实用低频功率放大器毕业设计

河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文1河南机电高等专科学校毕 业 设 计 论 文论文题目： 实用低频功率放大器系 部： 电子通信工程系 专 业： 通信技术 班 级： 2004 级 041 班学生姓名： 陈申 学 号： 0445102 指导教师： 董蕴华 2007 年 6 月 10 日摘要本论文主要介绍了自顶向下设计制作实用低频功率放大器方法，采用分低频功率放大器、波形变换电路、支流稳压电源电路三个独立功能模块的措施来实现河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文2各技术指标，分析讨论制定的各个方案、选择最优方案。此外还介绍了波形变换电路和稳压电源电路的目的、功能及技术要求。针对具体自顶向下的设计特点，首要重点是运用概念，即抽象的区描述和分析设计对象，后考虑实现该设计的具体电路、元器件和工艺。本设计题目按题意由三个功能块电路组成：低频功率放大器（包括前置放大器和功率输立放大器） 、波形变换电路、直流稳压供电电路等。如何实现题目中要求的指标，关键在于对两级放大器的设计和制作。波形变换电路的目的是将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号电压，用来测试放大器的时域特性指标。稳压电源的功能是给功放电路和变换电路等提供稳定的直流电源。关键词 低频 功率放大器 设计制作ABSTRACTAbstract This paper introduces a top-down design of the production of low-frequency power amplifier practical method adopt a low-frequency power amplifier, 河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文3waveform conversion circuits, Regulators tributaries power circuit three independent modules of measures to achieve the technical indicators, discussed the development of the various options, choose the best programs. It also introduced the waveform conversion circuit and power supply circuit purpose, function and technical requirements. Specific top-down design features, the primary focus is to use the notion that the district abstract description and analysis design objects, After the consideration of the design of specific circuits, components and technology.Design by the topic that Italy by three functional block circuit : Low-frequency power amplifier (including the preamplifier and power amplifier lose up), the waveform conversion circuits, DC power supply circuit. How to achieve the requirements of the title indicators, the key lies in the two amplifier design and production. Waveform Converter is designed to transform sinusoidal signal voltage requirements into the square wave signal voltage, Amplifiers used to test the time-domain indexes. Regulators power function is to transform power amplifier circuit and the circuit to provide a stable DC power supply. Keywords: Low Frequency Power Amplifier Design 河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文4绪论当前，无论是广播界还是电视界都在为全面数字化而努力着。而谈到音频数字化时，都只在数字录音机和数字调音台方面打转转。然而，一个完全不符合数字化时代的、很不环保的器材却是人们并不注意的音频功率放大器。这类放大器在广播电台、电视台、电影制片厂、录音公司、音乐厅、重要社会活动场所、体育运动场馆、文艺演出场所、会堂、会议厅等等场合作为监听和扩声之用，这些都是需要大量专业级音频设备的地方。而现在的功率放大器，如果是甲乙类，其转换效率一般都只在 50%以下，如果是纯甲类放大器，效率就更低。为了散热，需要巨大的散热片、热管和风扇。为了保证气流畅通，机器里面要留出充分的空间。这些无疑又增加了设备的体积、重量和能耗。可是，数字化并没有涉及这个领域，这的确是个盲点。放大器一般由放大电路、反馈电路、供电电路、滤波网络和功率放大等组成，其性能主要取决与前置放大和功率放大的优良，效率与失真度主要取决于电路形式。目前汽车、手机、MP3 等受电源限制的电器用品，基本上都采用 D 类或者丙类数字功率放大器。虽然因失真导致保真度不够卓越，但其以 90%以上的高效率而牢牢的占据着市场。但是在家庭影院及大型音乐演奏会这些电源能量条件比较充足的场所，还大多采用着效率在 50%一下的甲类、甲乙类、乙类等保真度优越的电路形式。我们知道电信号的放大器至今仍是模拟放大器占统治地位，它包括正弦波信号的线性放大器和脉冲信号的脉冲放大器。后者尽管不是线性放大器，但仍然属于模拟领域，这是电子学的基本常识。的确，可能许多人不清楚这个事实，就是无线电技术就是从脉冲技术开始的，而不是线性技术。当俄国的波波夫开始发现电极打火产生的电磁信号可以传播很远，这就是脉冲信号和无线电电子学的开端。拿现代某些人的时髦用语来说，波波夫不就成了 0 和 1 的纯“数字” 技术创始人。推理下去也不就可以说无线电电子学是从数字技术开始的。定义么，本来就是人类自己想出来的。我想，如果一开始人们就称煤球为白，粉笔为黑，几千年下来大概也不会有什么异议。 虽然现在数字功放，及许多集成功放芯片有较多应用，但其起数字功放还不够成熟、集成功放芯片参数的不可整性等等因素而采用原始的分离元件电路。通常，前置放大器采用集成运放设计较理想，因为外围元件较少，设计较为简单。本设计就前级就是采用两级集成运放电路形式。而后级功率放大电路则由于集成功放芯片的参数设计灵活性问题采用分离元件电路设计方式。目前，在专业单位里，功率放大器绝大多数是国外品牌机。我国的广播器材厂应该抓住这一大好时机，乘“数字放大器”的东风，为我国的广播电视事业做出新贡献。做 OEM 也不乏是个好主意。Dolby、DTS、桑塔拿、别克、Windows 不都是人家的吗？我们只要尊重知识产权，不搞盗版，不搞仿冒，有什么见不得人的。中国理应能开发出自己的数字放大器（或功率型数模转换器），我只是希望这个新概念产品的参与者能抱着科学的态度，实实在在地造出技术指标最好、声河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文5音最佳、效率最高、性价比最好、最为可靠，符合专业使用的产品。让音频放大器这个被人遗忘的领域也能迅速进入数字化的轨道。河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文6第 1 章 项目背景 功放的发展和类别近代音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1.1 低频功率放大器的发展历史1906 年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927 年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，至 50 年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。 60 年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。在 60 年代初，美国首先推出音响技术中的新成员-集成电路，到了 70 年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。 70 年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达 90dB、THD0.2 =3w( 为最大OPM输出功率，并假设 OMP=15W)、月）30、 f20。为减少失真，输出级采用甲乙类工作状态，图 2 . 12 中的 T8 、Rl0、Rw 、是为消除交叉失真而加的甲乙类偏置电路。交流状态下流过 Tl1、T13 的交流电流最大峰值，即为流过负载的最大峰值 。 可用如下关系式估算LMI河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文22ARPILOML 94.1852因此，要求大功率管 Tl1、T13 的 。甲乙类工作的两管偏置电流IC可选取为 50Ma，则 R14 和 R15 上的压降为 V。相对13、CQI 025.5.0RV于偏置电压 VcE8 来讲 VR 可以不计，则 T8 的 VcE8 可估算为 3x0.7=2.1V，因为其中 =0.7V，8BEV8108)(BEWceRV并取 ，由上式求得 。可选取KR120 K42)3(的可调电阻。W6.5题目中低频功放总增益为 GV=68dB，已经设计前置放大级增益为 50dB，若考虑留有一定余量则本级功放增益可设计成 28dB，即 25 倍左右。若取R9=R1=2.2k 不难计算得 R13=53k，可取 R13=5lk。电路按图中元件值装配好后，只须调整 RW 使输出静态电流在 60 mA 左右，就可正常工作。这样，电路装配调试极为方便，就能节省了大量时间，减小难度。河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文23第五章 波形变换电路和稳压电源设计5.1 波形变换电路设计在发挥部分提出了测试放大器的时间响应的要求，因此要求设计者自行设计一个波形变换电路。由正弦信号经该变换电路产生一个满足中指标要求的正、负极性对称的方波，作为测试信号。任务书中所提出的脉冲波形的参数一上升时间 tr、下降时间 tf，以及顶部斜降 和波形过冲量 a 等，可以用如图 2.9 所示的脉冲波形图来定义参阅康华光主编的 电子技术基础 “模拟部分” （第四版） ，高等教育出版社 1999 年6 月版，顾德仁等编的脉冲与数字电路) ，人民教育出版社 1979 年 7 月版图 5.1 波形变换电路图 5.1 中脉冲上升时间 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 0.1Vm 上升到 0.9Vm 的时间为 tr,由 0.9Vm 下降到 0.1Vm 的时河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文24间为 tf。由频谱特性可知，脉冲前后沿越陡，tr 和 tf 越小，则其频谱所占的带宽愈宽。如果要一个网络不失真地传输这个脉冲，它就必须要有足够的带宽。理论析和实践证明，脉冲的 tr 或 tf 与带宽 Bw 的关系可近似地表示为trBW=0.350.45式中如果脉冲的过冲量。较小（例如 a5%)，则 trBW0.35。a5时，trBW0.45。过冲量 a 可定义为脉冲过冲幅值 Vs 与脉冲幅值 Vm 之差和脉冲幅值的比的百分数，即 %10msVa如图 5.1 中所示,a 也与 Bw 有关，Bw 越大 a 越小。由上述分析可知，为尽可能降低上升、下降时间 tr、tf,以及过冲量 a，必须选用频带足够宽的放大器来进行波形变换。脉冲波形的顶部斜降占和波形的低频特性有关，可以用下式表示 mpLVtf2式中 tp。为脉冲宽度，通常用 0.5Vm 处的脉冲时间表示，fL 为系统的低频下限频率。一般集成运放的人可以到直流，所以用集成运放构成波形变换电路时，可做得很小。波形变换电路可采用施密特触发器电路，即电压比较器结构，如图 5.2 所示。图中集成运放可采用转换速率 sR10V/s，增益带宽积 GBW10 MHz 的运放芯片。例如 LF357、OP-16、OP-37、NE5534 等。河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文25图.5.2 波形变换电路电路接成迟滞电压比较器结构，为保证输出方波幅度稳定，输出接二只稳压二极管 Dl 、D2 稳定电压值 Vz=3V。R4 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，它可以进一步减少方波脉冲上升和下降时间。图 5.2 波形变换电路假设迟滞比较器的迟滞宽度V =0.7V，则R3 可用下式来确定 KRVZ 71.50)7.32()12(3取 R3=75k。该电路若采用 LF357 集成运放，输出方波的上升和下降时间可做到小于0.5S。调节 Rw 输出幅度可调节到 200mv，就满足了题目中指标要求。5.2 稳压电源设计前面讨论已经指出，末级 ocL 功放要求直流供电电源为价 Vcc15V，而前置放大级和皮形变换电路的集成运放供电均为 Vcc12V。因此，直流稳压电源只需设计成15V 的稳定直流输出电源就可以了。输出电流末级为 2A 左右，而前置级和变换电路则电流很小，考虑 100mA 就足够了。可见，考虑了余量，稳压电源输出直流电流设计在 2.2A 就足足有余了。稳压电源电路方案应在满足上述性能要求的条件下尽可能简单些。电源交流输人变压器采用次级绕组为 2.5A、2xl8V 交流输出的交流变压器，整流电路采用河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文2650V /3A 的桥式整流块，经滤波电容滤除杂波后送人集成三端稳压块 LM7815 和LM7915 稳压输出15V。电路结构如图 5.3 中所示。图 5.3 稳压电源电路图中三端稳压集成块 LM7815 和 LM7915 均为 2.5A 的可带散热片的金属壳封装的集成电路块。二极管 DlD4 为稳压块的保护二极管，是为防止输人或输出突然开路而加的放电通路。输出的15V、2.2A 直流电源供给功放电路级。经 Rl、R2 、D5、D6 后输出的12V 、120mA 电源供给前置放大级和波形变换电路，D5、D6 为 12V 稳压二极管。电路装配时，大电流的地线应尽量粗而短，以减少损耗和避免寄生藕合。5.3 保护电路为防止功放电路在开、关电源时，因瞬间电压建立不平衡而引起的瞬间电冲击损坏负载和功放电路，必须考虑设计一个保护电路。图 5.4 所示为低功放功率放大级的功率保护电路，该电路还具有开、关延迟保护功能。图中继电器 J1、J2 控制功率放大级15V 电源的开和关（即接通与断开）。开关延迟时间 ts 由 R3 和 C2 决定，即 SCRts 79.310216323 河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文27图 5.4 功率保护电路保护电路工作过程如下：电源刚接通时，T1 截止、C2 两端无压降，因而 T2 导通、T3 截止，J1、J2 断开，15V 不给功率级供电。这时 12V 电源通过 R3 向 C2充电，充电结果迫使 T2 截止、T3 导通，J1、J2 继电器吸合15V 向功率级供电。从电源刚接通到15V 向功率级供电延迟 3.79s 。若功率输出过载，即输出平均电压值超过保护设定值。则通过 R1、Rw，分压后使二极管 D1 导通，从而促使三极管 Tl、T2 导通（C2 通过 T1 放电） ，T3 截止，J1、J2 继电器释放15V 停止对功率级供电，起到保护作用。输出电平降低后，Dl 截止，Tl 也截止。12V 电源通过 R2 重新向 C2 充电，迫使 T2 截止、T3 导通，继电器 J1、J2 重新吸合， 15V 重新向功率级供电，使输出级恢复正常工作。第六章 指标测试方法测试仪器：低频信号发生器、晶体管毫伏表、20MHz 双踪示波器、失真度测量仪、电流表等。6.1 低功放输人、输出电阻测量（1） 输入电阻的测量。方法：测量框图如图 6.1（a）中所示。将低频信号发生器对功放渝入 f=1 kHz 的正弦信号，并在输人端先串人一个电阻 Rs （阻值应为精确的） 。用毫伏表测出 Vs 和 Vi,因为 Vi 由 Vs 经 Rs 和 Ri、分压而得，所以有河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文28图 6.1 输入、输出电阻测量 siSiRV若测得 Vs100mv，Vi= 51.7 mv ，且 Rs= 20k，则由上式可计算得 Ri = 16 . 68 k 。（2）输出电阻的测量。方法：测量框图如图 6.1（b）所示。用低频信号发生器给功放输入 f = 1kHz 的正弦信号，然后测输出空载和有载时的输出电压：VO1、VO2，和有载时的输出电流 IO2，则输出电阻为 SoORvR21若测得 = 3V 、 = 2.98v, RL =8 。则计算得 RO0.054。1ov2ov6.2 输出功率的测量 最大输出功率 Pomax 的测量。方法：输入 f=1kHz 的正弦信号，在输出波形失真系数 3 的情况下，测出输出负载 RL=8 上的最大电压幅度 则最大maxov输出功率为 LoOMAXRvPmax2河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文29若在监视失真极小，0.03%，测得 =13.5V，RL =8，则计算得 PoMAX maxov= 22.78W。 噪声功率的测量。方法：将低功放输人端短路，用毫伏表测出输出负载上交流噪声电压有效值 Vn，则噪声功率为 LnRvP2若测得：Vn2.2mV；则计算得 Wn61.06.3 效率的测量方法：在不失真（0.3 ）最大输出功率情况下，测出流进15v 电源的电流 Icc ，计算电源供给功率 。则效率为CDMVIP2DMOAXm调整电路或调节输人信号电压，使不失真输出功率 Por =10W ，测出电源电流Ioc，则 ,效率为CDIVP2DMORP若 时测得 ，则 。Por =10W 时，测得WPOMAX78.2AIC25.1%7.60m则 =60.6%,50IC6.4 频响的测量方法：保持输入 不变，改变信号频率，测出不同频率点的输出电压值。mV51并记录列表，观察表中电压值下降 0.707 倍的频率范围即为低功放的带宽 BW。一般 BW=5Hz50Hzs hen 容易做到的。6.5 失真系数 的及发挥部分的时间响应测量方法：在额定输出功率下，直接用失真度测量仪测量。时间响应测量（发挥部分）河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文30输入 f=1KHz 的正弦波给波形变换电路，变换电路输出 、重复频mVP20率为 1KHz 的方波。用双踪示波器（扫描时间 5s/div）观察功放输出方波的上升时间和下降时间。再将双综示波器的幅度置于 1V/div,观察功放输出方波的顶部斜降和波形过冲量。一般情况下（即按上述设计的电路）波形变换电路输出方波的上升和下降时间均应小于 1s，而功放输出的方波上升时间和下降时间均应小于 10s，方波波形顶部斜降应小于 0.1%，而且无过冲，即便有过冲量，也小于 0.05%。第七章 展望几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用。说不清是放大器的发展决定了电子产品的发展进程还是电子产品的发展需求推动了放大器的发展空间,从电子产品的发展需求和放大器的发展趋势分析中我们或许可以寻找到答案。 运算放大器历经数十年的发展,从早期的真空管演变为现在的集成电路,根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 毕 业 设 计 /论 文31类运放产品。一般而言,高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品;低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA 等以电池供电的便携式电子产品;高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。通用运算放大器应用最广,几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用的兴起,为运算放大器提供了活跃的舞台,同时也对其提出新的技术要求。未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一,便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长;其二,高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器;其三,由于性能和价格压力持续上扬,因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。测试和测量、通信、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力;DSL 和消费类视频应用是最大的市场,而且未来将继续此趋势。其中,DSL 运放的增长点主要在于线路驱动器。而整合了滤波、多路技术以及 DC 恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。从应用的角度讲,不同的系统对运放有不同要求,选择合适的运放对于系统设计至关重要。对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用,交流特性极为重要。但对于低速的高精度系统,直流方面的特性则通常更为重要。衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等;而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。 总体来说发展趋势可概括可归纳如下五点： 1. 需要精密运算放大器的应用正在增长,特别是在汽车市场中。 2. 与此同时,失调、噪声和温度系数正在进一步改善之中。 3. 与以前的放大器相比,最新的放大器对于布局的要求更低。 4. PCB 板上可以仅有一个电源电压轨吗？这是可以的。