低频功率放大器设计论文2.docx

低频功率放大器设计论文2.docx

《低频功率放大器设计论文2.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低频功率放大器设计论文2.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

低频功率放大器设计论文2

目录

前言最新1

一、设计要求：

3

二、总体方案设计4

（一）总体方案论证4

（二）单元模块方案论证与比较4

三、理论计算6

（一）输出电压与功率计算6

（二）系统放大倍数的计算7

四、单元电路与程序的设计7

（一）低噪声前置放大电路7

（二）带阻滤波电路8

（三）信号放大与功率放大电路8

（四）峰值检波电路9

（五）自制稳压电源电路10

（六）单片机采样电路框图10

（七）系统软件与程序设计10

五、测试方案与测试结果11

（一）输出功率的测量11

（二）通频带的测量12

（三）输入阻抗的测量12

（四）输出噪声电压的测量13

（五）测量、显示功能的测试13

（六）失真度测量14

总结15

致谢16

参考文献17

前言

功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。

随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。

在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。

低频功率放大器作为音响等电子设备的放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。

同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。

因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。

功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的发展阶段：

电子管功放晶体管功放集成功放。

功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。

电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。

电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，其缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用期限。

因此在实际使用中有一定的局限性。

现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。

人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到0.05%以下。

场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。

场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。

由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。

由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

现今功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。

然而低频功率放大器已经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,乃至思想认识上都取得了长足的进步。

目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多,典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514。

这些优质功放模块体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作易调试。

最近，一种应用砷化钾MESFET制成的功率放大器MMIC，在移动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.5×3.48平方毫米的MMIC输出功率可达1.1W，工作频率达950MHZ。

本文给出一种简单实用、制作成本低廉的实用低频功率放大器的设计方案,并给出实际测试结果。

功率放大可由分立元件组成,也可由集成电路完成。

由分立元件组成功率放大器，如果进行精心的设计，则在效率和失真方面更优于集成的，价格方面便宜一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时,元件性能就不能很好的表现出来,制作调试比较困难。

从电路的简单性和易调性，集成电路更好些。

本次设计功放采用集成电路和分立元件共同完成。

本实用低频功率放大器设计有两部分组成前置放大级和功率放大级。

前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。

功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。

通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放OPA842、LM324AD和IRF630、IRF9630的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。

一、设计要求：

（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω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20Hz～20kHz。

（3）输入电阻为600Ω。

（4）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。

（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%。

发挥部分

（1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。

（2）在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。

（3）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。

（4）设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。

在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB。

（5）其他。

二、总体方案设计

（一）总体方案论证

按照本系统的设计功能要求，本低频功率放大器系统的设计采用了由OPA842构成的低噪声放大电路，带阻滤波电路信号放大电路、功率放大电路、波形变换电路、单片机控制、AD转换、LCD显示、稳压电源等几个模块组成。

电路的系统框图如图1所示。

电源

图1系统框图

其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务；直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量．由于方波中含有丰富的高次谐波分量，波形变换电路提供方波，可通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标，保护电路可以有效地保护负载不过载，对功率放大器也有一定的保护作用。

该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。

下面对每个单元电路分别进行论证。

（二）单元模块方案论证与比较

1低噪声放大电路

设计要求：

要求输出噪声电压有效值小于5mv

方案选择

方案一：

由OP07构成的放大电路。

OP07芯片是一种低噪声，非斩波零稳态的双极性运算放大器集成电路增益带宽积为0.5M。

当输入5mv/20Hz——50KHz的信号时，其放大倍数最大只能达到25倍，不能达到题目的放大要求

方案二：

有OPA842构成的放大电路。

OPA842芯片是由TI公司提供的一种低输入电压噪声，极低失真的双极性运算放大电路，增益带宽积为200M。

当输入5mv/50KHz的信号时，其放大倍数可达4000倍，远超过题目要求的放大倍数。

综上所述，我们选择方案二。

2带阻滤波器方案论证与选择

方案1：

利用一个放大器来实现带阻，本电路简单，易于调试，但是计算麻烦，造成参数不精确。

方案2：

通过用前级一个低通滤波器后级连接一个高通滤波器来达到带阻的要求，通过两个滤波器来实现便于计算，可更好的提高通频带的范围，可以使电路更加精确。

综上所述，我们选择方案二

3功率放大电路

设计要求：

当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。

方案选择

方案一：

采用乙类互补对称功率放大电路（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OCL电路要采用双电源供电，电源利用率不高。

方案二：

采用具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路（OTL电路），可采用单电源供电，提高了电源的利用率，而且有效克服了普通甲乙类推挽放大电路的交越失真问题。

综上所述，我们选择方案二。

4显示电路方案论证与选择

方案１：

通过后级输出级连乘法器，来实现可输出功率，再通过数码管来实现参数显示的功能，用乘法器可实现题目要求，但是乘法器的在采集电压时如果电压不稳定会造成误差很大。

显示的结果不准确。

方案２：

利用单片机计算功率，通过在输出级采集电源的电压和负载的电压利用单片机进行模数转换，在用程序计算，再通过数码管显示参数，但是，在放大电路采样时，有时信号不稳定，电压的波动过大，会造成单片机的样本不确定，不能精确的计算，而用数码管显示，会造成消耗功率大。

方案３：

利用单片机计算功率，在电源的加一个放大可调的电路，来计算电源的功率，计算输出的功率在负载上采集电压，通过单片机计算，再用液晶显示，在直接在电源输出级采集电压，可提高采集的稳定性，使单片机在计算使更加的精确。

利用液晶显示可降低功耗。

为了更好的提高整机效率，降低性价比。

综上所述，我们选择方案三。

5自制稳压电源

本系统设计采用三端集成稳压电源电路，选用LM7812、LM7912三端集成稳压器。

三、理论计算

（一）输出电压与功率计算

因为设计要求在8Ω电阻负载上输出功率≥5W

即输出最小电压为

（1）

所以

所以其峰值电压

考虑留出一定的裕量,故设计输出功率输出级的电源电压为，输出功率输出级的输出电压峰值则接近12V,，最大输出功率则接近9W，满足题目要求。

（2）P=U×U/2R=12×12/（2×8）=9W

（二）系统放大倍数的计算

根据U和输入信号幅度，求出系统的放大倍数与放大的级数为

倍

考虑到电路的复杂程度，我们确定采用两级放大器，一级跟随器兼增益调节。

前置放大器的增益Av1=200倍，功率放大器的增益Av2=20倍，跟随器兼增益调节的增益Av3=0～1倍。

整机增益为Av=Av1×Av2×Av3=126×25×（0～1）=0～3150倍。

四、单元电路与程序的设计

（一）低噪声前置放大电路

低噪声前置放大电路是由运放构成的反相放大器，运放选取甚低噪声宽带高精度运算放大器OPA842，其失调电压低于25uV，从而有效降低外界噪声干扰。

采用反相放大器，使电路所用元器件的个数降到最少，电路简单可靠，如图2所示。

图2前置放大电路

（二）带阻滤波电路

针对设计要求的阻带频率范围为40～60Hz，且在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB，我们设计了Q值可调、衰减幅度可调的功能，经调试，电路的参数完全达到了，带阻滤波电路如图3所示。

图3带阻滤波

（三）信号放大与功率放大电路

功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，末级功放管采用分立的大功率互补对称的场效应晶体管IRF630、IRF9630，一般电路的反馈采样点选在运放的输出端（图4中a点），而本设计中选取在功率输出端（图4中b点），利用反向比例放大器的强负反馈功能来纠正功率输出及的交越失真。

末级功率放大电路工作在甲乙类状态，静态工作电流为25mA，图4信号放大与功率放大电路。

图4信号放大与功率放大电路

（四）峰值检波电路

峰值检波器为理想检波电路，该电路可以消除检波二极管的正向导通电压所引起的误差。

如图5所示，测得的电压峰值送给M3处理。

图5峰值检波电路

（五）自制稳压电源电路

直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量，根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求，需要稳压电源输出的两种直流电压即±12V。

因三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点，本设计中采用三端稳压电路，电源经2.2uF电解并并上1uF电容依次滤掉各种频率干扰后输出,输出电压直流性能好,实测其纹波电压很小，如图6所示。

图6稳压电源

（六）单片机采样电路框图

（七）系统软件与程序设计

程序由主程序和中断程序组成，如图７所示。

在主程序中，首先对LCD、定时中断T0等进行初始化，给任务变量赋初值，然后进行AD转换并送LCD显示，同时等待中断。

进入中断后，任务全局变量外部有输入时ＡＤ进行采样及数据处理，然后数据更新显示，等待下一次中断执行各任务。

图7程序设计流程图

五、测试方案与测试结果

（一）输出功率的测量

所用仪器：

YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器。

测量方法：

用函数信号发生器提供电压有效值为5mV的正弦输入信号，调整其频率在20Hz～20kHz之间变化，用示波器测量8Ω电阻负载上的电压信号，可以看到输出波形无明显失真。

记录几个随机频率点处负载两端的电压有效值

，利用公式

即可求出输出功率。

测量结果：

如表1所示。

表1输出功率的测量结果

f（Hz）

10Hz

20Hz

60Hz

100Hz

200Hz

1K

2K

10K

20K

（V）

5.3

5.6

7.2

7.2

7.2

7.2

7.2

7.2

（W）

3.5

4

6.48

6.48

6.48

6.48

6.48

6.48

（二）通频带的测量

所用仪器:

YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器。

测量方法：

方法同上，需要分别测量20Hz和20KHz附近处的电压有效值，如果这两点处的电压幅值大于

，而小于20Hz和大于20KHz的频率点的电压值小于

。

测量结果：

如表2所示。

表2通频带的测量结果

U有效

7.07V

f（Hz）

2

6

11

20

5K

10K

15K

20K

50K

100K

140K

（V）

4

5

7.07

7.07

7.07

7.07

7.07

7.07

6.8

5.8

5

（三）输入阻抗的测量

所用仪器:

万用表，YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器。

测量方法：

不接负载，断开电源，在功率放大电路输入端之前串接一个600欧的电阻R，在此外接电阻之前输入电压有效值为5mV正弦信号，用示波器测量外接电阻端的信号电压有效值

和原输入端的信号电压有效值

。

测量结果：

测得

5mV，

2.5mV，根据

可求得

600Ω

（四）输出噪声电压的测量

所用仪器:

带宽为2MHZ的毫伏表

测量方法：

将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值

。

测量结果：

测得

5mV。

（五）测量、显示功能的测试

所用仪器:

YB1731C2A双路跟踪稳压稳流电源，YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器，万用表。

测量方法：

把万用表串联在直流信号源与功率放大电路之间，利用其电流档测直流输入电流

，直流电压

可通过信号源直接读出；用示波器测量8Ω电阻负载上的电压有效值

，利用公式

得直流电源的供给功率；利用公式

可得输出功率；利用公式

测量结果：

12V,

613mA，

可得整机效率；测量结果可从LCD上直接读取。

6.36V,

=68%。

（六）失真度测量

所用仪器:

YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器。

测量方法：

测量8Ω电阻负载上的电压信号，用基波剔除法，即测量信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。

总结

该系统采用直流供电，低频交流信号输入、由低频功率放大模块、减法器功能电路模块、峰值检测电路模块、TLC1543AD采样转换模块，单片机控制模块、显示LCD12864模块组成、带阻滤波器来增强系统的抗干扰性能。

系统具有低频功率放大功能，测量并显示直流电源功率、交流输出功率、效率功能、抗干扰能力强等特点。

致谢

本设计是在刘祖云老师的精心指导和鼓励下完成的。

刘老师深厚扎实的学识，严谨的学风和真诚谦逊的品质，使我在这次设计过程中收益匪浅。

刘老师在设计方面对我的指导和帮助令我终身难忘。

在此，谨向刘老师表示衷心的感谢！

同时我要感谢所有支持和帮助过我的同学和老师！

此外，我还要感谢在我的论文中所有被援引过的文献的作者们，他们是我的知识之源！

最后，向评阅本论文及参加论文答辩的专家和老师及同学们致以最为崇高的谢意。

参考文献

[l]付家才．单片机控制工程实践技术[l川．北京：

化学工业出版杜．2004．

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994—1999）.：

北京理工大学出版社，2003.

[3]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训教程.北京：

电子工业出版社，2007.

[4]胡宴如.模拟电子技术北京：

高等教育出版社，2006.

[5]胡翔骏电路分析（第二版）北京：

高等教育出版社2007

[6]华成英、童诗白模拟电子学基础（第四版）北京：

高等教育出版社2006

[7]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北京：

电子工业出版社2007

[8]黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计北京：

北京航空航天大学出版社2006

[9]谭博学、苗汇静集成电路原理及应用（第二版）北京：

电子工业出版社2008

[10]夏路易、石宗义电路原理图与电路板设计教程PROTEL99SE北京希望电子出版社2002

[11]谷丽华、辛晓宁、么旭东实用低频功率放大器的设计沈阳化工学院学报2005年01期

[12]NE5532、NE5534、OPA842等器件的DATASHEET

附录A（程序）

#include"lcd3.h"

#include"key.h"

#include"systemInit.h"

//#include"uartGetPut.h"

//#include

#include

#include

voiddelayms（intms）

{inta;

for（a=0;a<=ms;a++）

{;

}

}

#defineADCSequEnableADCSequenceEnable

#defineADCSequDisableADCSequenceDisable

#defineADCSequConfigADCSequenceConfigure

#defineADCSequStepConfigADCSequenceStepConfigure

#defineADCSequDataGetADCSequenceDataGet

tBooleanADC_EndFlag=false;//定义ADC转换结束的标志

//ADC初始化

voidadcInit（void）

{

SysCtlPeriEnable（SYSCTL_PERIPH_ADC）;//使能ADC模块

SysCtlADCSpeedSet（SYSCTL_ADCSPEED_125KSPS）;//设置ADC采样速率

ADCSequDisable（ADC_BASE,0）;//配置前先禁止采样序列

//采样序列配置：

ADC基址，采样序列编号，触发事件，采样优先级

ADCSequConfig（ADC_BASE,0,ADC_TRIGGER_PROCESSOR,0）;

//采样步进设置：

ADC基址，采样序列编号，步值，通道设置

ADCSequStepConfig（ADC_BASE,0,0,ADC_CTL_CH0）;//第0步：

采样ADC0

ADCSequStepConfig（ADC_BASE,0,1,ADC_CTL_CH1）;//第1步：

采样ADC1

ADCSequStepConfig（ADC_BASE,0,2,ADC_CTL_CH2|

ADC_CTL_END|

ADC_CTL_IE）;

ADCIntEnable（ADC_BASE,0）;//使能ADC中断

IntEnable（INT_ADC0）;//使能ADC采样序列中断

IntMasterEnable（）;//使能处理器中断

ADCSequEnable（ADC_BASE,0）;//使能采样序列

}

//ADC采样

voidadcSample（unsignedlongulVal[]）

{

ADCProcessorTrigger（ADC_BASE,0）;//处理器触发采样序列

while（!

ADC_EndFlag）;//等待采样结束

ADC_EndFlag=false;//清除ADC采样结束标志

ADCSequDataGet（ADC_BASE,0,ulVal）;//自动读取全部ADC结果}

voidmcu_initial0（）

{

SysCtlPeriEnable（LCD_PERIPH）;//注意使用I/O口前一定要使能

SysCtlPeripheralEnable（KEY_PERIPH）;//使能key_GPIO口外设

GPIOPadConfigSet（LCD_DATA,DATA_PIN,

GPIO_STRENGTH_8MA,GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU）;//配置数据端口为8mA，若上拉输出

GPIOPinTypeOut（LCD_DATA,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|

GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7）;//设置PD为输出类型

GPIOPadConfigSet（LCD_CONTROL,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_5,

GPIO_STRENGTH_8MA,GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU）;

GPIOPinTypeOut（LCD_CONTROL,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_5）;//设置PB0~PB3为输出类型

GPIOPinTypeGPIOInput（KEY_PORT,KEY_PIN）;//KEY设置GPIO为输入口

GPIOPadConfigSet（KEY_PORT,KEY_PIN,GPIO_STRENGTH_8MA,//KEY设置GPIO端口GPIO为8mA，带弱上拉输出

GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU）;

}

intmain（void）

{unsignedchark;

unsignedchartemp;

unsignedcharnum;

unsignedcha