低频功率放大器.docx

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低频功率放大器

课程设计名称：

电子技术课程设计

题目：

低频功率放大器

学期：

2013-2014学年第2学期

专业：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

李季

XX工程技术大学

课程设计成绩评定表

评

定

标

准

评定指标

标准

评定

合格

不合格

单元电路及

整体设计方案

合理性

正确性

创新性

仿真或实践

是否进行仿真

或实践

技术指标或性能符合设计要求

有完成结果

设计报告

格式正确

内容充实

语言流畅

标准说明：

以上三大项指标中，每大项中有两小项或三小项合格，视为总成绩合格。

总成绩

日期

年月日

课程设计任务书

一、设计题目

低频功率放大器设计

二、设计任务

1．设计具有弱信号放大能力的低频放大器。

2．输入信号为正弦波，电压幅值为5~700mv等效电阻为8Ω情况下要求额定输出功率

≥10ω，带宽Bω≥10000HZ，效率≥55%。

3．设计并制作满足要求的直流电压源。

三、设计计划

电子课程设计一周

第1天：

查找资料，方案论证。

第2天：

设计单元电路。

第3天：

设计单元电路。

第4天：

撰写设计说明书。

第5天：

校订修改，上交说明书。

四、设计要求

1．系统工作原理说明。

2．画出整个系统电路原理图。

3．电路图必须电脑绘制，图形符号符合国家标准。

4．心得体会，发展方向。

5．设计说明书符合格式规X。

指导教师：

李季

时间：

年月日

摘要

本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。

本文首先对功率放大器的课题背景作简要的说明，随后对功率放大器的一些基础知识进行介绍。

此外，相应的介绍低频功率放大器的各单元电路———稳压电源（两个）、前置放大器、功率放大器和低频滤波器的组成与工作原理，详细叙述了前置放大、功率测量电路部分。

关键词：

滤波器；前置级放大；功率放大；NE5532

综述………………………………………………………………………1

1总体方案………………………………………………………………2

2原理及技术指标………………………………………………………3

2.1基本原理图…………………………………………………………3

2.2技术指标……………………………………………………………3

2.2.1基本要求…………………………………………………………3

2.2.2技术指标分析……………………………………………………3

3单元电路设计及参数计算……………………………………………5

3.1低通滤波器…………………………………………………………5

3.2弱信号前置放大级…………………………………………………6

3.3功率放大级…………………………………………………………7

3.4自制稳压电源………………………………………………………8

4系统测试……………………………………………………………10

4.1测试方法和测试结果………………………………………………10

4.2实测指标……………………………………………………………10

心得体会………………………………………………………………11

参考文献………………………………………………………………12

综述

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。

功率放大器的特点是可以带动大的负载，也就是说可以输出大电流，使得主机的额定输出功率能够胜任带动整个音响系统的任务，通过加装功率放大器来补充主机和播放设备之间功率缺口，从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提供良好的音质输出，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。

本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。

整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、低通滤波器四部分构成。

稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源。

前置放大器主要是电压的放大。

功率放大器实现电流、电压的放大。

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。

实验结果表明该功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性,为功率放大器的设计提供了广阔的思路。

1总体方案

本次课程设计（低频功率放大器设计）由四部分组成：

低通滤波器、前置放大级、功率放大级和直流稳压电源。

低通滤波器负责将输入的正弦信号过滤；前置放大级的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；直流稳压电源为整个电路供电。

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。

2原理及技术指标

2.1系统框图

低频功率放大器是一种能够为功率负载，如音响设备的扬声器、电视机的扫描偏转线圈、电动机控制绕组等提供输出功率的装置。

与电压放大器不同的是，功率放大器在负载上要求获得一定程度的不失真（或失真较小）输出功率，而电压放大器在负载上要求获得一定程度的不失真电压。

一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器和功率放大器等电路组成，如一些集成功率放大器芯片，内部就集成有电压放大器和功率放大器等电路。

外供正弦信号源产生信号后经过低通滤波器，再经过弱信号前置放大电路，然后经过功率放大器，最后加到8欧姆负载两端。

自制稳压电源为低通滤波器，弱信号前置放大电路，功率放大器供电。

图2-1系统框图

2.2技术指标

2.2.1基本要求

⑴设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器.在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5～700mV,等效负载电阻RL为8Ω下,放大通道应满足:

①额定输出功率POR≥10W;

②带宽BW≥10000Hz;

③在POR下的效率≥55%.;

⑵自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

2.2.2技术指标分析

（1）功率放大器的输入信号电压Vi由信号源提供5mV~700mV的正弦波，输出电压信号Vo从8Ω的等效负载上获得。

额定输出功率PON≥10W，这项指标说明在输入信号5mV~700mV的X围内，均以PON≥10W的满功率不失真输出，即小信号输入和大信号输入时，都要求满功率不失真输出，因此，要求放大器的增益是可以调节的。

（2）带宽Bw≥10000HZ，该指标指出了功率放大器的工作频率X围，通常用3dB带宽表示，是指放大器的电压增益下降3dB时所对应的频率。

（3）效率≥55％。

这项指标说明功率放大器输出功率的转换效率，通常用输出功率与电源消耗的总功率的比值来表示，即的η=Po/PDC。

3单元电路设计及参数计算

3.1低通滤波器

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面，有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。

它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频率的信号有抑制作用。

有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。

图3-1低通滤波器

为便选取R1=R2=R，C1=C2=C，则通带截止频率为：

f0=fn=

（3-1）

可首先选定电容C=1nF，计算得R=1.59k

，选R=1.6k

。

等效品质因数Q=

=0.707，故Au=1.59，即1+

=1.59，则R4=0.59R3。

为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡，应使R3//R4=2R=3.2k

，则R3=17.2k

，R4=10.2k

，选R3=18k

，R4=10k

。

根据实际选择的元件参数重新计算滤波电路的特征参量。

压控电压源型二阶有源低通滤波器的传递函数为：

（3-2）

令s=

，得到二阶低通滤波电路的频率特性为：

（3-3）

其中，f0=

=100kHz。

通带电压放大倍数为

A0=Au=1+

=1+

=1.56（3-4）

通带截止频率f0与3dB截止频率fc计算如下

f0=fn=

=

=99.5Hz（3-5）

根据fc的定义，当f=fc时，应有

=

（3-6）

即fc=1.27f0=126.4kHz。

3.2前置放大器

图3-2前置放大器

弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。

符合上述条件的集成电路有：

LM5213、LM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。

本系统设计选用NE5532，因为同众多的运放相比,NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能且是双运放集成，具有很高的性价比。

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。

前置放大器采用NE5532，主要承担电压放大任务，由于其在噪声、转换速率、增益带宽等方面优异的指标，而且具有一定的输出电流，作为前置放大和功率的推动级很合适。

第一级前置放大器放大倍数

AV1=1+390/2=196（3-7）

第二级前置放大器放大倍数

AV2=1+200/10=21（3-8）

前置放大器总增益

AV=20lg（AV1AV2）=20lg（196×21）

72（3-9）

符合设计要求。

考虑到输入信号变化X围很大，从外供正弦信号源到弱信号前置放大器之间加一个分压器，用于调试整个系统。

前置放大器与功率放大器之间采用钽电容耦合。

3.3功率放大器

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。

考虑到功率的要求，初步选定输出功率POR=14W，由于负载为8Ω，则要求出正弦波的幅值为

UO2M=

=

15V（3-10）

这一幅值同电源电压的选择及效率密切相关。

将在此之后的电源部分进一步讨论。

由于输入正弦波幅度最小为5V，整个放大通道电压增益为

AV=20lg（15/5

）

70（3-11）

功率放大器为射级输出，电压放大倍数近似为1，故前置放大器的电压放大倍数为3000倍。

图3-3功率放大器

3.4自制稳压电源

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，仅需要稳压电源输出的一种直流电压即+18V。

输出正电压集成稳压电源电路

图3-4输出正电压集成稳压电源电路图

输出负电压集成稳压电源电路

图3-5输出负电压集成稳压电源电路

集成稳压块7818、7819输出电压+18V、-18V，输出电流1.5A，安装时要加大的散热器片。

电源变压器选40W，双21V输出变压器。

功率放大器的电源和地线要用粗点的导线单独接线，不要和前置放大器的电源线一起接线，以防止功率放大器大电流地线对前置放大器干扰。

4系统测试

4.1测试方法

（1）实际输出功率PO

正弦输入信号Ui=5mV，在输出不失真条件下，用晶体管毫伏表测输出电压有效值为UO2，则

PO=U

O2/RL=9.2

/8=10.58W（4-1）

（2）电源输出功率PE

从电源输出端串联一个电流表测得电流为I1，电源输出功率为

PE=I1

（18+18）=1.58

36=18.11W（4-2）

η=PO/PE=58.42%（4-3）

（3）交流声功率

在前置放大级输入端交流端接到地时，用晶体管毫伏表测输出电压有效值为UZ，则RL=8Ω上的交流声功率为

U=30mV，PZ=U

Z/RL（4-4）

4.2实测指标

额定输出功率（POR／W）：

15.68

带宽（BW／Hz）：

≥10000（取点测得，共取7个点）

POR下的效率η：

64.2%

输出噪声电压有效值：

30mV

心得体会

经过几天的查找资料，设计并验证单元电路，成功设计了一个低频功率放大器。

本系统由四部分组成，分别是稳压电源、前置放大器、功率放大器和低通滤波器。

主要难点在电源和功率放大部分，最终达到了一定功率输出。

最后经过测试，基本符合题目要求。

本次课程设计共做了两次，第一次做的时候没有思路，从网上找的相关资料，自己再推理运算得出。

后经老师提点才发现自己的思路是错的，根据老师的提示从图书馆找了相关资料来再次设计。

虽然过程很辛苦很枯燥，但得出想要的结果后心里的喜悦难以言表，所谓的先苦后甜就是如此吧。

通过两次课程设计让我明白了，要想做好一件事就不要怕麻烦，即使过程很枯燥乏味异常辛苦也要坚持下来。

设计电路时比较枯燥，容易出错，需要足够的耐心，并反复演算推理。

可能最开始都得不到理想的数据，需要持之以恒并坚持不懈。

只要付出足够的努力和耐心，最终会得到理想的成绩。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础数字部分.高等教育，2009

[2]王振红，X斯伟.电子电路综合设计实例集萃.化学工业．2008

[3]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）.高等教育，2009

[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.航空航天大学，2006

[5]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．第3版．：

高等教育，2001

[6]程远东，曾宝国．电子设计与制作技术.科学，2011