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低频功率放大器的理论设计
低频功率放大器的理论设计摘要
实用低频功率放大器主要对音频信号进行功率放大,本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器原理、电子线路及应用。
该电路由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路五部分构成。
稳压电源是为前置放大器、功率放大器提供稳定的电源。
前置放大器是进行电压的放大。
功率放大器实现电流、电压的放大。
波形变换电路将正弦信号电压变成要求的方波信号。
设计的电路结构简洁、实用,充分体现了集成功放的优良性能。
该功率放大器失真度较低、效率较高,为以后的功率放大器设计提供了广阔思路。
关键词:
正弦波—方波转换;电路功率放大电路;自制稳压电源电路;弱信号前置放大级电路
Abstract
Theutilityofthelowfrequencypoweramplifieraremainlyappliedintheaudiosignalofpoweramplifier,thisarticleintroducestheweaksignalamplifierabilityhasthelowfrequencypoweramplifier,theprincipleofthecontent,thetechnicalroute.Themaincircuitmanostat,preamplifier,poweramplifiers,wavetransformcircuitandtheprotectioncircuitfiveparts.Voltagestabilizerforpre-amplifier,poweramplifierprovidestabledcpower.Thepreamplifierisvoltagescaling.Poweramplifierrealizecurrent,voltagescaling.Wavetransformcircuitwillsinesignalvoltageintorequirementsofthesquarewavesignal.Thedesignofthestructureissimple,practicalcircuit,makefulluseofthegoodperformanceoftheintegratedamplifier.Thepoweramplifierinbandwidth,distortiondegree,haveahighefficiencyofsolid,forthefollowingpoweramplifierdesigntoprovideabroadideas.
Keywords:
Sinewave-squarewavetransformcircuit;Poweramplifier;Circuithomemademanostatcircuit;Weaksignallevelpreamplifiercircuit
第1章绪
论.
第12章总
体方案的设计.
42总.1体方
案的论证
42.波2形的变换电
路
42.弱3信号前置放大
级
52.功4率放大
级
52自.5制稳压电
源
62.方6案的选
择
第63章单元模块设
计.
73波.1形变换电
路
73弱.2信号前置放大
级
83.功3率放大电
路
103自.4制稳压电源电
路
123.特5殊器件的介
绍
1第24章总
结.
1参4考文
献.
1致5
谢.
17
第1章绪论
低频功率放大器[1]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,乃至于思想认识上都取得了长足的进
步。
随着科技进步在不断发展,一开始的是电子管功率放大器,发展到现在的是集成
功率放大器,它经历了不同的发展阶段:
电子管功放、
晶体管功放、集成功放。
1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管,开创了人类电声技术的先河。
1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后,使音响技术的发展进入了一个崭新的
时代,比较有代表性的如"威廉逊"放大器,较成功地运用了负反馈术,使放大器的失
真度大大降低,至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期,各种电子管放大器层出不穷。
60年代晶体管的出现,使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。
晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。
在60年代初,美国首先推出音响技术中的新成员--集成电路,到了70年代初,集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点,逐步被音响界所认识。
70年代的中期,日本生产出第一只场效应功率管。
由于场效应功率管同时具有
电子管纯厚、甜美的音色,以及动态范围达90dB、THD<0.01%（100kHz时的特点,很快在音响界流行。
现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。
功放有很多种分类方法,按所用放大器件来分类,可分为晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器,电子管式放大器,集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器,目前是以集成电路式功率放大器和晶体管为主,但是电子管功率放大器也占一席之地,它通俗的称为胆机,功放的生产已经达到了一个很高的水平,离散性极小,产品的稳定性很高,并且特别是由于它的工作机理,所以它的音色很温柔很有磁性,很富有人情味,从而成为重要的音响电路形式。
当前伴随着高保真立体声普及,许多功放也应用到了高保真
技术。
它是指音频电声系统及设备以及部件保持声音信号原本面貌的能力。
对普通家庭音响装置只要低音浑厚,丰满,中音要坚实有力,高音要清脆明亮,从而能够使听者感到满意就认为达到了高保真要求。
然而,高保真包括对音高,音强,音色以及临场感,混响感等复杂音质状态的保持能力,也不排除对声音进行加工美化。
从而就对电路设计,元件性能提出了更高要求。
电子管电路设计、安装、调试比较简单,但缺点是电源变压器、输出变压器绕
制工艺麻烦,耗电大、体积大、而且有一定使用期限。
因而实际使用中有很多的局限性。
如今大功率晶体管的种类很多,优质功放电路层出不穷,因此应用最广泛的形式是晶体管功率放大器。
如今科研人员发明出很多优质新型电路使功放谐波失真,能够降低到0.05%,甚至更低[2]。
场效应管很有发展前途,它有很多特性比如动态范围大,负温度,噪声小。
音色与电子管相似,保护电路很简单[3]。
场效应管的生产技术有很大的发展潜力,场效应管放大器有更为强大的生命力。
因为集成电路技术快速发展,集成电路的功率放大器也大量出现,制作工艺以及各项指标都达到很高水平,它突出的特点是性能优越、电路简单、体积小、保护功能齐全等等。
因为很多时候主机额定输出功率不能够完全胜任带动整个音响系统的任务,所以就要在主机及播放设备之间安装功率放大器用来补充所需功率缺口,功率放大器在整个系统中起到了“组织、协调”的交通枢纽作用,在一定程度上决定着整个系统能不能提供优秀的音质输出。
现如今功率放大器不仅是消费产品（音响中不可缺少的装置,并且还广泛应用于控制系统和测量系统中。
然而目前已经是一个技术相当成熟的领域,近几十年来,人们为之付出了不懈的努力,不管从线路还是元器件方面,甚至思想认识都取得长足的进步[4]。
当前市上集成功放产品价格很低并且种类很多,典型的有LM1875、TDA1514。
此类低频功率放大器体积小、保护
功能齐全、性能优越、易制作易调试、外围电路简单。
目前,有种应用砷化钾制作的功率放大器MMIC,在电话以及个人数据终端方面应用越来越广泛,一块尺寸2.5×3.48平方毫米MMIC工作频率达950MHZ,输出的功率可达到1.1W[5]。
基于目前研究现状,本文章给出的是一种简单实用、制作成本比较低廉的实用低频功放的设计方案。
其功率放大由分立元件组成,亦可由集成电路完成。
分立元件组成的功率放大器,如果能够进行精心设计,就会在效率和失真方面
优于集成的,价格会便宜,但如果参数设置和电路选择不恰当,元件的很多性能就不会很好体现出来,甚至制作调试比较困难。
从电路易调性和简单性,集成电路会显得更好些。
此次论文功放采用的是集成电路完成的。
第2章总体方案的设计
2.1总体方案的论证
系统的原理图如图2-1所示。
根据题目任务,我们的设计总共有五个基本的电路:
（1波形变换电路
（2弱信号前置放大级电路
（3自制稳压电源电路
（4功率放大电路
（5保护电路
前置级主要完成的是小信号电压放大的任务
图2-1系统原理的框图[6]
;而功率放大级则是实现对信号电压以及电流的放大任务;直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量。
因为方波中含有丰富高次谐波分量,从而为波形变换电路提供方波,我们可通过对方波进行信
号的测试来检验功放的转换速率、效率、失真度等指标,保护电路能够保护负载不过载,从而对功率放大器也有保护作用。
本文设计的系统是一个高保真、高增益、高效率、宽频带、快响应、低噪声
2.2波
的音响与脉冲传输、放大兼容的电路。
下面是对每个单元电路进行的论证。
形的变换电路
方案一:
根据运放在开环情况下的饱和特性,正弦波信号通过两级运放放大,产生正弦波饱和失真方波信号,因为输出方波的幅值远远大于题目的要求,因而采用开关三极管脚和脚短接看成两个二极管削波,从而将电压钳制在700mv
附近,然后通过电阻的分压,最后得到题目所要求的正负极性对称200mVp-p方波信号。
方案二:
直接利用施密特触发器进行整形变换。
其中施密特电路可用高速运算、高精度电路联接而成,亦可采用专用的施密特触发器构成,此外还可以用
NE5532电路构成。
本文采用方案二,因为施密特电路是由高速、高精度运算放大器LF357组
成。
2.3弱信号前置放大级
前置放大电路必须由快响应、高保真、低噪声、高增益、宽带音响集成电路组成。
达到上述要求的集成电路是:
M5212、LLM1875、NE5532等。
本设计选用的是NE5532,因为与众多的运放相比较而言,NE5532具有高阻抗、高精度、高速、低噪音、宽频带等优良特性,被尊称为“运放之皇”。
此运放高速转换的特性能够改良电路瞬态的性能,比较宽的带宽也能确保信号在低、中、高频段不失真的输出,从而电路的整体指标会大大的提高。
2.4功率放大级
方案一:
功率放大输出级采用的是分立元件组成的OCL电路,驱动级采用的是
集成芯片,全部功放级采用的是大环电压的负反馈。
采用此方案有很多的突出优点:
首先反馈深度容易控制,放大倍数容易控制。
而且失真度可以达到很小的水平,从而使音质十分纯净。
也有一定缺点:
外围元器件较多,调试比较困难。
方案二:
本文采用的是专门的功放集成芯片。
LM1875是功率放大集成块,外围
电路简单,体积小巧,最大优点是输出功率大。
除此之外此集成电路内部设置有过热过载以及感性负载反向电势安全工作安全保护。
为了达到题目设计的要求,能够供选择的功率放大器由分立元件构成,也可以由集成电路组成。
分立元件构成的功放,若电路选择得比较好,参数选择的比较恰当,元件性能很优良,并且制作以及调试得都很顺利,那么它的性能很可能优于较好的集成功放。
目前许多优质功放均采用的是分立功放。
但也存在着缺点:
只要有一个环节搭配不当或出现问题,那么性能很可能低于一般集成的功放,不至于由于过流、过载、过热等损坏,还需要加上比较复杂的保护性
电路。
当前市场有很多性能很好的集成功放芯片,如LM1875、TDA2040A、
TDA1514等。
集成功放具有很多优点:
保护功能较完善、工作可靠、易制作调试,外围电路简单,即使达不到顶级功放性能,但是符合并且超越本设计的目标和要求是能够完成的[7]。
此外集成运放有性价比高的优点。
所以此系统设计选用的是方案二。
该方案有很多优点:
外围元器件少,技术成熟,调试简单,保护功能较完善,便于扩功等等。
2.5自制稳压电源
本文中该系统设计采用的是三端集成的稳压电源电路,该稳压电源电路选用的是LM7818、三端集成的稳压器。
2.6方案的选择
通过文章前面的论证我们可以得知,本系统总共有两种设计方案,一种设计方案是利用集成电路和分立元件相组合的方案,另外一种是全部利用集成芯片的方案。
我们为了尽可能减小噪声的影响,降低非线性失真,并且考虑外围元器件给系统引入不必要的噪声等干扰,因而会影响实验的结果,从而本设计采用的是方案二:
整个系统采用的是集成运放芯片的搭建电路。
ZOHVU=、ZOL-VU=
（2+U与-U的表达式（+U=-U时,输出电压会发生跳变iUU-=
作者:
第8页共17页（3门限电位
mHUEi时≥,0U'
O<,z-VUO=
mLUEi时≤,0U'
O>,zVUO=
迟滞宽度为LHEEVmm-=?
让R2=10K（如果迟滞比较器迟滞宽度0.7VV=?
。
那么R21-V
2V（R2Z?
?
=75.71K10K1-0.732（=?
?
=,令Ω=K75R2,R2近似为R3,即是
Ω=10KR2。
如下图3-2中所示集成运算放大器采用转换速率SR>10V/US,增益带宽积
GBW>10MHZ的芯片,如NE5534、LF357、OP-37、OP-16等等。
电路联接成为迟滞电压比较器的构造,若要确保输出方波幅度稳定输出,要使用2只稳压二极管
D1、D2,稳压值V=±3V。
R4是稳压二极管限流电阻,令流过D1、D2电流限定在6mA附近。
C1、C2均为脉冲加速电容,它能够减少方波脉冲上升与下降的时间。
倘若迟滞比较器的迟滞宽度为ΔV=Emh-Eml=0.7V,则R3可利用下式确定即
R3=（2Vz/ΔV-1R2=（2*3/0.7-1*10=75.71KΩ。
如电路采用LF357的集成运放,那么输出方波的上升下降时间能够达到到小于约0.5us。
然后再通过调节RW,输出幅度可调节到约200mV,那么就满足题目的基本要求[9]。
3.2弱信号前置放大级
当前状况前置放大电路可采用集成运算放大器来构成前置放大器,亦可采用专
门的前置放大器IC构成的前置放大器电路,但是从经济方面来考虑本文采用的是集成运算放大器的方案,设计的前置放大器能够选择的集成运算放大器有很多种类型,有LF347、LF353、LF357、LF356、NE5532、NE5534等等[10]。
本文主要顾及的技术指标是转换速率、电压增益、带宽、噪声和电流消耗等等。
在本文中为了提高前置放大器电路输入电阻与共模抑制的性能,降低输出的噪声,利用集成运算放大器构成前置放大器的电路时,所以必须采用同相放大电路的结构,电路如图3-2所表示。
作者:
第9页共17页
图3-2同相放大电路结构的前置放大电路
在50dB附近比较恰当,每级的增益在25dB附近,可以保证充分发挥每级的线性
放大性能以及能够满足带宽的需求,从而可保证不失真,即达到保真放大质量。
图
R5=R2,R6=R4。
一个采用两级NE5532（C1:
A和C1:
B构成的前置放大器如图3-2所示。
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mVUPPI5,=-时,输出VUPPO53.2,-。
≥
对于第一级放大器,要求杂信号最强时,输出不失真,即在mVUPPI700,=-
时,输出VUOM11
≤。
所以7.157.0/11/1===POMUUA,取151=A。
当输入信号最小,即PPI
U-,=10mV而输出不衰减时,PPOU-,1=A1PPIU-,=1510=150×mv。
第二级放大要求输出PPOU-,2≥2.53V由,于元件误差,取PPOU-,2=3V,但是输入信号最小为150mv,那么第二级放大器倍数PPOUA-=,21/PPOU-,
1=3/0.15=20取
作者:
第11页共17页0.015%（1KHz,20W,带宽为70KHz,AC与DC短路保护电路和热保护电路,电源的电压范围为16到60V,用TO-220封装[13]。
如下图3-4电路中所示,输入信号Vi通过C12耦合到LM1875①脚,功率放大后
从④脚输出加到扬声器。
R13、C14串联接到输出端,目的是抑制高频噪声。
C9、
C10、C11、C13作用是用于电源去耦滤波,目的是防止功率放大器产生高频自激,去耦对电源采取进一步滤波措施,除去两级间信号通过电源互相干扰的影响。
R11、R12组成反馈网络;C20是直流负反馈电容;它的作用是稳定静态工作点,从而对放大电路各项动态性能没有显著地影响,动态性能是指通频带、放大倍数、输入及输出电阻等等。
R10是输入接地电阻,目的是防止输入靠路时引起感应噪声;C12为信号耦合电容,耦合是信号由第一级向到第二级传送过程。
电源电压采用的是±15V。
LM1875开环增益为26dB,放大倍数A=20。
要求输出到8Ω负载上的功率Po≥20W,
9.172082=?
?
=?
=OLOMPRU
加上功率管管压降2V,则
VUUOM7.1929.172=+=+=
那么取电源电压是±20V。
ARPILOCM24.28/202/2=?
==
WIUPCMV30
/24.2212/2=?
?
=?
=ππ
计算效率为%7.66%10030/20（%100/（=?
=?
VOPP=计η
输出最大不失真电压OMU=17.9V,故
VUPPO8.3529.17,=?
=-
因为A=20,211111212=+=RRRF,21121110=+=RRAF,10111（0-?
≈≈+AF
AAFF所以功放电压增益取值FA=10,那么输入信号
VAUUFPPOPPI58.310/8.35/.,=
图3-4采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路
由于在本电路中选用了集成功放LM1875在应用中便于扩功,调试简单,外围元器件少,使功率放大级电路实用简洁,非线性失真小,输出功率大。
3.4自制稳压电源电路
作为直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量,根据上面设计的前置放大级电路与功率放大级电路目标要求,仅仅需要的是稳压电源输出的一种直流电压
+18V。
因为三端稳压器具有外围元器件少、结构简单、性能优良、调试方便等很多显著优点,本设计中采用的是三端稳压电路,电源经1000uF电解并且并上0.1uF电容滤掉各种频率干扰输出,输出的电压直流性能较好,实测它的纹波电压也很小。
3.5特殊器件的介绍
本电路设计实用简洁,各模块单元采用的均是集成运放电路。
前置放大级电路中采用的是集成双运放NE5532,在正弦波一方波转换电路中采用LF357,功率放大级中采用LM1875。
这样设计能够使电路外围结构简单,体积小巧精致,并且较好的结合了各运放的优良性能,能够使电路能满足各项指标要求。
现介绍各芯片参数如下:
作者:
第12页共17页
表3-1NE5532的极限参数[16]
表3-2LM1875的参数[17]
LF357的通用参数[18]与MOSFET输入设备的比较而言,第一JFET比较耐用而且允许无熔断处理;第二JFET有高或低的源阻抗低1/?
转折,优良的低噪声应用。
在大多数单片放大器上,偏置调整不可降解漂移或共模抑制,新输出电路级允许大电容负载（5000pF[19]使用,没有稳定性的问题。
对数放大器与光电放大器都采用保持电路,其中共同特点:
（1低输入偏置电流:
30pA
（2低输入失调电流3pA
（3高输入阻抗:
1012Ω
（4低输入噪声电流:
0.01pA/√HZ
（5高共模抑制比[20]:
100dB
（6大的DC电压增益[21]:
106dB
第4章总结
通过整篇文章的讨论,本系统总共给了两种设计方案一种方案是利用集成电路和分立元件相组合的方案,另一种是全部的利用集成芯片的方案。
从电路的易调性和简单性,集成电路比较实用,同时考虑到尽可能减小噪声的影响,降低非线性失真,并且考虑外围元件引入不必要的噪声等干扰,从而采用方案二。
经过此次的毕业设计锻炼,我不仅仅深深体会理论只是对实践操作的重要性,还深入了解并学会了一种简单实用,价格低的低频功率放大器的电路设计方法。
通过毕业设计,我的专业技能方面也有了明显的提高。
虽然时间不长,但我感觉有很大的收获。
通过学习使我自己对课本上的知识进一步了解加深,能够充分利用图书馆的资料,增加了除课本以外的许多知识,增强了自己对电路图的认识,加深了了解电路图每一部分的作用及其是如何工作的。
我会以更加积极地态度对待自己的学习,对待自己的生活,我们的激情永远不会结束。
相反,我们会更加努力,努力的去弥补自己的缺点,发展自己的优点,去充实自己。
只有在了解自己的长短之后,我们会更加珍惜自己拥有的,更加努力的去完善它,增进它。
参考文献
[1]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.[M].
北京:
电子工业出版社,2007.
[2]胡翔骏
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