1K。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。如圖4兩級NE5532構(gòu)成的前置放大電路2．OTL功率放大器OTL功率放大器各級的作用輸入級：主要作用是抑制零點漂移,保證電路工作穩(wěn)定,同時對前級〔音調(diào)控制級送來的信號作低失真,低噪聲放大。為此,采用帶恒流源的,由復合管組成的差動放大電路,且設置的靜態(tài)偏置電流較小。推動級的作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù),以及為輸出級提供足夠大的驅(qū)動電流,為此,可采用帶集電極有源負載的共射放大電路,其靜態(tài)偏聽偏信置電流比輸入級要大。輸出級的主要作用是級負載提供足夠大的輸出信號功率,可采有由復合管構(gòu)成的甲乙燈互補對稱功放或準互補功放電路。圖3電路原理圖此外,還應考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點須設置直流負反饋電路,為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設置交流負反饋電路,以及過流保護電路等。電路設計時,各級應設置合適的靜態(tài)工作點,在組裝完畢后須進行靜態(tài)和動態(tài)測試,在小型不失真的情況下,使輸出功率最大。動態(tài)測試時,要注意消振和接好保險絲,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,頻率響應為10~1400Hz,輸出電流峰值最大可達3.5A。其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級,且有短路保護和過熱保護,可確保電路工作安全可靠。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反饋的強弱及閉環(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%負反饋。靜態(tài)工作點穩(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載揚聲器時,保證高頻穩(wěn)定性。VD1、VD2是保護二極管,防止輸出電壓峰值損壞集成塊TDA2030。3．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)以上設計的前置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,本設計中采用三端穩(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,實測其紋波電壓很小3.4相關(guān)計算1.功率的計算輸出功率Po用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來表示。設輸出電壓的幅值為Vom,則因為Iom=Vom/RL所以.當輸入信號足夠大,使Vim=Vom=Vcem=VCC-VCES≈VCC當Iom=Icm時,可獲得最大的輸出功率由上述對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或降低負載阻抗RL。4.總結(jié)通過一周的課程設計,加強了對電子技術(shù)電路的理解,學會了查詢資料,方案比較,以及失算等環(huán)節(jié),進一步提高分析解決實際問題的能力。由于此設計采用了大量的集成芯片,我對NE5532和TDA2030的功能有了一定的了解。并且對所學的模電知識進行了簡單的溫顧,對功率放大有了進一步學習。同時我也發(fā)現(xiàn)了不足,有許多知識還是欠缺,對知識的應用缺少實踐。通過這次設計,讓我更好的學習了設計與實踐之間的運用關(guān)系,為我以后的畢業(yè)論文設計打下基礎(chǔ)。還有要感謝老師對我的課程設計的幫助。附錄參考文獻[1]胡翔駿電路分析<第二版>北京：高等教育出版社2007[2]華成英、童詩白模擬電子學基礎(chǔ)〔第四版北京：高等教育出版社2006[3]高吉祥全國大學