低频功率放大器电子系统设计Word文档下载推荐.docx

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谭建军

二〇一一年十一月

设计要求：

1.设计低频功率放大器，要求贷款20Hz—20kHz，输出功率大于0.5W，效率大于65%，无明显失真；

2.用EWB仿真；

3.搭建电路系统，测试主要参数

设计概述；

该低频功率放大器主要用于对音频信号（20Hz—20KHz）进行放大，具有较强的放大能力。

整个电路主要由阻抗匹配电路、前置放大电路、功率放大电路组成。

设计的电路结构简洁、实用，充分利用到了集成功放的优良性能。

仿真实验结果表明该低频功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标。

1.总体方案设计

1.1总体方案论证

系统原理方框图如图1所示。

根据题目任务,设计有三个电路：

图1

整个电路主要由阻抗匹配电路、前置弱信号放大电路、功率放大电路组成。

阻抗匹配电路，即电压跟随器，完成输入信号与放大电路之间的阻抗匹配；

前置放大电路主要是对输入信号进行电压放大；

功率放大电路完成对电压、电流的放大，为负载提供能量，增加带负载的能力。

对8HZ—131KHZ的弱信号都具有放大能力，通过调整，可严格控制在20Hz—20kHz

1.1.1阻抗匹配电路

阻抗匹配电路，即阻抗变换。

在本电路中，由于输入阻抗可能很小，故采用电压跟随器来作阻抗变换。

由于考虑到带宽、噪声等的影响，采用前置放大电路中的运放作为放大器。

1.1.2前置放大电路

:

前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成放大器构成。

符合上述条件的集成电路有：

LM5213、TDA1514、NE553等。

本系统设计选用NE5532，因为同众多的运放相比,NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器,具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能。

提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能,较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。

1.1.3功率放大电路

方案一：

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。

但外围元器件较多，调试要困难一些。

方案二：

采用专用的功放集成芯片。

TDA2030集成芯片，外围电路简单，且输出功率较大。

该集成电路内部设有过载过热及感性负载反应。

根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。

由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。

许多优质功放均是分立功放。

。

故本系统设计选用方案二。

该方案的优点是：

技术成熟，外围元器件少，保护功能较完善，调试简单，便于扩展功率.

2.单元模块设计

2.1阻抗匹配电路

跟随电路具有输入电阻大，输出电阻小的特点，可以做多级放大器的中间级，即缓冲级。

说得通俗一点，就是做阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配。

所以两级放大电路前加了跟随电路实现阻抗匹配。

图2阻抗匹配电路

2.2前置放大电路

本设计采用的是集成运算放大器方案,设计前置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有LF347、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、NE5534等。

为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用集成运算放大器构成前置放大器电路时,必须采用同相放大电路结构,电路如图3所示。

图3前级放大电路

为了尽可能保证不失真放大,图3只采用一级运算放大器电路A1,该级放大器的增益取决于

和

即

为保证前级有较大的电压放大能力，因此可取相应的电阻值，即

由上述分析可知,低频功率放大器的放大倍数理论上为11倍，能保证充分发挥线性放大性能并满足带宽要求,从而可保证不失真,即达到保真放大质量。

C5为耦合电容,为保证低频响应,要求其容抗远小于放大器的输入电阻。

R2各级运放输入端的平衡电阻,对静态工作点具有调节作用。

而实际测得当输入

时，频率为1kHz时，输出

鉴于以上情形，可取前级放大

10

对于前置放大器,要求信号最强时,输出不失真,即在

时,

当输入信号

=100mV，而输出不衰减时

=

=0.10V10=1.00V。

功率放大要求输出

2V,,考虑到元件误差的影响,取

=3V,,而输入信号最小为100mV,则第二级放大器倍数为

取

要求TDA2030具有4倍以上的放大电压的能力。

2.3功率放大电路

本设计采用集成功率放大电路，该电路具有低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，还可外加散热片解决散热问题。

以下介绍采用集成芯片TDA2030构成的的功率放大器。

图4功率放大电路

TDA2030A是德律风根生产的音频功放芯片，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构，其主要特点有；

[1].外接元件非常少。

[2].输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。

[3].内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

[4].TDA2030A能在最低±

6V最高±

22V的电压下工作在±

19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率。

无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。

在图4电路中，，功率放大后从4脚输出加到扬声器R3。

R9、C7串联接在输出端用以抑制高频噪声。

R1、R2和电位器R5组成增益可调的反馈网络；

C2为直流负反馈电容；

直流负反馈的作用是稳定静态工作点，而对放大电路的各项动态性能没有影响，动态性能指放大倍数、通频带、输入及输出电阻等。

R4为输入接地电阻，防止输入时引起感应噪声；

电源电压采用双电源

供电。

在此电路中，

而R1=100K,R2=20K,,电位器R5在0~20K之间可变，理论上A

可在3.5~6之间可调。

因为要求输出到8Ω电阻负载上的功率Po≥0.5W，而

而现测得实际输出电压为

输出功率为

3.仿真与分析

3.1功率与效率分析

总功率为电源提供的功率和信号源的功率，由于信号源的功率太小，固主要是电源提供的功率，测得前级电源的电流为1.776uA，功率放大时电源电流为51.23mA

因此可以认为后级电源提供功率就为总功率且

所以计算效率为

3.2输入输出波形：

在1KHz情况下，输入0.10V，输出4.0V（峰峰值）,功率能达到要求

图51kHz输入输出波形

求在20Hz（声音下限）情况下，输入0.10V，输出4.0V（峰峰值）,功率能达到要求，但是从仿真图上可以看出，输入和输出之间有相位差，分析各部分，原因可能是耦合电容和放大器内部电容构成的高通网络，对于频率较低时产生了相移。

图720Hz输入输出波形

在20KHz（声音上限）情况下，输入0.10V，输出4.0V（峰峰值）,功率能达到要求，也没有相移。

图720kHz输入输出波形

3.3频率响应分析

如图8所示，由波特图测得该系统的同频带为8Hz~131kHz,因此对于20Hz~20kHz的声音信号，有很好的放大能力。

8Hz下降3dB131kHz下降3dB

图8通频带

通过仿真，该低频功率放大器完全能满足要求，对音频信号能不失真地放大。

在仿真调试过程中可以看到，影响通频带下边频为C2，C2越小，下边频越大；

影响上边频的有TDA2030固有的上边频的限制外，还有由R9、C7组成的抑制高频噪声的RC串联电路。

4.设计总结：

从仿真实验的各项数据分析,本电路具有很好的频率响应特性,从测得的带宽可以看出,该功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用,并在规定范围内可实现增益调节，能较好地达到实际要求,也符合理论上的要求。

参考文献：

[1]电子技术基础（模拟部分第五版），高等教育出版社，康华光

[2]电子系统设计（第二版），国防工业出版社，陆应华

[3]电子系统设计基础，电子工业出版社，林建英

电路图