低频功率放大器的理论设计

1、低频功率放大器的理论设计 摘 要实用低频功率放大器主要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原理、电子线路及应用。该电路由稳压电源、前 置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路五部分构成。稳压电源是为 前置放大器、功率放大器提供稳定的电源。前置放大器是进行电压的放大。功 率放大器实现电流、电压的放大。波形变换电路将正弦信号电压变成要求的方 波信号。设计的电路结构简洁、实用,充分体现了集成功放的优良性能。该功 率放大器失真度较低、效率较高,为以后的功率放大器设计提供了广阔思路。关键词 :正弦波方波转换 ;电路功率放大电路 ;自制稳压电源电路;弱信 号前置放大级

2、电路AbstractThe utility of the low frequency power amplifier are mainly applied in the audio signal of power amplifier, this article introduces the weak signal amplifier ability has the low frequency power amplifier, the principle of the content, the technical route. The main circuit manostat, preampl

3、ifier, power amplifiers, wave transform circuit and the protection circuit five parts. Voltage stabilizer for pre-amplifier, power amplifier provide stable dc power. The preamplifier is voltage scaling. Power amplifier realize current, voltage scaling. Wave transform circuit will sine signal voltage

4、 into requirements of the square wave signal. The design of the structure is simple, practical circuit, make full use of the good performance of the integrated amplifier. The power amplifier in bandwidth, distortion degree, have a high efficiency of solid, for the following power amplifier design to

5、 provide a broad ideas.Key words :Sine wave-square wave transform circuit ;Power amplifier; Circuit homemade manostat circuit ;Weak signal level preamplifier circuit目 录第 1章 绪论 . . 1 第 2章 总体方案的设计 . . 4 2.1总体方案的论证 . 4 2.2波形的变换电路 . 4 2.3弱信号前置放大级 . 5 2.4功率放大级 . 5 2.5自制稳压电源 . 6 2.6方案的选择 . 6 第 3章 单元模块设计 .

6、 . 7 3.1波形变换电路 . 7 3.2弱信号前置放大级 . 8 3.3功率放大电路 . 10 3.4自制稳压电源电路 . 12 3.5特殊器件的介绍 . 12 第 4章 总结 . . 14 参考文献 . . 15 致 谢 . . 17第 1章 绪论低频功率放大器 1是一个技术相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出 了不懈的努力,无论从 线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了 长足的进步。随着科技进步在不断发展,一开始的是电子管功率放大器,发展 到现在的是集成功率放大器,它经历了不同的发展阶段:电子管功放、晶体管 功放、集成功放。1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管,开创了

7、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。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。70年代的中期,

8、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 、 THD<0.01%(100kHz 时的特点,很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为 末级输出。功放有很多种分类方法,按所用放大器件来分类,可分为晶体管式功率放 大器(包括场效应管功率放大器,电子管式放大器,集成电路功率放大器 (包括厚膜集成功率放大器,目前是以集成电路式功率放大器和晶体管为 主,但是电子管功率放大器也占一席之地,它通俗的称为胆机,功放的生产已 经达到了一个很高的水平,离散性极小,产品的稳定性很高,并且特别是由于 它的工作机理,所以它的音色很温柔很

9、有磁性,很富有人情味,从而成为重要 的音响电路形式。当前伴随着高保真立体声普及,许多功放也应用到了高保真技术。它是指音频电声系统及设备以及部件保持声音信号原本面貌的能力。对 普通家庭音响装置只要低音浑厚,丰满,中音要坚实有力,高音要清脆明亮, 从而能够使听者感到满意就认为达到了高保真要求。然而,高保真包括对音 高,音强,音色以及临场感,混响感等复杂音质状态的保持能力,也不排除对 声音进行加工美化。从而就对电路设计,元件性能提出了更高要求。电子管电路设计、安装、调试比较简单,但缺点是电源变压器、输出变压 器绕制工艺麻烦,耗电大、体积大、而且有一定使用期限。因而实际使用中有 很多的局限性。如今大功

10、率晶体管的种类很多,优质功放电路层出不穷,因此 应用最广泛的形式是晶体管功率放大器。如今科研人员发明出很多优质新型电 路使功放谐波失真,能够降低到 0.05%,甚至更低 2。场效应管很有发展前途, 它有很多特性比如动态范围大,负温度,噪声小。音色与电子管相似,保护电 路很简单 3。场效应管的生产技术有很大的发展潜力,场效应管放大器有更为 强大的生命力。因为集成电路技术快速发展,集成电路的功率放大器也大量出 现,制作工艺以及各项指标都达到很高水平,它突出的特点是性能优越、电路 简单、体积小、保护功能齐全等等。因为很多时候主机额定输出功率不能够完全胜任带动整个音响系统的任 务,所以就要在主机及播放

11、设备之间安装功率放大器用来补充所需功率缺口, 功率放大器在整个系统中起到了“组织、协调”的交通枢纽作用,在一定程度 上决定着整个系统能不能提供优秀的音质输出。现如今功率放大器不仅是消费 产品 (音响 中不可缺少的装置 , 并且还广泛应用于控制系统和测量系统中。 然 而目前已经是一个技术相当成熟的领域 , 近几十年来 , 人们为之付出了不懈的努 力 , 不管从线路还是元器件方面 , 甚至思想认识都取得长足的进步 4。当前市上 集成功放产品价格很低并且种类很多 , 典型的有 LM1875、 TDA1514。此类低频功 率放大器体积小、保护功能齐全、性能优越、易制作易调试、外围电路简单。 目前,有种

12、应用砷化钾制作的功率放大器 MMIC ,在电话以及个人数据终端方面 应用越来越广泛,一块尺寸 2.5×3.48平方毫米 MMIC 工作频率达 950MHZ ,输 出的功率可达到 1.1W 5。基于目前研究现状,本文章给出的是一种简单实用、制作成本比较低廉的 实用低频功放的设计方案。其功率放大由分立元件组成 , 亦可由集成电路完成。 分立元件组成的功率放大器,如果能够进行精心设计,就会在效率和失真方面优于集成的,价格会便宜,但如果参数设置和电路选择不恰当 , 元件的很多性能 就不会很好体现出来 , 甚至制作调试比较困难。从电路易调性和简单性,集成电 路会显得更好些。此次论文功放采用的是

13、集成电路完成的。第 2章 总体方案的设计2.1总体方案的论证系统的原理图如 图 2-1所示。根据题目任务 , 我们的设计总共有五个基本的 电路:(1波形变换电路(2弱信号前置放大级电路(3自制稳压电源电路(4功率放大电路(5保护电路 图 2-1系统原理的框图 6前置级主要完成的是小信号电压放大的任务;而功率放大级则是实现对信 号电压以及电流的放大任务;直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量。 因为方波中含有丰富高次谐波分量,从而为波形变换电路提供方波,我们可通 过对方波进行信号的测试来检验功放的转换速率、效率、失真度等指标,保护 电路能够保护负载不过载,从而对功率放大器也有保护作用。本文设计

14、的系统是一个高保真、高增益、高效率、宽频带、快响应、低噪 声的音响与脉冲传输、放大兼容的电路。下面是对每个单元电路进行的论证。 2.2波形的变换电路方案一:根据运放在开环情况下的饱和特性 , 正弦波信号通过两级运放放 大 , 产生正弦波饱和失真方波信号 , 因为输出方波的幅值远远大于题目的要求 , 因而采用开关三极管脚和脚短接看成两个二极管削波,从而将电压钳制在 700mv附近 , 然后通过电阻的分压 , 最后得到题目所要求的正负极性对称 200mVp-p 方 波信号。方案二:直接利用施密特触发器进行整形变换。其中施密特电路可用高速 运算、高精度电路联接而成,亦可采用专用的施密特触发器构成,此

15、外还可以 用 NE5532电路构成。本文采用方案二, 因为 施密特电路是由高速、高精度运算放大器 LF357组 成。2.3弱信号前置放大级前置放大电路必须由快响应、高保真、低噪声、高增益、宽带音响集成电 路组成。达到上述要求的集成电路是:M5212、 LLM1875、 NE5532等。本设计选用的是 NE5532,因为与众多的运放相比较而言 , NE5532具有高 阻抗、高精度、高速、低噪音、宽频带等优良特性 , 被尊称为“ 运放之 皇” 。此运放高速转换的特性能够改良电路瞬态的性能 , 比较宽的带宽也能确 保信号在低、中、高频段不失真的输出 , 从而电路的整体指标会大大的提高。 2.4功率放

16、大级方案一:功率放大输出级采用的是分立元件组成的 OCL 电路,驱动级采用的 是集成芯片,全部功放级采用的是大环电压的负反馈。采用此方案有很多的突 出优点:首先反馈深度容易控制,放大倍数容易控制。而且失真度可以达到很 小的水平,从而使音质十分纯净。也有一定缺点:外围元器件较多,调试比较 困难。方案二:本文采用的是专门的功放集成芯片。 LM1875是功率放大集成块, 外围电路简单,体积小巧,最大优点是输出功率大。除此之外此集成电路内 部设置有过热过载以及感性负载反向电势安全工作安全保护。为了达到题目设计的要求,能够供选择的功率放大器由分立元件构成,也 可以由集成电路组成。分立元件构成的功放,若电

17、路选择得比较好,参数选择 的比较恰当,元件性能很优良,并且制作以及调试得都很顺利,那么它的性能 很可能优于较好的集成功放。目前许多优质功放均采用的是分立功放。但也存 在着缺点 :只要有一个环节搭配不当或出现问题,那么性能很可能低于一般集成 的功放,不至于由于过流、过载、过热等损坏,还需要加上比较复杂的保护性电路。当前市场有很多性能很好的集成功放芯片,如 LM1875、 TDA2040A 、 TDA1514等。集成功放具有很多优点:保护功能较完善、工作可靠、易制作调 试,外围电路简单,即使达不到顶级功放性能,但是符合并且超越本设计的目 标和要求是能够完成的 7。此外集成运放有性价比高的优点。所以

18、此系统设计选用的是方案二。该方案有很多优点:外围元器件少, 技术成熟,调试简单,保护功能较完善,便于扩功等等。2.5自制稳压电源本文中该系统设计采用的是三端集成的稳压电源电路,该稳压电源电路选 用的是 LM7818、三端集成的稳压器。2.6方案的选择通过文章前面的论证我们可以得知,本系统总共有两种设计方案,一种设 计方案是利用集成电路和分立元件相组合的方案,另外一种是全部利用集成芯 片的方案。我们为了尽可能减小噪声的影响,降低非线性失真,并且考虑外围元器件 给系统引入不必要的噪声等干扰,因而会影响实验的结果,从而本设计采用的 是方案二:整个系统采用的是集成运放芯片的搭建电路。 Z OH V U

19、 = 、 Z OL -V U =(2 +U 与 -U 的表达式(+U =-U 时,输出电压会发生跳变 i U U -=作者: 第 8 页 共 17页 (3门限电位mH U E i 时, 0U 'O <, z -V U O =mL U E i 时, 0U 'O >, z V U O =迟滞宽度为 L H E E V m m -=让 R2=10K(如果迟滞比较器迟滞宽度 0.7V V =。 那么 R21 -V2V (R2Z =75.71K 10K 1 -0.732(=,令 =K 75R2, R2近 似为 R3,即是 =10K R2。如下图 3-2中所示集成运算放大器采用

20、转换速率 SR > 10V/US,增益带宽 积 GBW > 10MHZ的芯片,如 NE5534、 LF357、 OP-37、 OP-16等等。电路联接成 为迟滞电压比较器的构造,若要确保输出方波幅度稳定输出,要使用 2只稳压 二极管 D1、 D2,稳压值 V=±3V 。 R4是稳压二极管限流电阻,令流过 D1、 D2电 流限定在 6mA 附近。 C1、 C2均为脉冲加速电容,它能够减少方波脉冲上升与下 降的时间。倘若迟滞比较器的迟滞宽度为 V=Emh-Eml=0.7V,则 R3可利用下式确定即 R3=(2Vz/V - 1 R2=(2*3/0.7-1 *10=75.71 K

21、 。如电路采用 LF357的 集成运放,那么输出方波的上升下降时间能够达到到小于约 0.5us 。然后再通 过调节 RW ,输出幅度可调节到约 200mV ,那么就满足题目的基本要求 9。3.2弱信号前置放大级当前状况前置放大电路可采用集成运算放大器来构成前置放大器 , 亦可采 用专门的前置放大器 IC 构成的前置放大器电路 , 但是从经济方面来考虑本文采用 的是集成运算放大器的方案 , 设计的前置放大器能够选择的集成运算放大器有很 多种类型 , 有 LF347、 LF353、 LF357、 LF356、 NE5532、 NE5534等等 10。本文主要 顾及的技术指标是转换速率、电压增益、带

22、宽、噪声和电流消耗等等。在本文中为了提高前置放大器电路输入电阻与共模抑制的性能 , 降低输出 的噪声 , 利用集成运算放大器构成前置放大器的电路时 , 所以必须采用同相放大 电路的结构 , 电路如图 3-2所表示 。作者: 第 9 页 共 17页 图 3-2同相放大电路结构的前置放大电路为了不失真放大 , 图 3-3采用的是两级运算放大器电路 A1和 A2, 每级放大器的 增益取决于 R1、 R2和 R3、 R4, 即 Va=1+R2/R1,Vb=1+R4/R3。由上述分析得到 , 低频功率放大器总增益为 68dB, 两级前置放大器的增益安 排在 50dB 附近比较恰当 , 每级的增益在 25

23、dB 附近 , 可以保证充分发挥每级的线性 放大性能以及能够满足带宽的需求 , 从而可保证不失真 , 即达到保真放大质量。 图 3-中 C1、 C2分别是隔直流电容 , 这是为满足各级的直流反馈、稳定直流工 作点而添加上去的。但相对于交流成分 , C1、 C2务必要现短路状态 , 要求 C1、 C2的容抗远远小于 R1、 R3阻值。 C3、 C4是耦合电容 , 为保证低频响应 , 要求它的容 抗远小于放大器输入的电阻。 R5、 R6是各级运放输入端的平衡电阻 , 通常 R5=R2,R6=R4。一个采用两级 NE5532(C1:A和 C1:B构成的前置放大器如图 3-2所示。各级均 采用固定增益

24、加输出衰减组成 , 要求当各级输出不衰减 , 输入 mV U P P I 5, =-时, 输出 V U P P O 53. 2, -。对于第一级放大器 , 要求杂信号最强时 , 输出不失真 , 即在 mV U P P I 700, =-时 , 输出 V U OM 11。所以 7. 157. 0/11/1=P O M U U A ,取 151=A 。 当输入信号最小 , 即 P P I U -, =10mV 而输出不衰减时, P P O U -, 1=A1P P I U -, =15×10=150 mv。第二级放大要求输出 P P O U -, 2 2.53V, 由于元件误差 , 取

25、P P O U -, 2=3V,但是输 入信号最小为 150 mv,那么第二级放大器倍数 P P O U A -=, 21/P P O U -, 1=3/0.15=20取 作者: 第 11 页 共 17页 0.015%(1KHz,20W,带宽为 70 KHz, AC与 DC 短路保护电路和热保护电路,电 源的电压范围为 16到 60V ,用 TO-220封装 13。如下图 3-4电路中所示,输入信号 Vi 通过 C12耦合到 LM1875脚,功率 放大后从脚输出加到扬声器。 R13、 C14串联接到输出端,目的是抑制高频噪 声。 C9、 C10、 C11、 C13作用是用于电源去耦滤波,目的是

26、防止功率放大器产 生高频自激,去耦对电源采取进一步滤波措施,除去两级间信号通过电源互相 干扰的影响。 R11、 R12组成反馈网络; C20是直流负反馈电容;它的作用是稳 定静态工作点,从而对放大电路各项动态性能没有显著地影响,动态性能是指 通频带、放大倍数、输入及输出电阻等等。 R10是输入接地电阻,目的是防止 输入靠路时引起感应噪声; C12为信号耦合电容,耦合是信号由第一级向到第 二级传送过程。电源电压采用的是±15V 。 LM1875开环增益为 26 dB,放大倍数 A=20。要求输出到 8负载上的功率 Po 20W ,9. 172082=O L OM P R U加上功率管管

27、压降 2V ,则V U U O M 7. 1929. 172=+=+=那么取电源电压是±20V 。A R P I L O CM 24. 28/202/2=W I U P CM V 30/24. 2212/2=计算效率为 %7. 66%100 30/20(%100 /(=V O P P =计 输出最大不失真电压 OM U =17.9V,故V U P P O 8. 3529. 17, =-因 为 A=20, 211111212=+=R R R F , 21121110=+=R R A F , 10111(0+-AFA A F F 所以功放电压增益取值 F A =10,那么输入信号V A

28、U U F P P O P P I 58. 310/8. 35/. , =-图 3-4采用集成功放 LM1875构成的低频功率放大器电路由于在本电路中选用了集成功放 LM1875在应用中便于扩功,调试简 单,外围元器件少,使功率放大级电路实用简洁,非线性失真小,输出功率 大。3.4自制稳压电源电路作为直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量,根据上面设计的前置 放大级电路与功率放大级电路目标要求,仅仅需要的是稳压电源输出的一种直 流电压 +18V。因为三端稳压器具有外围元器件少、结构简单、性能优良、调试 方便等很多显著优点,本设计中采用的是三端稳压电路,电源经 1000uF 电解并 且并上 0

29、.1uF 电容滤掉各种频率干扰输出 , 输出的电压直流性能较好 , 实测它的 纹波电压也很小。3.5特殊器件的介绍本电路设计实用简洁,各模块单元采用的均是集成运放电路。前置放大 级电路中采用的是集成双运放 NE5532, 在正弦波一方波转换电路中采用 LF357, 功率放大级中采用 LM1875。这样设计能够使电路外围结构简单,体积小巧精 致,并且较好的结合了各运放的优良性能,能够使电路能满足各项指标要求。 现介绍各芯片参数如下:作者:第 12 页 共 17页 表 3-1 NE5532的极限参数 16 表 3-2 LM1875的参数 17LF357的通用参数 18与 MOSFET 输入设备的比

30、较而言,第一 JFET 比 较耐用而且允许无熔断处理;第二 JFET 有高或低的源阻抗低 1/转折,优 良的低噪声应用。在大多数单片放大器上,偏置调整不可降解漂移或共模抑制,新输出电 路级允许大电容负载 (5000pF19使用,没有稳定性的问题。对数放大器与光 电放大器都采用保持电路,其中共同特点:(1低输入偏置电流:30pA(2低输入失调电流 3pA(3高输入阻抗:1012(4低输入噪声电流:0.01pA/HZ(5高共模抑制比 20:100dB(6大的 DC 电压增益 21:106dB第 4章 总结通过整篇文章的讨论,本系统总共给了两种设计方案一种方案是利用集 成电路和分立元件相组合的方案,

31、另一种是全部的利用集成芯片的方案。从 电路的易调性和简单性,集成电路比较实用,同时考虑到尽可能减小噪声的 影响,降低非线性失真,并且考虑外围元件引入不必要的噪声等干扰,从而 采用方案二。经过此次的毕业设计锻炼,我不仅仅深深体会理论只是对实践操作的重要 性,还深入了解并学会了一种简单实用,价格低的低频功率放大器的电路设计 方法。通过毕业设计,我的专业技能方面也有了明显的提高。虽然时间不长, 但我感觉有很大的收获。通过学习使我自己对课本上的知识进一步了解加深, 能够充分利用图书馆的资料,增加了除课本以外的许多知识,增强了自己对电 路图的认识,加深了了解电路图每一部分的作用及其是如何工作的。我会以更

32、 加积极地态度对待自己的学习,对待自己的生活,我们的激情永远不会结束。 相反,我们会更加努力,努力的去弥补自己的缺点,发展自己的优点,去充实 自己。只有在了解自己的长短之后,我们会更加珍惜自己拥有的,更加努力的 去完善它,增进它。参考文献1高吉祥 . 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之模拟电子线路设计 .M.北京:电子工业出版社 ,2007.2胡翔骏 . 电路分析(第二版 .M.北京 :高等教育出版社 ,2007.3华成英、童诗白 . 模拟电子学基础(第四版 .M.北京:高等教育出版 社 ,2006.4黄志伟 . 全国大学生电子设计系统 .M.北京:北京航空航天大学出版 社 ,2006.5夏路