实用低频功率放大器的设计.docx

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实用低频功率放大器的设计

实用低频功率放大器的设计

摘要

本课题介绍制作具有小信号放大能力的低频功率放大器，主要介绍其基本原理、内容、技术线路等。

本系统是基于（IC）NE5532，（IC）LM1875设计而成的一种低频小信号功率放大器，由直流稳压电源，电压放大级电路，功率放大级电路，带阻滤波电路及数据采集显示模块五部分组成。

其主要功能是将10Hz----50KHz的低频小信号放大，当输出功率大于5W时波形无明显失真，并将系统的输出功率，直流电源的供给功率和整机效率实时地显示出来。

本设计具有低功耗，性价比高，稳定性好，应用广泛等优点。

关键词：

功率放大

集成块NE5532集成块LM1875集成块AD736

单片机AT89S52

Abstract

Thistaskintroducehowtomakeoneofbassfrequencypoweramplifier,whichcanblowuppunysignal,andtheamplifier’sbasicprinciple,contentandthetechnology.

ThisbassfrequencypoweramplifierisbasedupontheIntegratedblockNE5532andtheIntegratedblockLM1875.Itcontainsfivesegmentssuchasthevoltage-stabilizedsource,thevoltage_blowupcircuit,thepower-blowupcircuit,theBEFcircuit,thedata_collectionanddata-disposalcircuitandsoon.

Thisbassfrequencypoweramplifier’smostlyfunctionisblowupthebassfrequencypunysignal,whichhasfrom50Hzto50KHzchannel.Thewavehasnoevidentdistortion,whentheoutput-powerhasovered5W.Thisdesignrequiredisplaythesystem’soutput-power,theDC’spurveypowerandthewholeenginery’sefficiencymomentarily.

Thisdesignhasalargenumberofadvantages,suchaslownesspower,thegoodcapabilityandtherightprice,theupstandingstability,thefar-rangingapplicationandsoon.

Keywords:

PowerBlowup（IC）NE5532（IC）LM1875（IC）AD736MCUAT89S52

摘要I

AbstractII

目录III

前言1

1、设计分析及技术指针2

2.系统设计方案3

3.方案设计6

4.各单元电路的设计13

5.软件设计40

6.测试结果分析41

结论42

致谢43

参考文献44

附件45

前言

低频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。

低频功率放大器是一个技术已经非常成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论是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。

尽管目前市场上功放的价格已经很低，但少则几百，多则几千元的价格还是让人有些不舍，本文给出一种简单实用，制作成本低廉的低频功率放大器的设计方案，并给出测试结果，给音响发烧友提供一种实用方案。

功率放大可以由分离组件组成，也可以由集成电路完成由分离元器件组成的功放，如果电路选择的好，参数设置恰当，组件性能优越，制作调试的好，则性能会高于较好的集成运放，但是从性价比方面，本文选择集成运放来制作。

因此本论文的设计，注重的是与实际相结合，有一定的实用性，是现代低频小信号放大器设计的一大发展趋势。

1、设计分析及技术指针

1.1设计分析

本设计的任务是设计并制作一个低频小信号功率放大器。

随着集成电路的发展，移动电话，数字媒体技术，平面电视，便挟式数字化产品对低频功放提出体积小，效率高等要求。

数字化D类功率放大器（工作在极快开关状态，产生很大的di/dt和du/dt，这些都是产生电磁干扰）成为了市场主流，但是，对于音频功率放大器电路的设计制作还是基于NE5532（IC）的甲乙类低功耗，高效率低频功率放大器为主流，同时采用甲乙类功率放大器电路设计也符合设计要求。

1.2设计技术指标

（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时（本系统的正弦信号电压有效值范围5mV---700mV），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10Hz～50kHz；

（3）输出噪声电压有效值V0N≤5mV；

（4）尽可能提高功率放大器的整机效率；

（5）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%；

（6）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。

2.系统设计方案

2.1方案一

D类功率放大器：

尽管通过改进的线性功率放大器的效率可以达到70.2%，但是要想使不失真的效率超过75%几乎是不可能的，更不用谈80%以上的效率。

其根本原因是，输出级的晶体管需要吸收电源电压与输出电压之间的电压差值，因此，输出功率以外的剩余输入功率将全部消耗在输出级的晶体管中。

如果想达到80%以上的效率，对于音频功率放大器而言，必须要改变放大器的线性工作状态，而采用开关模式，使输出级的晶体管仅仅工作在开关状态，即不是彻底导通就是彻底关断，不再工作在放大区。

D类音频功率放大器工作在开关状态，需要将输入的模拟信号转换成为脉冲信号，并用这个信号控制输出级开关管的导通与关断。

所获得的脉冲信号还需要还原成模拟信号，可以通过低通滤波器实现，从调制角度，可以认为将模拟信号转换成脉冲信号为调制。

同样将脉冲信号还原成模拟信号则可认为是解调。

这样，D类功率放大器就可以用调制、脉冲放大、解调3个环节来描述，其框图如图2.1所示。

图2.1D类音频功率放大器

如图2.1所示，图中的调制环节由三角波发生电路和脉冲宽度调制（PWM调制）电路构成。

2.2方案二

提高功率放大器效率的基本方法：

影响功率放大器的主要因素：

功率放大器输出级的最小工作电压（类似于现行稳压电路的输出调整管的最小输入/输出电压差）和B类功率放大器所固有的效率。

如果需要保持功率放大器工作在线性状态，提高功率放大器效率的主要方法是降低功率放大器输出级的最小工作电压。

随着MOS技术进入线性集成电路领域，以及全新的输出级的电路结构，使线性放大器输出电压幅度可以接近电源电压幅度，即满幅度输出放大器（rail-to-rail）。

对于集成功率放大器而言，如果输出电压幅度可以达到电源电压幅度，则满功率的效率就可以接近纯B类放大器的效率，如TPA0152的满功率效率可以达到70.2%，相对50%更接近78.5%。

基本上达到了线性放大器的最优境界。

综合对比分析方案一和方案二：

如果直接采用集成D类音频功率放大器就可以非常方便地实现实体的目标。

5V供电时8欧姆的满功率输出可以达到1W。

但是目前，D类音频功率放大器还不能够彻底取代线性音频功率放大器，其主要原因是由于输出级工作在极快的开关状态，产生很大的di/dt和du/dt，这些都是产生电磁干扰的主要原因之一；产生前列电磁干扰的另一个原因是D类饮品功率放大器的功率级引线的寄生电感和输出电感的电磁效应，功率级引线的“天线”效应将产生比较强烈的空间电磁场干扰。

所以本设计任然采用线性音频功率放大器电路，原理框图如图2.2所示。

如图2.2所示，方案二同样经过前置和功率放大后接负载，不同的是采用真有效值测量芯片AD736效转换后，经过采样经过单片机

图2.2方案图

驱动液晶显示器显示出来，实现输出电压的显示。

相比两个方案，方案一虽然电路简单，但测量值没有方案二精准，误差略大，经过分析比较，最后选取方案二。

3.方案设计

3.1低频小信号功率放大器电路的框图

框图由波形变换、前置放大、功率放大、滤波电路、稳压电源、数据采集处理、显示及保护电路等单元组成。

如图3.1所示。

图3.1低频小信号功率放大器电路的框图

3.2低频小信号功率放大器电路原理图

见附图1、附图2：

原件清单见附表1：

3.3电路内部各框图的工作原理

3.3.1±15V+5V稳压电源电路各框图的工作原理

（1）220V交流电源变压

该电路的设计是采用带有抽头的变压器，一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的合适范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。

所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。

因此，就要通过变压器将220V的交流电源经过变压器降到大约十几伏左右的交流电源。

（2）整流电路

该电路的设计采用的是桥式整流电路，该电路的作用是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。

由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。

所以变压后的交流电源经过桥式整流电路整流后得到的是含有脉动的直流电源。

（3）滤波电路

该电路的设计采用RC滤波电路，该电路的作用是对整流部分输出的脉动直流电压进行滤波，使之成为含交变成份很小的直流电压源。

也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。

使得输出的直流电源具有一定的稳定性，该电路的设计简单，脉动系数小等优点。

（4）稳压电路

该部分电路的设计采用的是串联型直流稳压电源电路,尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

该电路的组成部分有采样电阻、放大电路、基准电压、调整管和保护电路。

采样电路由分压电阻和一个滑动变阻器组成，主要功能是把输出的变化量的一部分送入到放大电路的输入端。

而放大电路将来自取样电阻的电压的变化量经

过放大送入调整电路，通过调整电路自身的调整，使得输出的电压保持不变。

从而也就使得该电路具有一定的自我调节能力,能够随着输入电压的波动自动调节输出电压VO,保持VO的稳定。

最后的保护电是接在调整电路和输出电压之间的主要是保护调整管的。

3.3.2波形变换电路模块的工作原理

图3.2脉冲波形参数定义描述

脉冲波形的上升时间TR，下降时间TF,顶部倾斜和波形过冲量等参数的定义如图3.2所示，脉冲上升时间TR和下降时间TF是以脉冲幅度的10%---90%的时间为测量点的。

由频谱特性可知，脉冲前后沿越陡峭，TR和TF越小，则其频谱所占的带宽越宽。

如果要一个网络不失真的传输这个脉冲，它就必须有足够的带宽。

理论分析和实践证明，脉冲的TR或TF与带宽BW的关系可以近似地表示为：

TR*BW=0.35～0.45

式中，如果脉冲的过冲量较小（δ≤5%），则TR*BW≈0.35；当过冲量较大（δ＞5%），TR*BW≈0.45。

可定义为脉冲过冲幅值VS与脉冲幅值VM之差和VM的比的百分数,α=（VS-VM）/VM。

所以，α和BW有关，BW越大α越小。

为了尽可能的降低TR，TF以及过冲量，必须选用频带足够宽的放大器来进行波形变换。

3.3.3前置运放电路模块的工作原理

图3.3前置运放

如图3.3所示，端子2的电压UB跟随端子3的电压UA（UB=UA）；由电压和电阻的比例关系可得:

;所以，输出电压UC为UB的10倍。

所以放大倍数：

但是运算放大器的输出电压最大可达到电源电压的70%左右。

3.3.4功放电路模块的工作原理

在实用电路中,往往要求放大电路的末级输出一定的功率以驱动负载。

从能量控制和转换的角度来看功率放大电路与其它的放大电路在本质上没有根本的区别，只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯输出大电流，二是追求的电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。

功率放大电路的主要任务：

在允许的失真限度内，尽可能高效地向负载提供足够大的功率。

因此，功率放大电路的电路形式，工作状态，分析方法等都与小信号放大电路有所不同。

对于放大电路的基本要求是：

（1）输出功率要大。

输出功率

，要获得大的输出功率，不仅要求输出的电压高，而且要求输出的电流大，因此，晶体管工作在大信号极限运行状态，应用时要考虑管子的极限参数，注意管子安全。

（2）效率要高。

放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换负载交流能量的过程，其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值。

3.3.5滤波电路模块的工作原理

由回转器构成的BEF:

一种利用由回转器和电容器所产生的串联谐振电路。

回转器条件：

；电感

；

。

3.3.6数据采集电路模块的工作原理

包含MCU，AC真有效值采集，AD转换。

AC真有效值测量：

在科学实验和生产实践中，会遇到大量的非正弦波。

可以采用真有效值转换技术，即不是通过平均折算而是直接将交流信号的有效值按比例转换为直流信号。

交流电压的真有效值采集是通过电路对输入交流电压进行“平方→求平均值→开平方”的运算而得到的。

AD转换：

逐次逼近式A/D转换器主要由逐次逼近式寄存器SAR、D/A转换器、比较器、基准电源、时序与逻辑控制电路等部分组成。

设定在SAR中的数字量经D/A转换器转换成跃增回馈电压Uf,SAR顺次逐位加码控制Uf的变化，Uf与等待转换的模拟信号Ui进行比较，大则弃，小则留，逐渐累积，逐次逼近，最终留在SAR寄存器中的数码作为数字量输出。

ThevoltageinputtotheADCisexpressedbytheequation：

VIN=InputvoltageintotheADCVfs=Full-scalevoltage

VZ=ZerovoltageDX=Datapointbeingmeasured

DMAX=MaximumdatalimitDMIN=Minimumdatalimit

（1）这种A/D转换器对输入信号上叠加的噪声电压十分敏感，在实际应用中，通常需要对输入的模拟信号线进行滤波，然后才能输入A/D转换器中处理。

（2）这种转换器在转换过程中，只能根据本次比较的结果，对该位数据进行修正，而对以前的各位数据不能变更。

所以，A/D转换器必须要配合采样/保持器使用。

3.3.7保护电路模块的工作原理

图3.4保护电路

如图3.4所示，开机时，电源接通，功率放大器加上电，但因继电器J1未吸合，功率放大器无输出。

这可以防止功率放大器在上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通过电阻R15充电，电容充电结束Q3截止，Q4导通，继电器吸合，功率放大器有输出。

若输出超载，即输出电压平均值超过保护设定值时，则D7导通Q2,Q3导通，Q4截止，继电器J1释放，同时C14通过Q2、R24放电。

当输出降低后，Q2截止，但C14通过R15和Q3发射结充电，Q3继续导通；当C14充电结束后，Q3截止，Q4导通，继电器J1吸合，装置重新输出。

C8是为了吸收个别尖峰脉冲起滤波作用，Rw3用于设定保护电压。

本电路可以有效地保护负载不过载，对功率放大器也有一定的保护作用。

4.各单元电路的设计

简要说明：

低频小信号功率放大器系统框图见图3.1，原理图件附图1。

由低频功率放大器（前置放大器和功率放大器）、波形变换电路、直流稳压供电电路、保护电路、数据采集处理电路和显示电路等组成。

低频功率放大器用来提供5W以上的输出功率；波形变换电路将正弦信号电压转换成规定的方波信号电压；用来测试放大器的时域的特性指标；稳压电源为功放电路和波形变换电路提供稳定的直流电源；数据采集处理电路和显示电路为实时地显示功率放大器的转换效率。

由于系统要求输出额定功率不小于5W，考虑留出50%的裕量，故设计输出功率应在8W以上，同时输出负载8Ω，则负载上正弦波输出电压幅值为：

Uo=11.3V≈11V

Ui的范围是5mV---700mV之间，所以

系统的最大增益：

AMAX=20lg〔11V/（5mV）〕=66.8db≈68db

系统的最小增益：

AMIN=20lg〔11V/（700mV）〕=23.9db≈24db

整个放大电路的增益应在23.9db～66.8db范围内可调。

为了保证放大器的性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在20db～40db（放大倍数10～100倍）之间。

故整个放大器增益通过三级放大实现。

为方便增益可调，可使功放级（包括功率管和直接推动功率管的运放）增益固定，且必须小于AMIN，故增益取20db。

则前置级需要两级，其总增益应在4db～48db之间可调。

4.1前置运放电路的设计

目前有大量高性能的集成运放和专用的低频前置放大器集成电路，其开环增益都在100db左右，能提供足够的增益。

前置放大级主要完成小信号电压放大的任务，其失真度和噪声对系统的影响是优先考虑的指标。

4.1.1方案一：

采用运算放大器构成的前置放大电路

设计前置放大级时可供选用的集成运算放大器很多，如NationalSemiconductor公司的LF347、LF353、LF357，PrecisionMonolithics公司的OP16、OP37,Signetics公司的NE5532、NE5534等。

主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、转换速率、噪声和电流消耗等。

为了提高前置放大器电路的输入阻抗和共模抑制性能，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构成。

如图4.1所示。

图4.1采用同相放大电路构成前置放大器电路

为了尽可能保证不失真的放大，图4.1中采用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

由上述分析可知，低频功率放大器的总增益为68db，两级前置放大器的增益安排在50db左右比较合适，每级增益在25db左右，以保

证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽要求，从而保证不失真，即达到高保真放大质量。

图4.1中C1、C2分别为隔直流电容，是为了满足各级直流反馈。

稳定直流工作点而加的。

但对于交流反馈，C1、C2必须呈现短路状态，即要求C1、C2的容抗远小于R1、R3的阻值。

C3、C4为耦合电容，为了保证低频响应，要求其容抗远小于放大器的输入电阻。

R5、R6为各级运放输入端的平衡电阻，通常R5=R2,R6=R4。

前置放大采用集成运放NE5532,同众多的运放相比，它具有高精度、低噪声、高阻抗、频带宽等优良性能，具体指标参数为：

转换速率9V/us，增益带宽10MHz，直流增益为50000倍，最高工作电压为±22V，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、高频段均能不失真地输出，是电路的整体指针大大提高。

如图4.2所示，一个采用两级NE5532（IC）构成的前置放大电路，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Ui.p-p=5mV时，输出Uo.p-p≥2.53V。

Av=20lg2.53V/5mV=54.5db

对于第一级放大器，要求信号在最强时，输出不失真，即在Ui.p-p=700mV时，输出Uo≤11V（低于电源电压1V）。

所以

=11/0.7=15.7≈15

当输入信号最小，即Ui.p-p=10mV而输出不衰减时

Uo1.p-p=15X10=150mV

第二级放大要求输出Uo2.p-p≥2.53V,考虑到元件误差的影响，取Uo2.p-p=3V，而输入信号最小为150mV，则第二级放大倍数为

=3/0.15=20

取A2=22。

因此，取R6=1K,R7=15K,R17=22K,R18=1K。

图4.2采用两级NE5532（IC）构成的前置放大

4.1.2方案二：

采用专用前置放大器IC构成的前置放大电路

目前有很多性能优越的专用低频前置放大器（IC），如日本夏普公司的IR3R18、IR3R16，工作电压分别是13.2V和8V单电源，闭环增益均为45db，频带BW=30Hz～20KHz，在输出峰值UOM=1.5V时失真系数γ≤1%；NEC公司的upc1228H，Vcc=10V,闭环增益为40db，BW=30Hz～20KHz,UOM=2V时，失真系数γ≤1%；富士通公司的MB3105，Vcc=13.2V，闭环增益为42db，BW=30Hz～20KHz，UOM=2V时，失真系数γ≤1%；对于MB3106，Vcc=6V，闭环增益为42db，BW=30Hz～20KHz,UOM=1.6V时，失真系数γ≤1%。

uPC1228H片内具有双前置放大器，采用8引脚单列直插封装。

图4.3单级uPC1228H前置放大器电路

在本设计中，前置放大器所需要提供的闭环增益为40db以上，采用图4.3所示单级uPC1228H前置放大器电路，其电压增益为

AVC=1+39X1000/330=41.5db

专用前置集成放大级的优点是外围元件少，安装方便，无需调整，与专用集成低频功放电路配合进行设计，器件优越性更突出。

综合上面方案一和方案二，从性价比方面比较选择方案一，不一定要用专用的前置放大器uPC1228H,而且集成芯片NE5532同众多的运放相比，它具有高精度、低噪声、高阻抗、频带宽等优良性能（转换速率9V/us，增益带宽10MHz，直流增益为50000倍，最高工作电压为±22V），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、高频段均能不失真地输出。

完成前置放大器电路是很理想的。

4.2功率放大器电路设计

简要说明：

1、功率放大器的输出功率：

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、功率放大级电路的非线性失真：

功率放大电路工作在大信号时，非线性失真不是必须考虑的问题。

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；3、功率放大电路的效率：

效率的定义为：

输出信号功率与直流电源供给功率之比。

功率放大电路的实质就是能量转换电路，因此它存在着转换效率。

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。

设计要求放大器的带宽BW≥10Hz～50KHz，为了满足10Hz的低频响应，要求各级的输入耦合电容