1、第七周 幅频均衡电路实验报告幅频均衡功率放大器摘要:本系统主要采用前置放大、带阻网络、幅频均衡和低频功率放大电路,前置放大是采用运放NE5532设计的同相比例放大电路,实现了500倍的电压放大,通频带为20hz-20khz,输出电阻为600欧;带阻网络是题目所给出的电路;而幅频均衡电路主要是补偿带阻网络截止掉的频率补偿到20Khz。并通过开关功放电路实现效率达到60%;关键字:前置放大;带阻滤波器;幅频均衡;功率放大器。1、本课题的研究任务和论文介绍1、任务设计并制作一个幅频均衡功率放大器。该放大器包括前置放大、带阻网络、字幅频均衡和低频功率放大电路,其组成框图如图1所示。图1 幅频均衡功率放
2、大器组成框图2、要求a基本要求(1)前置放大电路要求:a. 小信号电压放大倍数不小于400倍(输入正弦信号电压有效值小于10mV)。b. -1dB通频带为20Hz20kHz。c. 输出电阻为600。(2)制作带阻网络对前置放大电路输出信号v1进行滤波,以10kHz时输出信号v2电压幅度为基准,要求最大衰减10dB。带阻网络具体电路见图2。 图2(3)制作幅频均衡电路,对带阻网络输出的20Hz20kHz信号进行幅频均衡。要求:a. 输入电阻为600。b. 经过幅频均衡处理后,以10kHz时输出信号v3电压幅度为基准,通频带20Hz20kHz内的电压幅度波动在1.5dB以内。b. 发挥部分制作功率
3、放大电路,对数字均衡后的输出信号v3进行功率放大,要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。(1)当输入正弦信号vi电压有效值为5mV、功率放大器接8电阻负载(一端接地)时,要求输出功率10W,输出电压波形无明显失真。(2)功率放大电路的-3dB通频带为20Hz20kHz。(3)功率放大电路的效率60。(4)其他。二、方案论证与设计前置放大方案选择:方案一:选择普通运放OP07进行放大,但OP07的对高频段的频率特性明显有影响,噪声大。方案二:因为NE5532以及NE5534可以在10Mhz内可调。用一级放大达不到要求,所以选择用NE5532双运放进行两级放大,一级放大20倍一级放大25倍。
4、确定此方案。幅频均衡电路方案选择:方案一:要求在20HZ20KHZ内的电压幅度波动在1.5dB以内。设计一个在30KHZ电压幅度下降为3dB。设置它的传递函数为 ,但经仿真他不能在20KHZ下降1.5dB.方案二:为抬高起频率。设计一个在30KHZ电压幅度下降为3dB。设置它的传递函数为,仿真后可以达到要求。确定此方案。低频功率放大器电路设计方案选择:方案一:甲类放大器 甲类放大器,是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。A类放大器在结构上,还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作,其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过,而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它
5、不会突然地耗尽输出电流,如果负载阻抗低于标定值,放大器会短期出现截止现象,在失真上可能 略有增加,但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS),它本质上是一个单独的射极跟随器,并带有一个有源发射极负载,以达到合适的电流泄放。但甲类功率放大器的能量转换的效率太低,主要用于电压放大,在功率放大电路中较少应用。 方案二:乙类放大器 乙类放大器,是指器件导通时间为50的一种工作类别。乙类放大器的偏置使推挽的晶体管在无驱动信号时,处于低电流状态,当加上驱动信号时,一对管子中的一只在半周期内电流上升,而另一只管子则趋向截止,到另一半周期时,情况相反,由于两管轮流工作,必须采用推挽电路
6、才能放大完整的信号波形。乙类放大器的优点在于效率较高,理论上可以达到78%。但输出波形严重失真。方案三:甲乙类放大器 甲乙类放大器,实际上是甲类和乙类的结合,每个器件的导通时间在50100之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。甲乙类放大器的优点在于它比甲类提高了小信号输入时的效率,随着输出功率的增大,效率也增高,相对于乙类,也能保持更好的失真度。方案四:丙类放大器 丙类放大器,是指器件导通时间小于50的工作类别。这类放大器,一般用于射频放大。 方案五:丁类放大器 这类放大器,其特点是断续地转换器件的开通,可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平,这种情况被称为脉宽调制(PWM)
7、,其效率在理论上来说是很高的。但是,实际困难还是非常大的。3、电路设计、工作原理与计算1、前置放大:仿真电路如图3: 图3仿真结果:计算方法V0=Vi*(1+R2/R3)*(1+R9/R6)可以通过调节R2和R9来调节电压的增益。可以设置调节前端增益为20倍,二级增益为R9是增益为25倍。所以AV=20*25=500。2、补偿电路:为了达到在20HZ-20kKHZ内电压幅度波动在在-1.5dB内.设计一个为50KHZ的截止频率。其传递函数为的电路图。而有根据带阻网络算出它的传递函数。其计算方法根据图4来表示:VCVOVPVi图4仿真结果:波特图计算结果为: 代入数值计算结果为设计的补偿电路为H
8、1(S)*H(S)=H2(S);在经过MATAB计算结果得:;此结果为2个惯性环节的低通滤波器和一个放大电路组成。经自动控制原理的惯性环节的计算公式;且K=R1/R2;T=R1C;由此结果得;第一个惯性环节:R1=2.127K;R2=4.6445K;C=470PF.第二个惯性环节为:R1=6.77K;R2=1.834K;C=470PF;放大电路由一个E5534单运放组成构成反向放大器且放大倍数放大为5倍左右。其电路图为图5所示:经仿真结果可以达到要求。3低频功放:采用开关功放。因此要产生PWM波。可以由三角波和正弦波比较产生。为最后能获得正弦波要求三角波的频率和幅度都要大于正弦波。才能经过滤波
9、恢复出正弦波。起电路图为三角波的产生电路如图6所示:图6仿真结果;PWM波的电路如图7:图7低频功放的电路图:四、测试结果:1放大电路的测试结果:vi20mv20mv20mv20mv20mvf20HZ200HZ1KHZ20KHZ40KHZvo9.76V9.8V10V10V8.4V误差分析:误差存在的原因。因为NE5532芯片 的频率限制。在过低或者过低的频率电压会下降,电压电压的不精准,再加上制作工艺等的影响造成有误差。2.放大电路与带阻电路连接测试结果:vi20mv20mv20mv20mv20mvf20HZ200HZ1KHZ10KHZ10.3KHZvo11V10V10.4V7.6V7.4V误
10、差计算:截止频率在-3dB处的电压为V1=11*0.707=7.77V。;误差分析:由上一级的误差带来的影响。再加上电阻的确定值导致频率不可调。制作工艺是很有影响。3.放大电路与带阻电路补偿电路的测试结果:vi20mv20mv20mv20mvf20HZ200HZ10KHZ20KHZvo5.2V4.96V3.56V2.48V实验总结与体会:在本轮课题的设计中,主要在低频功放的设计存在很大的问题,对开关功放的不理解。开关功放的效率高。在这次测试中,测试的波形不是很清楚。主要是焊接的问题,经改进效果良好。在本次课题中主要学习到的是各门学科的关联性。5、参考文献:1.自动控制原理;作者:胡涛松,科学出
11、版社;2.电子线路综合设计,主编:谢自美,华中科技大学出版社;3.电子技术基础;主编:康华光;高等教育出版社;4.数字幅频均衡功率放大器(09全国大学生电子设计大赛全国一等奖)方案一:甲类功放:Q点在交流负载线的重点,如图电路特点:输出波形无失真,但静态电流大,效率低。方案二:乙类功放:Q点在交流负载线和()输出特性曲线交点,如图电路特点:输出波形失真大,但静态电流几乎等于零,效率高。方案三:甲乙类功放:Q点在交流负载线上略高于乙类工作点处,如图电路特点:输出波形失真大,静态电流小,效率较高。方案四:丁类功放是放大元件处于开关功放的一种放大模式。丁类功放的实现很难,但是静态电流很小效率很高产生的热量小。为获得较高的效率和最大输出功率放大器的工作状态为临界状态。选择此方案。
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