低频功率放大器设计.docx
《低频功率放大器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低频功率放大器设计.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
低频功率放大器设计
低频功率放大器设计
组号：
8B组员：
郑宜嘉王菊菊孙文强
摘要：
低频功率放大器主要应用于对音频信号的功率放大，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、内容和实现过程。
整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路共五部分构成。
该低频功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用，其输出带宽、功率、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性，为低频功率放大器的设计提供了广阔的思路。
关键字：
低频集成运放功率放大波形变换
一.任务:
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器.
2.技术指标:
基本要求：
⑴设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器.在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5～700mV,等效负载电阻RL为8Ω下,放大通道应满足:
①额定输出功率POR≥10W;
②带宽BW≥（50～10000）Hz;
③在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%;
④在POR下的效率≥55%.;
⑤在前置放大级输入端交流短接到地时,RL=8Ω上的交流声功率≤10
⑵自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
3、系统设计方案：
1、系统主要由前置放大级、功率放大级、波形变换电路和稳压电源电路4部分组成
2、
8Ω负载
功率输出放大
弱信号前置放大
系统框图：
弱信号输入
输入缓冲
保护电路
自制稳压电源
波形转换电路
弱信号一级放大
其中前置放大级完成弱信号的电压放大，功率输出放大级完成弱信号的电压和电流放大，保护电路保护功率放大部分防止输出功率过大，直流稳压电源部分为整个功放电路提供电量，波形转换电路完成正弦波到方波的转换，方波中含有丰富的高次谐波分量，通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标。
4、模块设计方案：
1、前置放大：
方案一：
采用集成运算放大器构成前置放大电路
设计前置放大电路的可供选用的集成运算放大器由很多，如NationalSemiconductor公司的LF347/356/357，PrecisionMonolithics公司的OP16/37，Signetics公司的NE5532/5534等。
具有带宽高，电压增益高，转换速率快，噪声低和电流消耗低等优点。
方案二：
采用专用前置放大器IC构成前置放大电路
目前有很多性能优越的专用低频前置放大器IC，如日本夏普公司的IR3R18/16，NEC公司的Μpc1228H，富士通公司的MB3105/06。
其频带BW均能达到30Hz—20KHz，增益高，失真系数小。
综合比较，方案二的设计效果优于方案一，但是专用前置放大器IC价格比较贵，而且采购不便，而集成运放价格便宜，性能高，能够满足题目放大要求，因此采用方案一。
2、功率放大：
方案一：
采用分立元件构成低频功率放大器电路
分立元件构成的低频功率放大器电路可分为输入级、功率激励级和OCL输出级三部分。
输入级采用双管差分放大器使电路工作稳定，功率激励级采用互补复合管推挽输出电路来提高线性放大及降低波形失真，而输出级采用直接耦合形式确保电路的低频响应。
这种方案的优点在于反馈深度易控制，故放大倍数易控制。
且失真度可以做到很小，使音质很纯净。
但外围元器件较多，调试要困难很多。
方案二：
采用集成运放构成低频功率放大器电路
采用集成运放LM1875构成低频功率放大器电路。
LM1875是一款功率放大集成块，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。
该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。
综合比较，方案一电路复杂，调试难度非常大，而方案二电路简单，易于调试。
因此，采用方案二。
3、波形转换电路：
方案一：
利用运放的正反馈作用，使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡，利用稳压管将电压稳定在3V左右，然后利用电阻分压得到要求的正负对称的峰--峰值为200mV的方波信号。
方案二：
采用施密特触发器电路
施密特触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲。
同时，施密特触发器还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力。
施密特触发器可以用集成运放搭接而成，利用电阻分压得到要求的正负对称的峰--峰值为200mV的方波信号。
综合比较两种方案，施密特触发器的转换精度更高，因此采用方案二。
五、电路参数计算和元器件的选择：
1.增益分配：
由于系统要求输出额定功率不小于10w，同时，输出负载为8Ω，则
=
=
=8.95V．故
＞
＞12.6V
系统的最大增益为：
=20lg（8.95／0.005）≈65dB．
系统的最小增益为：
=20lg（8.95／0.7）≈22dB．
则需整个放大电路的增益应在22dB～65dB范围内可调．为保证放大器性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在20-40dB（放大倍数10～100倍）之间．故整个放大器增益需通过三级放大实现。
为方便增益调整，可使功放级的增益固定，且必须小于65dB，故其增益取为21dB．则前置级需要两级放大，且其总增益应在1～45dB之间可调。
2.前置放大器的参数设计：
由于从信号源输出的小信号非常微弱,只有经过放大之后,这种信号才能激励功率放大器,且由上述分析可知前置放大级由两级组成。
故在前置放大级中采用低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532。
为了提高前置放大器电路的输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，采用集成运算放大器构成前置放大电路必须采用同相放大电路结构，为尽可能保证不失真放大，电路采用两级运算放大器电路A1和A2。
由上分析，两级前置放大器的增益安排在50dB左右，每级25dB左右，以保证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽要求。
电路采用两级NE5532（A和B）构成，各级均采用固定增益加输出衰减组成，当输入Vin,p-p=5mV时，输出Vo,p-p≥2.53V。
对于第一级放大器，要求在信号最强时，输出不失真，即在Vin,p-p=700mV时，输出Vom≤11V。
所以
A1=Vom/Vin,p=11÷0.7=15.7
取A1=15。
当输入信号最小，即Vin,p-p=10mV而输出不衰减时
Vo1,p-p=A1·Vin,p-p=15×10=150mV
第二级放大要求输出Vo2,p-p≥2.53V，输入信号最小为150mV，则第二级放大倍数为
A2=Vo2,p-p/Vo1,p-p=2.53÷0.15=17
取A2=20。
因此取R4=1KΩ，R2=15KΩ，R6=20KΩ，R5=1KΩ。
电路如图所示：
3.功率放大级的参数设计：
在上述分析过程中，功放级的增益设为固定值21dB。
因此在以LM1875为核心元件的电路中，R15取20K，R14取2k。
使得功放级的放大倍数为：
Au=1+R15／R14=11
因此功放级的增益为20lg11≈21dB。
考虑到前置放大第二级中如果RP1不是处在最大的衰减位置，而输入信号又比较大，则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率，很有可能烧坏功率放大器。
因此前置放大第二级的输出端接47K电位器实现对输入功放信号的衰减，以此来保护功放电路。
LM1875功放电路的特点：
①.开环增益可达90dB。
②.极低的失真，1kHz，20W时失真仅为0.015%。
③AC和DC短路保护电路。
④.超温保护电路。
⑤峰值电流高达4A。
⑥.极宽的工作电压范围（16-60V）。
⑦内置输出保护二极管。
⑧外接元件非常少，TO-220封装。
⑨.输出功率大，Po=20W（RL=4Ω）。
电路如图所示：
电路中，R3、R4组成反馈网络，C6为直流负反馈电容；R2为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声；C1为信号耦合电容，R5和C7组成输出退耦电路，防止功放产生高频自激，C2、C3、C4、C5是电源退耦电容，电源电压采用±15V。
4、波形转换极电路参数：
波形转换电路采用施密特触发器电路，即迟滞电压比较器结构
集成运放采用转换速率SR>10V/us，增益带宽积GBW>10MHz得LF357。
为保证输出方波幅度稳定输出，使用两个稳压二极管D1、D2，稳定电压值Vz=±3V，则迟滞比较器的门限电压
Vt=R2·Vz/（R1+R2）≈±330mV
当输入电压Vin由零向正方向增加到接近Vp=330mV前，输出Vo一直保持Vo=3V不变。
当Vin增加到略大于Vp=330mV，则Vo由Vo=3V下跳到Vo=-3V，同时使Vp下跳到Vp=-330mV，Vin再增加，Vo保持Vo=-3V不变；若减小Vin，只要Vin>Vp=-330mV，则Vo将始终保持Vo=-3V不变，只有当VinR4为稳压二极管的限流电阻，把流过D1、D2的电流限定在6mA左右。
C1、C2为脉冲加速电容，可以进一步减少方波脉冲上升时间和下降时间。
调节输出端电位器可将峰--峰值调为200mV。
由于输入信号非常弱，而弱信号直接输入施密特触发器中并不能转换输出，必须要先经过一级或多级放大，再进行转换。
采用集成运放NE5532B构成反向
由于波形转换电路中迟滞比较器的门限电压为±330mV，输入信号幅值最小为5mV，所以放大倍数应为A=330/5=66，使用电位器使电压增益可调。
电路如图所示：
5、缓冲电路设计
为保证信号输入放大稳定，需在输入级加上一个缓冲电路，电路结构其实就是一个电压跟随器，集成运放采用NE5532A，输入加上耦合电容。
电路如图所示：
6、保护电路设计
开机时，电源接通，功率放大器加上电，但因继电器未吸合，功率放大器无输出。
这样就可防止功率放大器在上电瞬间因电压建立不平衡而引起的开机冲击损坏负载和功放。
若输出过载，电路可以有效保护功率放大器。
7、稳压电源电路设计
系统需要电源提供±15V、±12V、±5V的电压，采用传统的电源制作电路，先由变压器降压，再经电桥整流，滤波，最后通过三端稳压器7815、7915、7805和7905输出稳定电压。
功率放大模块采用独立电源供电，因为对功率有要求，所以选择大功率变压器，采用可调式三端集成稳压器LM317和LM337。
电路如图：
6、系统测试
1、测试仪器
序号
仪器名称
仪器规格
数量
备注
1
数字示波器
TDS2012C044955
1
泰克科技（中国）有限公司
2
函数信号发生器
1
3
线性失真仪
1
4
万用表
DT9205A+
1
山创/H.NEYTEK
函数信号发生器用以提供5~700mV的正弦信号外部输入，三通道泰勒示波器用以检测波形及其相关参数，万用表作为辅助工具。
2、测试方法及数据记录与处理
正弦信号输入电压幅度为5~700mV，等效负载电阻RL=8Ω。
（1）输入正弦信号幅值为240mV时，输出功率
输出正弦信号幅值为Vom=26.2V，则输出功率
Por=Vom·Vom/RL/2=13.1×13.1÷8÷2=10.72W
（2）带宽BW
通过函数信号发生器和泰勒示波器测试，带宽BW能50Hz~10KHz。
（3）Por≥10W和BW内，非线性失真系数r
由放大电路的非线性特性引起的失真称为非线性失真，用非线性失真系数r来衡量。
这里直接采用失真仪来测量非线性失真系数，测得输入信号的非线性失真系数为3.4%，输出信号的非线性失真系数为4.5%，所以实际的非线性失真系数为4.5%－3.4%=1.1%。
（4）效率η
用万用表测得电源带负载输出电压为U=18.06V，输出电流为I=1.01A，所以电源输出功率
Pv=U·I=18.06×1.01=18.24W
效率为
η=（Por/Pv）×100%=（10.72÷18.24）×100%≈56.3%
（5）前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率
前置放大级输入端交流短接到地时，负载上实测电压幅值Uom1=50mV，则交流声功率为
P=Uom1·Uom1/8/2=50×10-3×50×10-3÷8÷2=0.156mW
发挥部分测试：
用频率为1KHz，上升时间为635us和下降时间为630us、峰--峰值电压为200mVp-p方波激励放大通道，负载RL=8Ω。
（1）额定输出功率Por
输出正弦信号幅值为Vom=10.5V，则输出功率
Por=Vom·Vom/RL/2=10.5×10.5÷8÷2=6.89W
（2）输出功率Por下输出波形上升和下降时间
脉冲波形的上升时间tR和下降时间tF是以脉冲幅度的10%~90%的时间为测量点的，即从0.1Vom上升到0.9Vom的时间为tR，从0.9Vom下降到0.1Vom的时间为tF。
通过示波器测试观察得到，上升时间为1.34us和下降时间为1.26us。
（3）顶部斜降
脉冲波形的顶部斜降和波形的低频特性有关，可表示为
δ=2πfL·tp·Vom
式中，tp为脉冲斜降宽度，用0.5Vom处的脉冲时间表示，fL为系统的低频下限频率。
实测Vom=10.5V，tp=1.34us，fL=50Hz，则顶部斜降为
δ=2π×50×1.34×10-6×10.5×100%=0.4418%
（4）过冲量
过冲量可定义为脉冲过冲幅值Vos与脉冲幅值Vom之差和脉冲幅值的比的百分数，即过冲量
α=（Vs－Vm）/Vm×100%
用示波器测得过冲幅值Vos=13V，则过冲量为
α=（13－10.5）÷10.5×100%≈23.3%
将所测量和计算得到的数据与指标要求对比如下表6.2.1所示。
表6.2.1测试指标对比表
项目
测试对象
要求指标
实测指标
正弦波输入
额定输出功率（Por／W）
≥10
10.72
带宽（BW／Hz）
50～10000
50～10000
非线性失真系数γ
≤3％
1.1%
Por下的效率η
≥55％
56.3%
输出交流声功率（P／mW）
≤10
0.156
转换后的方波信号波形
上升时间（tR／μs）
≤1
635
下降时间（tF／μs）
≤1
630
峰—峰值电压（Vp-p／V）
＝200
21.0
方波输入放大通道后输出波形
输出功率（Por／W）
≥10
6.89
上升时间（tR／μs）
≤12
1.34
下降时间（tF／μs）
≤12
1.26
顶部斜降
≤2％
0.4418%
过冲量
≤5％
23.3%
七、总结
通过几天的设计和制作，基本完成制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器，在放大通道的正弦信号输入电压幅度为50~700mV，等效负载电阻RL为8Ω下，输出功率Por、带宽BW均可满足要求；在Por下和BW内的非线性失真系数和效率均能达到指标；在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。
能够产生正、负极性对称，频率为1KHz，上升和下降时间≤1us、峰--峰值电压为200mV的方波。
但是当用上述方波激励放大通道时，在8Ω负载下，额定输出功率达不到指标要求，输出功率Por下输出波形上升、下降时间和顶部斜降能满足要求，但是过冲量没能达到指标。
八、参考文献
【1】康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社，2009
【2】康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）.高等教育出版社，2009
【3】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京航空航天大学出版社，2006
升级会员 