第一章、实用低频功率放大器..

1、目录第1章实用低频功率放大器（1995国赛A题）.21.1功能要求21.2方案论证与系统总体设计31.3主要原理与理论分析31.4系统硬件电路设计41.5系统调试与误差分析71.6总结与方案改进126第1章实用低频功率放大器（1995国赛A题）11功能要求一、任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如下:正弦言号屮/散大速道、外洪正弦,信号源心等数员载电阻rLJ-r-l图1.1.1实用低频功率放大方框图二、要求1.基本要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5700）mV,等效负载电阻RL为8Q下，放大通道应满足：额定输出功率POR210W； 带宽BW2（50100

2、00）Hz； 在POR下和BW内的非线性失真系数W3%； 在POR下的效率三55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Q上的交流声功率W10mW。（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2发挥部分（1）放大器的时间响应 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波:频率为1000Hz、上升时间W1ps、峰-峰值电压为200mVpp。用上述方波激励放大通道时，在RL=8Q下，放大通道应满足： 额定输出功率POR210W；带宽BW三（5010000）Hz； 在POR下输出波形上升时间和下降时间W12ps； 在POR下输出波形顶部斜降W2%； 在POR下输出波形过

3、冲量W5%。（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减小非线性失真等）。1.2方案论证与系统总体设计1 方案论证（1）前置放大电路方案方案一：反相比例放大电路输入阻抗是反馈电阻和输入电阻的并联，阻抗比较小，放大倍数是反馈电阻比输入电阻方案二：同相比例放大电路相对于反相比例放大电路来说，同相比例放大电路的输入阻抗较高，为了提高前置放大电路的输入电阻和共模抑制比，故选择方案二。（2）变换电路方案方案一：使用专用比较器芯片LM311是一款专用的比较器芯片，但是它产生的信号是一般为单极性，不符合题目的要求。且高速比较器比较贵，市场上很难买到，性价比比较低。方案二：用运放做比较器用运

4、放做滞回比较器，利用反相做输入端，同相端构成正反馈电路，让阈值更稳定，再经过阈值比较，输出极性和占空比都比较对称的方波信号。再经过电阻分压，就可以输出峰峰值为200mv的对称方波信号。运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管，用来控制输出电压的幅值，使分压前的输出信号稳定在一定范围内。相比之下，方案二更能满足实验要求，可供选择。（3）功率放大电路方案方案一：采用分立元器件功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净，做出来的效果比较好。但外围元器件较多

5、，电路比较复杂，调试起来比较困难，一旦取值不当，就会引起很大的偏差。方案二：米用集成功放芯片集成功放芯片具有工作可靠，外围电路简单，体积小巧，保护功能比较完善等优点，而且输出的功率比较大，所以本实验采用方案二。2系统总体设计系统采用专门的集成运放芯片做功率放大，通过大功率运放输出大功率，用同相比例放大电路做前置放大，可提高带负载能力，用高速运放做变换电路可以减小输出矩形波的上升下降时间。系统包括以下几个模块：前置放大模块，用lm318做成的变换电路模块，用lm1875做成的功率放大模块，自制稳压电源模块。1.3主要原理与理论分析1 前置放大电路前置放大级用来放大弱输入的信号，以推动后面的功率放

6、大器。放大电路有很多，但是弱信号的前置放大电路必须要由低噪声、高保真、高增益的集成电路。符合运放有NE5532、0P07、NE5534等。这个实验中，采用的是NE5532，因为它具有高精度、低噪声、高阻抗、宽频带等优良的性能，能使电路的指标大大的提高。2 变换电路变换电路是将输入的波形进行波形变换和整形。为了得到比较好的方波，就必须要选用压摆率比较大的集成芯片。变换电路分为很多种，有过零比较器、俘零比较器、滞回比较器、及用专用比较器芯片构成的比较器。其中滞回比较器又称施密特触发器，迟滞比较器，这种比较器的特点是具有更强的抗干扰能力。3 功率放大电路功率放大电路的功能是对音频信号进行功率放大，推

7、动扬声器等负载。功率放大电路既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放分为A类、B类、AB类、C类、D类等类型，A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。B类功放放大的

8、工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。B类功放的效率平均约为75%,产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。AB类功放与A类和B类功放相比，可以说在性能上的妥协。AB类功放通常有两个偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。普通机10瓦的AB类功放大约在5瓦以

9、内用A类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此AB类功放在大部分时间是用A类功放工作模式，只在出现音乐瞬态强音时才转为B类。这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。有些AB类功放将偏流调得甚高，令其在更宽的功率范围内以A类工作，使声音接近纯A类机，但产生的热量亦相对增加。C类功放使用的比较少，因为失真度非常大，只适合使用在通讯上。D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上,但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效

10、率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放工作复杂，增加的线路本身亦难免有偏差。1.4系统硬件电路设计1 前置放大电路设计（1）、电路的组成：因为实验要求，前置放大电路的输入端接地时，在8Q的负载上的噪声功率要小于10mV,所以要尽量减小噪声。为了选用低噪声芯片，所以用用NE5532构成前置放大电路，为了提高前置放大电路的输入电阻和共模抑制比，必须采用同相比例放大电路。(2)、设计理论分析：P>10W由题目可知，在功率放大的8Q负载上要获得额定输出功率or-，根据：U=-；2RxP=订2x8x10=12.65VOM

11、'LORU12.65VaU12.65V1qOM-2530OM一一18U(min)5mVU700mVIN,IN(max)20log(18)=25dB20log(2530)=68dB由上面的式子可知，整个电路的放大倍数要介于182530倍之间，即在25dB68dB之间手动可调，有因为单级的放大倍数大概在20dB左右，因此要采用两级前置放大，再加上一级功率放大来达到实验的要求。(3) 、各电阻阻值的确定：由上面的式子可知，电压的放大倍数要达到182530倍，又因为NE5532采用正负12V电压供电，题目要求峰峰值10mV1.4V输入，电路放大的电压超过20V会失真，所以第一级设计放大13倍，

12、这样1.4V输入的时候，放大13倍，约为18V不超过20V,就不会失真。由于第一级放大13倍,R二R/R1231+售=13则：，电阻的取值不宜过大，取R2=1K,R3=12K。2,所以平衡电阻R1约为1K。为了使输出电压放大倍数可调,r10K所以在第一级和第二级之间加了电位器进行分压，取电位器R510K。第二级同相比例放大电路中，和第一级的差不多，因为要实现最大放大倍数为2630,假设功率放大部分放大1+R=21R10倍，第一级放大13倍，为了提高输出功率，第二级放大倍数设为2倍。6,RRRR/R电阻的取值不宜过大，取6=1K,由(7)可知，7=20Ko8一67R所以，平衡电阻8约为1KoGN

13、D输入R510kGNDGND输出图1.4.1前置放大电路方框图电子系统设计与实战C8051F单片机+FPGA控制版2 变换电路设计(1) 、电路的组成：用运放做比较器电路，利用正反馈电路，将小的交流信号转化为峰峰值比较大的方波信号，再经过电阻的分压，可以得到信号比较小的方波信号；将分压电阻换成滑动变阻器，可以通过调节滑动变阻器，得到峰峰值为200mv的方波信号；运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管，用来控制输出电压的幅值，使输出信号稳定在一定范围内。另外，为达到输出方波的上升下降时间小于1us和双极性方波，要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放。(2) 、各电阻阻值的确定：若设电阻

14、R1=100Q，题目中输入信号为1KHZ,幅值没有要求，经过第一级正反馈，U二+Uz二+29V输出电压的幅值达到电源电压Uo1=5V,但由于稳压管的存在，O+,(电Ux±UTHR1+R2Z路中所用的稳压二极管是反向稳压幅度为2.2V，正向为0.7V)。假定输入电压为ui=100mv,为了保证输出的信号为方波信号，则+ui>+°丽，即°thv100mv。-X±2.9<100mv若取R1=1k,贝9：1+R2，推出R2>28K，因此取R2=33K,R3为限流电1R2=10k，则:73 功率放大电路设计(1) 、电路的组成：功率放大的芯片有T

15、DA2040A、TDA1514，但TDA2040A的功率裕量不大，TDA1514的外围电路比较复杂，又容易自激。而LM1875是一款功率放大集成块，它的优点是外围电路简单，输出的功率大，芯片内部有感性负载反向电势安全工作保护，又容易制作和调试，所以本实验选用LM1875芯片作为功率放大的芯片。(2) 、各电阻和电容的确定：为了阻抗匹配，同相输入端Ri=1MQ，C1和R2组成了高通滤波器，令C1=10uF，2nRC1112x3.14x10x103x10x10-6沁1.59HZ<50HZ,可以满足实电子系统设计与实战C8051F单片机+FPGA控制版验的要求。U2RxP2x8x10=12.6

16、5VOMLORUOM-U(min)IN12.65V5mV=2530UOMUIN(max)12.65V700mV13总共放大倍数在182530倍之间，其中前置放大电路的放大倍数为13x21二273倍，则功率放大级的放大倍数为9.2倍，约为10倍。R4、R5构成了反馈网路，C2是直流负反馈电R1+j=10R容。因为功率放大部分的放大倍数为10倍，所以：5，取R5=1K，R4=10Ko其中R3和C3构成了输出退偶电路，防止功放产生自激，没有接R3和C3的话，功放的输出则会产生自激震荡。VCCC1输入OR11MR210k/+10uFGNDGND1.5系统调试与误4LM1875输出VEE10kR4巾R5

17、图1.4.3功率放大电路方框图I+C212uF析GNDC3220pF表1.6为实用低频功率放大器的性能指标及本系统实际测量的结果，完全满足题目的要求。表1.5实用低频功率放大器测量结果表测试项目指标要求测试结果结果分析基本1额定输出功率POR>10W功率可以达到15W系统稳定，输出功率大基本2带宽范围BW三(5010000)HzBW三(2020000)Hz系统稳定，带宽比较宽基本3非线性失真系数在POR下和BW内的非线性失真系数W3%非线性失真系数等于0.61%达到要求，失真系数小基本4在POR下的效率效率在POR下的效率三55%效率可以达到68.3%完全达到要求，效率比较咼基本5在前置

18、放大级输入端交流短接到地时，RL=8Q上的交流声功率在前置放大级输入端父流短接到地时，RL=8Q上的交流声功率W10mW在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Q上的交流声功率W0.024mW达到了要求，噪声比较小发挥1由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波频率为1000Hz、上升时间W1ps、峰-峰值电压为200mVpp频率为1000Hz、上升时间W756ns、下升时间W756n、峰-峰值电压为200mVpp完全满足要求发挥2额定输出功率和带宽POR210WBW三(5010000)HzPOR=35WBW三(2020000)Hz输出功率比较大，带宽也比较宽，达到了本题的要求发挥3

19、在POR下输出波形上升时间和下降时间上升时间和下降时间W12ps上升时间W4.00ns、下升时间W7.30ns达到了本题的要求，上升下降时间比较小发挥4在POR下输出波形顶部斜降在POR下输出波形顶部斜降W2%在POR下输出波形顶部斜降W0.35%顶部斜降比较小，达到了本题的要求发挥5在POR下输出波形过冲量在POR下输出波形过冲量W5%在POR下输出波形过冲量W0.17%输出波形过冲量比较小，达到了本题的要求实用低频功率放大实测图片:图1.5.1正弦波输出功率实测波形图图1.5.2方波输出功率实测波形图图1.5.3方波上升时间实测波形图图1.5.4方波下降时间实测波形图RIGOLT'DIDO.OOOOOOOOpsTO-400mVFreq=：+：*：+：+：+：Rise=4.iJiJiJusVpp二34.4V-10.0V*22:30图1.5.5功率输出方波