高效 放大器.docx

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高效放大器

济南铁道职业技术学院

毕业设计（论文）

题目：

低频功率运算放大器设计

系别：

专业：

应用电子技术

班级：

应电

学生姓名：

指导老师：

樊廷忠

完成日期：

济南铁道职业技术学院毕业设计任务书

班级

应电

学生姓名

指导老师

樊廷忠

设计（论文）题目

高效低频功率放大器的电路设计

主要

研究

内容

设计一款高效低频功率放大器电路，熟悉电子产品的设计方法和步骤。

主要技术指标和研究目标

1.额定功率不大于10W；

2.在额定功率以内效率不小于75%；

3.带宽BW不小于（50--10000）HZ;

4.在功率P和带宽BW以内的非线性失真系数不大于3%；

5.在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8欧上的交流声功率不大于10mW.

基本

要求

1.明确设计任务；

2.根据设计要求确定设计步骤；

3.查阅有关参考资料；

4.绘制电路图；

5.确定元件的型号，参数；

6.有条件的同学可以制作出实物；

7.论文要求3000字左右，包括论证方案，理论分析，实际测试数据，原理图等。

主要参考文献

1.模拟电子技术，

2.数字电子技术；

3.单片机技术；EDA技术；

4.电子产品工艺，

5.其他书籍；

摘要:

放大电路中除有源器件、直流电源外，还有提供放大电路正常所需直流工作点的偏置电路，以及信号源和放大电路、放大电路和负载、级与级之间的耦合电路。

要求偏置电路不仅要给放大电路提供合适的静态工作点，同时还要保证环境温度、电源电压外的外界因素等。

关键词：

偏置电路放大电路电源静态工作点。

目录

1.引言............................................................................................................................5

1.1功放的CMRR值.....................................................................................................5

2.功率放大器的概述.....................................................................................................6

2.1放大电路的分类......................................................................................................6

2.2放大电路的问题......................................................................................................6

2.2.1放大电路的功率...................................................................................................6

2.2.2放大电路的非线形失真.......................................................................................6

2.2.3放大电路的效率...................................................................................................6

3.方案论证与比较.......................................................................................................7

3.1高效率功率放大器..................................................................................................7

3.2信号变换电路..........................................................................................................10

3.3功率测量电路..........................................................................................................10

4.电路组成及设计原理.................................................................................................11

4.1主要电路设计计算与组成框图..............................................................................11

4.2各单元电路及工作原理..........................................................................................11

4.2.1前置放大器的设计...............................................................................................11

4.2.2波形变换电路及电源设计保护电路...................................................................15

4.2.3测试电路...............................................................................................................17

总结................................................................................................................................19

致谢................................................................................................................................20

参考文献.......................................................................................................................21

1引言

本文从放大电路的最基本的原理入手，在介绍基本原理的基础上，收集近年来从国内外品种繁多的电子技术书刊杂志中精选出来的实用电路，每个电路配以简要的文字说明。

所选电路注重典型性和实用性，以便电子工程技术

员和广大电子爱好者在研究、设计或制作电路时借鉴和参考。

读者在设计

类模拟电路时，可以很方便地根据需要“对号”查找，拿来即用，提高科技开发工作的效率。

虽然集成电路的使用已经极为普遍，但在介绍种类电路的基本原理时，本文仍以分立元件为主。

用分立元件电路解释基础原理可以突出重点，易于达到事半功倍的效果。

全文的主体部分介绍了大量的电路，这些电路多以集成电路为主，但有一部分是分立元件电路。

这也是模拟电子技术的一个特点：

一切从实用出发。

1.1功放的CMRR值

很多电子系统都需要对输入模拟信号进行检测。

由于在其传感器接口电路中常采用差分输入方式，因而在系统的两个输入端难免会引入共模干扰信号，且该共模干扰电压一般都比较大，这种干扰信号在信号输入电路参数不对称时会转化为差模干扰并对测量系统产生，其影响的大小直接取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。

共模抑制比CMRR是衡量测量系统对共模干扰抑制能力的参数，通常被定义为作用于系统的共模干扰信号与使该系统产生同样输出所需的差模信号之比。

CMRR值越高，说明系统对共模干扰的抑制能力越强。

因此，为了提高测量系统的抗干扰性能，在设计高精度电路时，应选用高共模抑制比的运放来构成系统的传感器接口电路。

理想运放的CMRR值应该是无穷大的，但大多数集成运算放大器的CMRR值实际上在８０ｄＢ以上。

目前市场上所有的仪用放大器的共模抑制比在20Hz处就开始衰减，因而不能满足某些系统在宽带干扰抑制方面的应用要求。

由于过去只有电子管这样的器件,乙（B）类电子管功放产生的失真在公共广播系统中都难于被人们接受,因而长时间以来,高保真功放的工作类别仅限于甲（A）类和甲乙（AB）类两种类型。

随着半导体器件的出现和电子技术的飞速发展,人们为适应各种不同的要求,设计出形形色色的低频功放电路。

功率放大器是根据信号的导通角分为A、B、AB、C和D类,我国亦称为甲、乙、甲乙、丙和丁类。

分立和集成电路的音频功率放大器常采用A、B、AB类电路,C类常用于射频功放电路。

D类功率放大亦称开关式功率放大器,因其有接近理想状态的高效率。

D类低频功率放大器具有效率高、功耗低、谐波失真低的特点，在方方面面得到广泛的应用。

2.低频功率放大器的概述

2.1.放大电路的分类

按功率放大电路中晶体管导通时间的不同可分：

甲类功率放大电路、乙类功率放大电路和丙类功率放大电路。

甲类功率放大电路，在信号全范围内均导通，非线性失真小，但输出功率和效率低，因此低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。

功率放大器是根据信号的导通角分为A、B、AB、C和D类,我国亦称为甲、乙、甲乙、丙和丁类.

2.2率放大电路的特殊问题

2.2.1放大电路的功率

功率放大电路的任务是推动负载，因此功率放大电路的重要指标是输出功率，而不是电压放大倍数。

2.2.2放大电路的非线形失真

功率放大电路工作在大信号的情况时，非线性失真时必须考虑的问题。

因此，功率放大电路不能用小信号的等效电路进行分析，而只能用图解法进行分析。

2.2.3放大电路的效率

效率定义为：

输出信号功率与直流电源供给频率之比。

放大电路的实质就是能量转换电路，因此它就存在着转换效率。

由于设计者水平有限，设计中存在不少的缺点和不当之处，敬请指导老师和评审委员的老师指正。

设计者：

纪田

3.方案论证与比较

根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示。

下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。

图1

系统组成框图

3.1高效率功率放大器

1、高效率功放类型的选择

方案一：

采用A类、B类、AB类功率放大器。

这三类功放的效率均达不到题目的要求。

方案二：

采用D类功率放大器。

D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。

由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。

理论上为100％，实际电路也可达到80％～95％，所以我们决定采用D类功率放大器。

2、高效D类功率放大器实现电路的选择

本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。

图2脉宽调制器电路

1）脉宽调制器（PWM）

方案一：

可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。

方案二：

采用图3所示方式来实现。

三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。

若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。

2）高速开关电路

a.输出方式

方案一：

选用推挽单端输出方式（电路如图3所示）。

电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。

图3高速开关电路

方案二：

选用H桥型输出方式（电路如图4所示）。

此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰峰值可达10V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。

图4高速开关电路

b.开关管的选择。

为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。

方案一：

选用晶体三极管、IGBT管。

晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。

方案二：

选用VMMOSFET管。

VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。

3）滤波器的选择

方案一：

采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。

缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。

方案二：

采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。

3.2信号变换电路

由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。

方案一：

采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。

方案二：

由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。

3.3功率测量电路

方案一：

直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图5所示，但算法复杂，软件工作量大。

图5功率测量电路

方案二：

由于功放输出信号不是Hz频带内的任意波形，故必须采用真有效值变换电路。

此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。

再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率（原理框图如图6所示），软件工作量小，精度高，速度快。

图6功率测量电路

4.电路组成及设计原理

4.1主要电路设计计算与组成框图

详细原理框图如图7所以。

图7

功率放大器选用集成功放LM1875，采用典型应用电路，原理图如图8所示。

此电路中R21，R20组成反馈网络，C11为直流负反馈电容，R19为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声，C10为信号耦合电容，D3、D4为保护二极管，R22和C6组成输出退耦电路，防止功放产生高频自激，C12、C13、C4、C5是电源退耦电容。

LM1875开环增益为26dB，即放大倍数A=20。

因此要求输出到8Ω电阻负载上的功率P0>10w，而

Vom=

加上功率管管压降2V，则

V=Vom+2=12.65+2=14.65V

取电源电压正负15V

Icom=

Pv=2v*Icm/π=2*15*1.581/π=15.1w

所以计算效率为

η计=（P0/P）*100%=（10/15.1）*100%=66.2%

输出最大不失真电压Vom=12.65V，故

V0.p-p=12.65*2=25.3

功放电压增益取Af=10，则输入信号

Vi*p-p=V0.p-p/25.3/10=2.53V

图8

4.2各单元电路及工作原理

4.2.1前置放大器的设计

前置放大由两级EF5532典型应用电路组成，各级均采用固定增益加输出衰减组成。

要求当各级输出不衰减，输入Vp=5mV时，输出Vo.p-p>2.53V。

电路原理图如图9所示。

图9

对于第一级放大，要求在信号最强时，输出不失真，即Vp=700mV时，输出Vom<11V（低于电源电压1V）。

所以

Ai=Vom/Vp=11/0.7=15.7

取A1=15。

当输入信号最小，即Vi.p=10mV而输出不衰减时

Vo1.p-p=Ai*Vi.p-p=15*10=150Mv

第二级放大要求输出Vo2.p-p=V2.p-p/Vo1.p-p=3/0.15=20

取A2=1kΩ,R7=15kΩ,R17=22kΩ,R18=1kΩ。

4.2.2波形变换电路及电源设计保护电路

波形变换电路原理图如图10所示。

图10

由于输入信号弱，为了在弱信号时，波形变换电路仍能正常工作，应在前面加一级信号放大。

波形变换由高精度运放OP07完成，D1、D2为输入限幅二极管，C17是为了提高高频响应。

由于OP07的输出波形仍不太理想，因此又加了由高频三极管9018和反相器组成的正反馈电路完成方波整形，输出经D5、D6限幅、运放IC:

A衰减放大后输出V0.p-p=200Mv,的方波信号。

RW5用于调节电平偏移，使输出方波对称.

运放的电源由LM7812T和LM7912T加散热器组成，保护电路电源由一片LM7812提供。

74LS04用的5V电源由12V稳压电源经限流、稳压二极管提供。

功放电源由精密稳压器LM317T经功率三极管扩流组成，此电流功率裕量大，动态特性好，工作可靠。

保护电路如11所示

图11保护电路

此电路是试验所得的成熟电路。

开机时，电源接通，功放得电，但因继电器J1未吸合，功放无输出。

这可防止功放得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。

C14通过V2、R24放电。

当输出降低后，V2截止，但C14通过R15和V3发射结充电，V3继续导通，当C14充电结束后，V3截止，V4导通，继电器J1吸合，装置重新输出。

C8为了吸收个别巅峰脉冲，起滤波作用，RW3用于设定保护电压。

本电路可以有效地保护负载不过载，对功放也由一定的保护作用。

4.2.3测试电路

因本设计是以模拟放大为主，因此，线路板为自行设计并用油漆绘制、三氧化铁腐蚀所得。

各弱信号之间采用双芯后三芯屏蔽线联结。

1.电源

将运放电源板断开负载，接上交流电源，测得直流输出电压分别为+12V和-12V，带上不同的电阻负载，在不超过额定电流的情况下，输出电压稳定，运放电源调试通过。

将功放电源板的负载断开，不接扩流功率管，用万用表直流电压档测LM317T的输出电压。

改变可调电阻RW6，输出电压从1.25V至19.5Vl连续可调，然后在空载下，将电压调制10V，接上10Ω/30ΩD电阻负载，测得输出电压仍为10V，说明LM317T工作正常。

接上扩流功率管3AD53C，在空载下将输出调制15.00V然后带上10VΩ电阻负载，测得输出电压为14.95V，电流约为1.5A。

稳定电源稳定，用毫伏表测得电源文波<1mV。

2前置放大器

插上运放NE5532N，用直流稳压电源供电，在输出端加上Vi.p-p=10mVde正选信号，将Si拨至正选，用示波器测IC2:

B输出无直流且Vo.p-p=150mV，再将RW1调到电阻值最大，测得IC2：

A输出Vo.p-p=3.3V,再将输入信号增大到Vi.p-p=700mV,测得IC2:

B输出Vo.p-p=21.1V,调节RW1，IC2：

A输出随之改变，前置放大器调试通过。

3.功率放大器

将LM1875紧固在铝散热器上，芯片与散热器之间用云母片良好绝缘，再将散热器固定在电路板上，并焊好芯片引脚。

将输入端交流接地，输出不带负载，加上稳压电源，无异常现象发生，再带上10Ω负载，用示波器测得输出Vo.p-p=2mV，即Vp=0.001V。

计算功放静噪音声功率：

P=（1/2）（V2p/RL）=0.5*0.00012/10=0.05mW

将输入信号频率从1HZ由小变大调到20KHZ，均未出现自激震荡和波形畸变，证明功放性良好。

4波形变换

在输入端加上f=1000HZ,Vi.p-p=10M正选信号，用示波器测得IC4：

A输出方波上升沿τ=1μs，下降沿τf=0.8μs，虽能满足要求，但裕量不够，试着在R4两端并联小电容。

当C17=0.1

Μs，上升沿和下降沿徒度都增加，且无过冲，此时测得上升沿τr=0.5μs,下降沿τr=0.6μs。

再配合调节电位器RW4和RW5使IC：

4输出方波上下对称，左右宽度相等，且Vo.p-p-200mV，波形变换电路调试通过。

5.保护电路

打开电源，延时约3秒钟继电器J1吸合，调节RW3到一定位置，有小到大调节输入信号，当输出达到一定值时，继电器释放，输出切断。

减小输入信号后约3秒钟，继电器重新吸合，输出恢复正常，证明保护电路正常工作。

因要求效率过高，即在最小的电源电压下输出最大不失真功率，因此过载保护电路此处不用，应将RW3可调端到零。

过载保护主要在电源电压较高而负载功率小于放大器输出功率的场合。

总结

本次毕业设计，使我对以前所学的知识有了新的认识。

特别是在对硬件的利用，要求对以前所学的绘图知识有一个能综合运用的能力。

利用ptotel软件绘制电路原理图，以及生成PCB图。

以及对数字模拟电路的掌握情况和灵活运用，尤其对元器件的掌握。

通过毕业设计，是我的设计思路更宽了和应用软件的能力提高了，这对我以后的学习和工作有很大的帮助。

由于知识和时间的原因，在毕业设计中存在着大量的不足之处，这就需要自己再学习更多的知识在老师的帮助下来改进设计。

在毕业设计中我充分体会到自己知识的匮乏，这就意味着自己还需要付出更多的时间来学习专业知识，充实自己的头脑。

令自己在以后的学习和工作中应用起来的心用手。

致谢

本论文是在范庆忠老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，论文完成的每一个环节都凝聚着老师的心血。

在论文设计中，范老师渊博的学识和丰富的实践经验以及严格的治学态度使我终生受益。

让我不仅学到了课题的研究方法和对科研工作认真、求实的学风和态度，也学到了为人师表、助人成才的高尚品格。

因此，特向范老师表示衷心的感谢。

在此我还要感谢在设计中帮助过我的同学，老师，以及图书馆，为我顺利完成设计提供了帮助。

电子信息技术日新月异地飞速发展，人们总是处在不断学习阶段，再加上我水平有限，所以本设计肯定存在许多不尽人意的地方，欢迎广大老师和同学批评指正。

最后，再次感谢范老师和在百忙之中评阅论文和答辩的老师们。

谢谢！

参考文献：

《EDA技术》叶建波余志强清华大学出版社北京交通大学出版社

《电工技术》席时达高等教育出版社

《高频电子线路》胡宴如高等教育出版社

《数字电路技术》杨志忠高等教育出版社