低频功率放大器毕业设计湖北理工本科详解.docx
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低频功率放大器毕业设计湖北理工本科详解
湖北理工学院
本科生毕业设计（论文）
学生姓名张政
院（系）黄石理工学院
专业电子信息工程
学号022********2
设计（论文）题目低频功率放大器
低频功率放大器的设计
学生:
张政
（湖北理工学院）
摘要：
实用低频功率放大器主要应用是对音频信号进行功率放大，本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。
整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路共4部分构成。
稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源。
前置放大器主要是电压的放大。
功率放大器实现电流、电压的放大。
波形变换电路是将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号。
设计的电路结构简洁、实用，充分利用到了集成功放的优良性能。
实验结果表明该功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性,为功率放大器的设计提供了广阔的思路。
关键词：
方波转换电路前置放大级电路功率放大电路
1绪论
1.1选题背景及意义
数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。
1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。
1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器—数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。
1.1.1本课题的研究现状
在半导体设计潮流走向轻薄短小之际，不仅半导体组件本身的封装要小，整个模块的尺寸也变成决定系统客户接受与否的关键规格。
全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。
D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。
D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM（PulseCodeModulation,脉冲编码调制）数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。
由于其开关管工作于开关状态，因此具有高效率、低功耗等优点。
目前，D类音频功率放大器在移动电话、平面电视、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。
在手机、PDA、MP3Player等应用中，以D类取代AB类放大器的趋势便已相当明显。
1.1.2选题目的及意义
数字音频功率放大器的研究背景与发展现状随着现代电子技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中[1]。
随着近十几年来半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用[2]。
音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。
目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型，传统的模拟功放按放大器的工作状态可分为：
A类、B类、AB类等形式。
A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。
传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低，A类音频放大器的理论效率是25%，实际效率大约为15-20%;B类音频放大器的理论最大效率是78.5%;AB类音频放大器的理论效率75%，实际效率在50-70%之间。
无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30%左右。
音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。
1.2设计任务及要求
设计并制作一个低频功率放大器，并将输出功率，电源功率，整机效率显示。
它主要由前置放大器级，功率放大级，整流分压模块，峰值检测，直流稳压电源模块以及显示模块构成。
1.2.1设计的基本要求
功能要求:
（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。
（2）通频带为20Hz～20kHz。
（3）输入电阻为600Ω。
（4）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。
（5）尽可能提高功率放大器的整机效率。
（6）具有测量并显示低频功率放大器输出功率（正弦信号输入时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。
2低频功率放大器的设计
2.1功率放大电路的主要特点
基于输出较大功率的基本任务，对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面：
1）大信号工作状态
为输出足够大的功率,功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大,因此，功率放大管的动态工作范围很大,功放管中的电压、电流信号都是大信号状态，一般以不超过晶体管的极限参数为限度。
2）非线性失真问题
由于功放管的非线性，功率放大电路又工作在大信号工作状态，必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。
输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非线性失真就越严重。
因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。
3）提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗
从能量转换的观点来看，功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。
任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出，其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上，并且主要是功放管的损耗。
对于同样功率的直流电能，转换成的交流输出能量越多，功率放大电路的效率就越高。
因为功率大，所以效率的问题就变得十分重要，否则，不仅会带来能源的浪费，还会引起功放管的发热而损毁。
2.2系统电路设计
该低频功率放大器有以下几部分组成：
（1）低频功率放大模块
（2）数据采集显示模块（3）电源模块
2.2.1低频功率放大模块：
前置放大电路
前置放大是采用差动放大电路。
差动电路的优点是放大倍数较高和可以克服温度漂移。
这里采用三个2N551三极管。
其中最下面的2N551和两个二极管构成一组恒流源。
理论上这组作为前置放大的差动放大电路电压放大倍数可以达到40倍以上。
这样才能确保整体电压放大倍数达到1260倍左右。
电路图如图图1所示。
图1前置放大电路
中间级放大
中间级采用OP07运算放大器搭设的比例放大电路。
放大倍数较大。
通频带会较小。
为了保证20-20KHz的通频带，我们需要在这里采用负反馈来拉平通频带。
在这里采用的是OP07精密运放。
经过调试，这组放大电路的放大倍数可以达到50倍以上。
如图图2所示。
图2中间放大级
功率放大级
在本设计中要求最小输出为5W，而且要求功率尽可能大。
输入是小于5mV。
整体电压放大倍数为1260倍以上。
我们采用HITACHI的2SK1058和2SJ162对管。
以2SK1058为例，最大耗散功率为100W，最大漏源电压为160V，最大漏极电流为7A。
2SJ162与2SK1058除了管子类型不同，其他指标基本一致。
用2SK1058和2SJ162对管作为末级输出，最大输出可以达到50W左右。
如图图3所示。
图3功率输出级
4．仪用放大电压电路部分
由于要显示输出功率和总功率，我们采用电流采样和电压采样电路来采样所需要的电流和电压，从而根据公式
计算出输出功率和根据
算出总功率。
其中电流采样电路是采用在电路中串入0.1
的功率电阻，然后采集电阻间的电压差。
但由于电压差太小，我们这里是采用仪用放大电路（三运电路）来进行小信号精密放大。
电压采样是采用电阻分压的方式获得交流电压后，用二极管检波和电压跟随器隔离后即获得电压数据。
如图图4所示。
图4仪用放大电路
2.2.2数据采集显示模块
1．测量模块
测量部分采用A/D转换电路来采集负载上的电流和电压，然后将数据送单片机进行分析和处理，将结果送液晶显示。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
如图图5所示。
图5测量、显示电路
2．显示模块
显示部分采用液晶LCD1602，单片机按用汇编语言编写好的程序中的执行过程将A/D采集到的数据经过处理、计算显示在LCD1602上。
3．按键模块
由于独立式按键电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。
在按键数量较多时，I/O口浪费较大。
故只在按键数量不多时，采用这种按键。
按键的功能如下：
（1）按键1：
查看电源功率；
（2）按键2：
查看输出功率；
（3）按键3：
查看效率。
2.2.3电源模块
由于单片机需要+5V的电源供电，功率放大级的2SK1058和2SJ162对管需要+24V和-24V的电源供电，所以电源电路我们是采用线性电源。
我们将220V/50HZ的交流电经过变压器的变压，二极管的整流，电容的滤波，稳压器7805、7812、7912的稳压来获得+5V、+12V、-12V的直流电压。
我们由两个+12V和-12V的线性来搭成+24V和-24V来供电。
如图图6所示。
图6电源电路
2.2.4各模块方案选择与论证
2.2.4.1低频动率放大模块
1.信号前置放大级
方案一：
采用分立元件组成放大电路。
用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。
该电路的优点是：
共模抑制比高、性价比高。
方案二：
采用集成电路构成。
该电路的优点是：
电压增益易调且高、电路简单。
根据题目要求需要低输入电阻，高增益的前置放大级。
方案一要求的性能相同的小功率三极管电路设计、计算相对复杂。
而方案二具有更大的优越性和灵活性，因此选用方案二。
最终确定采用三极管2N5551搭成的差分放大电路。
2.中间放大级
方案一：
采用分立元件组成多级放大。
用功率小三极管组成多级共射放大电路，性价比好。
方案二：
采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。
根据题目要求，放大器的通频带要宽，放大倍数大。
方案一各放大级如直接耦合，各级的静态工作点相互影响，难以设置；如采用电容耦合，通频带将受影响，放大倍数要达到要求，放大级数多，难以达到要求。
方案二采用集成芯片做一级放大，放大倍数易达到要求，设计易于实现，价比高。
因此选方案二。
3.功率放大级
方案一：
采用集成功率放大电路
集成音频功率放大器在要求不高的情况下可以完全满足普通要求，且电路简单方便，调试方便，体积很小，如TDA2030等，如图图7所示。
但本设计要求不能使用集成功放。
因此无法使用此方案。
图7集成功率放大电路
方案二：
采用甲类功率放大电路
甲类功率放大电路失真度最小，但整体电路效率最低，且功放管散热问题较为严重。
因此一般只用于输入级或者中间级放大，不建议作为整个电路的末级放大。
如图图8所示。
因此在本设计中不采用此方案。
图8甲类功率放大电路
方案三：
采用甲乙类互补对称功率放大电路
甲乙类互补对称功率放大电路是分立元件放大电路中，效率和失真度可以达到较为完美的折中。
虽然存在交越失真，但可以通过给功放管增加适当的偏置电压，可以减少交越失真。
此电路在功率放大电路末级放大中使用最广泛。
如图图9所示。
经过比较，我们决定采用方案三来实现末级功率的放大部分。
图9甲乙类互补对称功率放大电路
2.2.4.2数据采集显示模块
1.测量模块
方案一：
输出电压经分压后用A/D直接采集计算
由于输出电压较大，但A/D的基准电压是5V，所以必须利用分压将电压降到5V以内进行测量。
方案二：
采用小阻值的采样电阻
对小阻值的功率电阻的两端电压差进行采样，但由于电压差太小，我们这里是采用仪用放大电路（三运电路）来进行小信号精密放大。
ADC0809是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。
分辨率8位，转换时间100us，输入电压范围为0至+5V。
增加某些外部电路后，输入模拟电压为5V。
该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无需附加逻辑接口电路。
ADC0809的外围电路相对简单，并且符合设计要求，因此采用此方案。
2、显示模块
根据设计要求，需要显示输出电压、电源供给功率、输出功率和效率。
方案一：
使用液晶屏显示。
液晶显示屏具有低耗电量、无辐射危险，可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。
方案二：
使用传统的数码管显示。
数码管具有低能耗、低损耗、耐老化、防晒防潮、易于维护、操作简单的特点。
本设计要显示的数据较多，方案二要求数码管位数多、硬件焊接繁琐、且显示的数据易混淆。
方案一使硬件电路简单、数据显示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用LCD1602液晶屏显示。
3、按键模块
方案一：
行列式按键
方案二：
独立式按键
独立式按键电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线。
在按键数量较多时，I/O口浪费较大。
故只在按键数量不多时，采用这种按键。
因为本系统只用到4个按键且I/O口够用，所以采用方案二。
2.2.4.3电源模块
方案一：
开关电源
制作一个开关稳压电源，将220V市电经过变压，经整流滤波后供电路使用。
此电源特点是体积小，但电路较为复杂。
但功率开关MOSFET的控制是需要产生几kHz以上及其谐波的震荡频率，此频率容易对音频功率放大器产生严重影响，故在音频放大电路中一般不采用开关稳压电源。
方案二：
线性电源。
同样将220V市电经过变压，经过桥式整流和滤波后再经过7805、7812、7912稳压后输出+5V、+12v、-12V的直流电源。
此电源特点是体积较大，但电路简单，除了50Hz的工频外，一般无其他干扰频率。
在音频放大电路中，电源一般是采用此方案。
因此在本设计中，我们采用此电源方案。
2.2.5各模块的最终方案确定
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
（1）前置放大级：
采用2N551三极管组成的差动放大电路；
（2）中间放大级：
采用OP07运算放大器搭设的比例放大电路；
（3）功率放大级：
采用HITAHI的2SK1058和2SJ162对管做的甲乙类推挽放大电路；
（4）测量模块：
A/D采集数据、单片机控制；
（5）显示模块：
LCD1602液晶显示；
（6）按键模块：
独立式按键
（7）电源模块路：
线性电源。
2.3电路的理论计算
（1）求输出最小电压
根据题意，输出功率
，负载
则
故
（2）求放大器最小放大倍数
根据题意，输入最小电压为5mv，则
根据如上的分析和计算，我们可以知道该电路的设计总的电压放大倍数必须大于1260倍，所以我们采取了两级的电压放大。
前置放大级采用差动放大电路，中间放大级采用运算放大器搭设的比例放大电路，两级的放大倍数相乘可达到该设计电路的要求，而末级最主要是功率放大。
3系统结构方框图
图10系统结构方框图
4系统软件设计
4.1测量显示模块软件设计流程图
测量显示模块软件设计流程图如图图11所示
图11主流程图
5系统测试与调试
5.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表1所示。
表1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
1
YB1602信号发生器
1
2
DS1022C双踪示波器
1
3
UNI-T数字万用表
1
5.2放大倍数的测试
放大倍数测量：
使用信号发生器接输入端，用示波器测出最后一级的输出电压
，根据公式
（
。
测试数据如表2所示。
表2放大倍数的测定
输入信号
前置放大级电压放大倍数
中间级电压放大倍数
总电压放大倍数
输出电压
输出功率
5mv
8
55
440
2V
0.25W
15mv
10
51
510
6.6V
2.75W
30mv
10
47
470
12.5V
9.75W
40mv
9.9
44.7
445
15V
14.1W
5.3输入电阻的测试
测试方法：
给系统输入端加不同的直流电压，分别测输入电流，按
计算输出电阻。
测试数据如表3所示。
表3输入电阻的测定
输入直流电压
输入直流电流
输入电阻
5V
8mA
625
9V
14mA
643
12V
198mA
606
5.4通频带的测试
根据通频带的定义，放大倍数下降到0.7
时的低端频率和高端频率范围称为放大电路通频带。
即：
。
测试方法：
输入一个正弦波，改变频率，测量输出电压，按
计算放大倍数。
测试数据如表4所示。
表4通频带的测试
输入信号峰值
信号频率
下限频率
上限频率
通频带
15mv
1KHz
3Hz
3KHz
2997Hz
30mv
1Kz
3Hz
2.7KHz
2697HZ
40mv
1KHz
3Hz
2.2Hz
2197Hz
5.5低频功率放大器的测试
电源供给的功率按公式
计算，输出功率按公式
计算，效率按公式
。
为最大不失真输出信号的峰值。
测试结果如表5所示。
表5低频放大器效率测试
供给直流电源电压
电源供给功率
45.9W
31.8W
25.8W
实际测量输出功率
16W
17W
18W
测量效率
34.9%
53.5%
69.8%
6结论与展望
6.1结论
低频功率放大器可以实现以下功能：
（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时（即峰峰值为7mv时，）在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率为0.25W，输出波形无明显失真。
（2）通频带为3Hz～3kHz。
（3）输入电阻为600Ω左右。
（4）功率放大器的整机效率尽量提高。
（5）具有测量并显示低频功率放大器输出功率（正弦信号输入时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。
6.2展望
由于时间和条件的限制，本系统也存在一些不足之处，可在今后的工作中改进。
（1）当输入信号为5mv时，输出功率无法达到要求的大于等于5W；
（2）通频带太窄；
（3）输出信号由过电阻分压后经二极管检波后的信号太小，导致A/D无法采集到；
（4）0.1
的功率电阻两端的电压差经过仪用放大器放大后，信号还是太小，导致A/D无法采集。
致谢
通过这低频功率放大器的制作，我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。
根本不知道在现实中还存在有很多问题。
设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。
所以，一开始，我遇到了很多麻烦。
通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。
这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。
设计电路，还要考虑到它的前因后果。
什么功能需要什么电路来实现。
另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。
这样，也提高了我的分析问题的能力。
原来，我们学习的电路只是一个理论知识，通过这次毕业设计，使我的理论知识上升到了一个实践的过程。
同时在实践中也加深了我们对理论知识的理解。
另外，这次低频功率放大器的制作不仅使我的模电知识有一个很大的提高，而且还使我学到了许多其他方面的知识。
总之，通过这次设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识，而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。
使我的综合能力有了一个很大的提高。
所以，在这里，我非常感谢各位老师的耐心辅导以及同学们的热心帮助。
我忠心的感谢各位老师，你们辛苦了！
附录
附录一低频功率放大电路
附录二系统原理图
参考文献
[1]王建校等，《51系列单片机原理及C语言程序设计》．科学出版社，2002年4月．
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清华大学出版社，1996年7月．
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[11]Huelsman,L.P.Badic《CircuitTheory（2ndedition）.Prentice-Hall,》
[12]uelsman,L.P.Badic《CircuitTheory（2ndedition）.Prentice-Hall,》
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