低频功率放大器毕业设计

毕业设计论文题目低频功率放大器设计者1负责任务调试专业班级/学号07应电（4）班设计者2负责任务专业班级/学号07应电（4）班设计者3负责任务专业班级/学号07应电（4）班指导教师答辩时间2010年4月17日摘要在本次的设计中，经过多种方案的比较，最终前置放大级采用三极管2N5551搭成的差分放大电路，中间放大级采用中间级采用OP07运算放大器搭设的比例放大电路，功率放大级用HITAHI的2SK1058和2SJ162对管做的甲乙类推挽放大电路。功率显示测量电路主要由AT89S52单片机及外围电路、键盘电路等组成。单片机接收检测电路传输来的信号并且计算，经过A/D转换后将功率和效率的值显示在液晶LCD1602上。目录第一部分引言4第二部分低频功率放大器概述421低频功率放大器的基本要求422低频功率放大器的分类523功率放大电路的主要特点7第三部分低频功率放大器的设计731本设计的要求和内容732系统总体设计方案8321设计思路8322各模块方案选择和论证9323各模块的最终方案确定13324理论分析与计算1333系统电路设计14331低频功率放大模块14332数据采集显示模块17333电源模块1834系统软件设计19341测量显示模块软件设计流程图1935系统调试20351测试仪器20352指标的测试213521放大倍数的测试213522输入电阻的测试213523通频带的测试223524低频放大器效率的测试2236结论22第四部分总结与体会23第五部分附件24第一部分引言在模拟电子线路中信号经过放大后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例如推动喇叭发出声音，推动继电器实现控制等等。这些执行机构是把电能转换成其他形式能量的器件，他们正常工作需要从电路中获取较大的能量。所以放大电路的末级多有功率放大器组成，以便为负载提供足够的信号功率。本次毕业设计就是低频功率放大器。随着现代社会电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，电子技术课程设计的进行使我们有了这个非常重要的机会，通过这种综合性训练，要求我们达到以下目的和要求1、结合课程中所学到的理论知识，独立设计方案。2、学会查阅相关手册于资料，通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析于解决问题的能力。这次毕业设计是对我们所学习的专业知识的一次实际应用,进一步对我们所学知识的提高。第二部分低频功率放大器概述21低频功率放大器的基本要求功率放大器和电压放大器是有区别的，电压放大器的主要任务是把微弱的信号进行电压放大，一般输入及输出的电压的电流都比较小，是小信号放大器。它消耗能量少，信号失真小，输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器。它消耗能量多，信号容易失真，输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求1具有足够大的输出功率为了得到足够大的输出功率，三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。2效率要高功率放大器是利用晶体管的电流控制作用，把电源的直流功率转换成交流信号功率输出，由于晶体管有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的功率PO与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率，用公式表示为100POPE显然，功率放大电路的转换效率越高越好。3非线性失真要小功率大、动态范围大，由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的，但是依然要设法尽可能减小非线性失真。4散热性能好22低频功率放大器的分类1以晶体管的静态工作点位置分类常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类3种，如图221所示。A3种工作状态下对应的工作点位置B甲类功放的输出波形C乙类功放的输出波形D甲乙类功放的输出波形图221功率放大器的3种工作状态（1）甲类功率放大器工作在甲类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在交流负载线的中点附近，如图221A所示。在输入信号的整个周期内，晶体管都处于放大区内，输出的是没有削波失真的完整信号，如图221B所示它允许输入信号的动态范围较大，但其静态电流大、损耗大、效率低。（2）乙类功率放大器工作在乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处，即交流负载线和IB0的交点处，如图221A所示。在输入信号的整个周期内，三极管半个周期工作在放大区，半个周期工作在截止区，放大器只有半波输出，如图221C所示。乙类工作状态的静态电流为零，故损耗小、效率高，但非线性失真太大。如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的不失真的全波信号。（3）甲乙类功率放大器工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间，如图221A所示。在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其输出为单边失真的信号，如图221D所示。甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高。2以功率放大器输出端特点分类1有输出变压器功放电路。2无输出变压器功放电路又称OTL功放电路。3无输出电容器功放电路又称OCL功放电路。4桥接无输出变压器功放电路又称BTL功放电路。3功率管的安全使用知识就功率管而言，为了保证其安全运用，必须做到以下几个方面1避免发生集电结的击穿。2避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。晶体管的集电极容许损耗PCM不是一个固定不变的值，它和器件的散热情况有关，根据环境温度和器件的散热装置不同而有所不同。3功率管在工作时不能进入二次击穿区。23功率放大电路的主要特点1功率放大电路的任务和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。第三部分低频功率放大器的设计31本设计的要求和内容设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的MOS管。基本要求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，在8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20HZ20KHZ。（3）输入电阻为600。（4）输出噪声电压有效值VOM5MV。（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。32系统总体设计方案321设计思路根据设计任务与要求,本系统由低频功率放大模块、电源模块、数据采集模块和显示模块组成。其中功率放大部分包括前置放大级、中间放大级和功率放大级。功率显示测量电路主要由AT89S52单片机及外围电路、键盘电路等组成。单片机接收经A/D采样处理后的信号并且计算，将功率和效率值显示到液晶上，系统结构方框图如图321所示。电源模块前置放大级中间放大级功率放大级负载AT89S52最小系统辅助电路按键模块LCD显示模块A/D模块数据采集显示部分低频放大部分24V5V图321系统结构方框图322各模块方案选择和论证一、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，图3221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3221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3222所示。因此在本设计中不采用此方案。图3222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3223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3223甲乙类互补对称功率放大电路二、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。三、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。323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。324理论分析与计算（1）求输出最小电压MINUO根据题意，输出功率，负载,则WP58LRLUO23685VOL故MIN9I2UOP（2）求放大器最小放大倍数根据题意，输入最小电压为5MV，则126053MINIUOAU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。33系统电路设计331低频功率放大模块3311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3311所示。图3311前置放大电路3312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2020KHZ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3312所示。图3312中间放大级3313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3313所示。图3313功率输出级3314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RP2OUTU算出总功率。其中电流采样电路是采用在电路中串入01的功率电IUIN总P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3314所示。图3314仪用放大电路332数据采集显示模块3321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。见图3321。图3321测量、显示电路3322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。如图3321所示。3323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。333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333所示。图333电源电路34系统软件设计系统的软件设计主要用来实现测量并显示低频功率放大器输出功率、直流电源的供给功率和整机效率的功能。采用汇编语言编写，对单片机编程实现数据的采集和分析整理，进行显示控制。341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3411所示图3411主流程图35系统调试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统的关键部分进行了实际测试。351测试仪器测试使用的仪器设备如表351所示。表351测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量1YB1602信号发生器12DS1022C双踪示波器13UNIT数字万用表1352指标的测试3521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3521。OUTULOUTTRUP25/8W表3521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5MV8554402V025W15MV105151066V275W30MV1047470125V975W40MV9944744515V141W3522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3522。RIIUO表3522输入电阻的测定输入直流电压输入直流电流输入电阻5V8MA6259V14MA64312V198MA6063523通频带的测试根据通频带的定义，放大倍数下降到07时的低端频率和高端频率范围AU称为放大电路通频带。即。HLFBW测试方法输入一个正弦波，改变频率，测量输出电压，按计算IOUA放大倍数。测试数据见表3523。表3523通频带的测试输入信号峰值信号频率下限频率LF上限频率HF通频带HLFBW15MV1KHZ3HZ3KHZ2997HZ30MV1KZ3HZ27KHZ2697HZ40MV1KHZ3HZ22HZ2197HZ3524低频放大器效率的测试电源供给的功率按公式计算，输出功率按公式L2RVCPDCLRUOMP2计算，效率按公式。为最大不失真输出信号的峰值。测试DCO10UOM结果见表3524。表3524低频放大器效率测试供给直流电源电压V24V20V18电源供给功率459W318W258W实际测量输出功率16W17W18W测量效率34953569836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8电阻负载（一端接地）上，输出功率为025W，输出波形无明显失真。（2）通频带为3HZ3KHZ。（3）输入电阻为600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。第四部分总结与体会一、成员具体分工涂龙波电路板的制作、焊接与调试陆晶PROTEL画板，材料的收集吴高树软件程序的编写与调试二、电路调试中遇到的问题以及解决（1）静态时输出电压不是零。解决方法调节滑动变阻器R20使静态时输出电压为零。（2）当输入信号为30MV/1KHZ的正弦波信号时，前置放大级和中间放大级都有放大后的正弦信号输出，而到功率放大级就没信号输出。解决办法检查电路板发现中间放大级和功率放大级两级之间的反馈线没接，将反馈线接上就有正弦信号输出。（3）当输入信号为30MV