第一章、實(shí)用低頻功率放大器..

1、目錄第1章實(shí)用低頻功率放大器（1995國(guó)賽A題）.21.1功能要求21.2方案論證與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)31.3主要原理與理論分析31.4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)41.5系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析71.6總結(jié)與方案改進(jìn)126第1章實(shí)用低頻功率放大器（1995國(guó)賽A題）11功能要求一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作具有弱信號(hào)放大能力的低頻功率放大器。其原理示意圖如下:正弦言號(hào)屮/散大速道、外洪正弦,信號(hào)源心等數(shù)員載電阻rLJ-r-l圖1.1.1實(shí)用低頻功率放大方框圖二、要求1.基本要求（1）在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為（5700）mV,等效負(fù)載電阻RL為8Q下，放大通道應(yīng)滿足：額定輸出功率POR210W； 帶寬BW2（50100

2、00）Hz； 在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)W3%； 在POR下的效率三55%； 在前置放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8Q上的交流聲功率W10mW。（2）自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。2發(fā)揮部分（1）放大器的時(shí)間響應(yīng) 方波產(chǎn)生：由外供正弦信號(hào)源經(jīng)變換電路產(chǎn)生正、負(fù)極性的對(duì)稱方波:頻率為1000Hz、上升時(shí)間W1ps、峰-峰值電壓為200mVpp。用上述方波激勵(lì)放大通道時(shí)，在RL=8Q下，放大通道應(yīng)滿足： 額定輸出功率POR210W；帶寬BW三（5010000）Hz； 在POR下輸出波形上升時(shí)間和下降時(shí)間W12ps； 在POR下輸出波形頂部斜降W2%； 在POR下輸出波形過(guò)

3、沖量W5%。（2）放大通道性能指標(biāo)的提高和實(shí)用功能的擴(kuò)展（例如提高效率、減小非線性失真等）。1.2方案論證與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1 方案論證（1）前置放大電路方案方案一：反相比例放大電路輸入阻抗是反饋電阻和輸入電阻的并聯(lián)，阻抗比較小，放大倍數(shù)是反饋電阻比輸入電阻方案二：同相比例放大電路相對(duì)于反相比例放大電路來(lái)說(shuō)，同相比例放大電路的輸入阻抗較高，為了提高前置放大電路的輸入電阻和共模抑制比，故選擇方案二。（2）變換電路方案方案一：使用專用比較器芯片LM311是一款專用的比較器芯片，但是它產(chǎn)生的信號(hào)是一般為單極性，不符合題目的要求。且高速比較器比較貴，市場(chǎng)上很難買到，性價(jià)比比較低。方案二：用運(yùn)放做比較器用運(yùn)

4、放做滯回比較器，利用反相做輸入端，同相端構(gòu)成正反饋電路，讓閾值更穩(wěn)定，再經(jīng)過(guò)閾值比較，輸出極性和占空比都比較對(duì)稱的方波信號(hào)。再經(jīng)過(guò)電阻分壓，就可以輸出峰峰值為200mv的對(duì)稱方波信號(hào)。運(yùn)放的輸出端加入兩個(gè)正負(fù)極性相反的穩(wěn)壓管，用來(lái)控制輸出電壓的幅值，使分壓前的輸出信號(hào)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。相比之下，方案二更能滿足實(shí)驗(yàn)要求，可供選擇。（3）功率放大電路方案方案一：采用分立元器件功率放大輸出級(jí)采用分立元件構(gòu)成的OCL電路，驅(qū)動(dòng)級(jí)采用集成芯片，整個(gè)功放級(jí)采用大環(huán)電壓負(fù)反饋。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：由于反饋深度容易控制，故放大倍數(shù)容易控制。且失真度可以做到很小，使音質(zhì)很純凈，做出來(lái)的效果比較好。但外圍元器件較多

5、，電路比較復(fù)雜，調(diào)試起來(lái)比較困難，一旦取值不當(dāng)，就會(huì)引起很大的偏差。方案二：米用集成功放芯片集成功放芯片具有工作可靠，外圍電路簡(jiǎn)單，體積小巧，保護(hù)功能比較完善等優(yōu)點(diǎn)，而且輸出的功率比較大，所以本實(shí)驗(yàn)采用方案二。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用專門的集成運(yùn)放芯片做功率放大，通過(guò)大功率運(yùn)放輸出大功率，用同相比例放大電路做前置放大，可提高帶負(fù)載能力，用高速運(yùn)放做變換電路可以減小輸出矩形波的上升下降時(shí)間。系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊：前置放大模塊，用lm318做成的變換電路模塊，用lm1875做成的功率放大模塊，自制穩(wěn)壓電源模塊。1.3主要原理與理論分析1 前置放大電路前置放大級(jí)用來(lái)放大弱輸入的信號(hào)，以推動(dòng)后面的功率放

6、大器。放大電路有很多，但是弱信號(hào)的前置放大電路必須要由低噪聲、高保真、高增益的集成電路。符合運(yùn)放有NE5532、0P07、NE5534等。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，采用的是NE5532，因?yàn)樗哂懈呔?、低噪聲、高阻抗、寬頻帶等優(yōu)良的性能，能使電路的指標(biāo)大大的提高。2 變換電路變換電路是將輸入的波形進(jìn)行波形變換和整形。為了得到比較好的方波，就必須要選用壓擺率比較大的集成芯片。變換電路分為很多種，有過(guò)零比較器、俘零比較器、滯回比較器、及用專用比較器芯片構(gòu)成的比較器。其中滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，遲滯比較器，這種比較器的特點(diǎn)是具有更強(qiáng)的抗干擾能力。3 功率放大電路功率放大電路的功能是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，推

7、動(dòng)揚(yáng)聲器等負(fù)載。功率放大電路既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。功放分為A類、B類、AB類、C類、D類等類型，A類功放輸出級(jí)中兩個(gè)（或兩組）晶體管永遠(yuǎn)處于導(dǎo)電狀態(tài)，也就是說(shuō)不管有無(wú)訊號(hào)輸入它們都保持傳導(dǎo)電流，并使這兩個(gè)電流等于交流電的峰值，這時(shí)交流在最大訊號(hào)情況下流入負(fù)載。當(dāng)無(wú)訊號(hào)時(shí)，兩個(gè)晶體管各流通等量的電流，因此在輸出中心點(diǎn)上沒(méi)有不平衡的電流或電壓，故無(wú)電流輸入揚(yáng)聲器。當(dāng)訊號(hào)趨向正極，線路上方的輸出晶體管容許流入較多的電流，下方的輸出晶體管則相對(duì)減少電流，由于電流開始不平衡，于是流入揚(yáng)聲器而且推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。B類功放放大的

8、工作方式是當(dāng)無(wú)訊號(hào)輸入時(shí)，輸出晶體管不導(dǎo)電，所以不消耗功率。當(dāng)有訊號(hào)時(shí)，每對(duì)輸出管各放大一半波形，彼此一開一關(guān)輪流工作完成一個(gè)全波放大，在兩個(gè)輸出晶體管輪換工作時(shí)便發(fā)生交越失真，因此形成非線性。純B類功放較少，因?yàn)樵谟嵦?hào)非常低時(shí)失真十分嚴(yán)重，所以交越失真令聲音變得粗糙。B類功放的效率平均約為75%,產(chǎn)生的熱量較A類機(jī)低，容許使用較小的散熱器。AB類功放與A類和B類功放相比，可以說(shuō)在性能上的妥協(xié)。AB類功放通常有兩個(gè)偏壓，在無(wú)訊號(hào)時(shí)也有少量電流通過(guò)輸出晶體管。它在訊號(hào)小時(shí)用A類工作模式，獲得最佳線性，當(dāng)訊號(hào)提高到某一電平時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為B類工作模式以獲得較高的效率。普通機(jī)10瓦的AB類功放大約在5瓦以

9、內(nèi)用A類工作，由于聆聽音樂(lè)時(shí)所需要的功率只有幾瓦，因此AB類功放在大部分時(shí)間是用A類功放工作模式，只在出現(xiàn)音樂(lè)瞬態(tài)強(qiáng)音時(shí)才轉(zhuǎn)為B類。這種設(shè)計(jì)可以獲得優(yōu)良的音質(zhì)并提高效率減少熱量，是一種頗為合乎邏輯的設(shè)計(jì)。有些AB類功放將偏流調(diào)得甚高，令其在更寬的功率范圍內(nèi)以A類工作，使聲音接近純A類機(jī)，但產(chǎn)生的熱量亦相對(duì)增加。C類功放使用的比較少，因?yàn)槭д娑确浅４?，只適合使用在通訊上。D類功放放大的晶體管一經(jīng)開啟即直接將其負(fù)載與供電器連接，電流流通但晶體管無(wú)電壓，因此無(wú)功率消耗。當(dāng)輸出晶體管關(guān)閉時(shí)，全部電源供應(yīng)電壓即出現(xiàn)在晶體管上,但沒(méi)有電流，因此也不消耗功率，故理論上的效率為百分之百。D類功放放大的優(yōu)點(diǎn)是效

10、率最高，供電器可以縮小，幾乎不產(chǎn)生熱量，因此無(wú)需大型散熱器，機(jī)身體積與重量顯著減少，理論上失真低、線性佳。但這種功放工作復(fù)雜，增加的線路本身亦難免有偏差。1.4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)1 前置放大電路設(shè)計(jì)（1）、電路的組成：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求，前置放大電路的輸入端接地時(shí)，在8Q的負(fù)載上的噪聲功率要小于10mV,所以要盡量減小噪聲。為了選用低噪聲芯片，所以用用NE5532構(gòu)成前置放大電路，為了提高前置放大電路的輸入電阻和共模抑制比，必須采用同相比例放大電路。(2)、設(shè)計(jì)理論分析：P>10W由題目可知，在功率放大的8Q負(fù)載上要獲得額定輸出功率or-，根據(jù)：U=-；2RxP=訂2x8x10=12.65VOM

11、'LORU12.65VaU12.65V1qOM-2530OM一一18U(min)5mVU700mVIN,IN(max)20log(18)=25dB20log(2530)=68dB由上面的式子可知，整個(gè)電路的放大倍數(shù)要介于182530倍之間，即在25dB68dB之間手動(dòng)可調(diào)，有因?yàn)閱渭?jí)的放大倍數(shù)大概在20dB左右，因此要采用兩級(jí)前置放大，再加上一級(jí)功率放大來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。(3) 、各電阻阻值的確定：由上面的式子可知，電壓的放大倍數(shù)要達(dá)到182530倍，又因?yàn)镹E5532采用正負(fù)12V電壓供電，題目要求峰峰值10mV1.4V輸入，電路放大的電壓超過(guò)20V會(huì)失真，所以第一級(jí)設(shè)計(jì)放大13倍，

12、這樣1.4V輸入的時(shí)候，放大13倍，約為18V不超過(guò)20V,就不會(huì)失真。由于第一級(jí)放大13倍,R二R/R1231+售=13則：，電阻的取值不宜過(guò)大，取R2=1K,R3=12K。2,所以平衡電阻R1約為1K。為了使輸出電壓放大倍數(shù)可調(diào),r10K所以在第一級(jí)和第二級(jí)之間加了電位器進(jìn)行分壓，取電位器R510K。第二級(jí)同相比例放大電路中，和第一級(jí)的差不多，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)最大放大倍數(shù)為2630,假設(shè)功率放大部分放大1+R=21R10倍，第一級(jí)放大13倍，為了提高輸出功率，第二級(jí)放大倍數(shù)設(shè)為2倍。6,RRRR/R電阻的取值不宜過(guò)大，取6=1K,由(7)可知，7=20Ko8一67R所以，平衡電阻8約為1KoGN

13、D輸入R510kGNDGND輸出圖1.4.1前置放大電路方框圖電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)C8051F單片機(jī)+FPGA控制版2 變換電路設(shè)計(jì)(1) 、電路的組成：用運(yùn)放做比較器電路，利用正反饋電路，將小的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為峰峰值比較大的方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電阻的分壓，可以得到信號(hào)比較小的方波信號(hào)；將分壓電阻換成滑動(dòng)變阻器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，得到峰峰值為200mv的方波信號(hào)；運(yùn)放的輸出端加入兩個(gè)正負(fù)極性相反的穩(wěn)壓管，用來(lái)控制輸出電壓的幅值，使輸出信號(hào)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。另外，為達(dá)到輸出方波的上升下降時(shí)間小于1us和雙極性方波，要求使用的運(yùn)放為壓擺率較高且為雙電源供電的運(yùn)放。(2) 、各電阻阻值的確定：若設(shè)電阻

14、R1=100Q，題目中輸入信號(hào)為1KHZ,幅值沒(méi)有要求，經(jīng)過(guò)第一級(jí)正反饋，U二+Uz二+29V輸出電壓的幅值達(dá)到電源電壓Uo1=5V,但由于穩(wěn)壓管的存在，O+,(電Ux±UTHR1+R2Z路中所用的穩(wěn)壓二極管是反向穩(wěn)壓幅度為2.2V，正向?yàn)?.7V)。假定輸入電壓為ui=100mv,為了保證輸出的信號(hào)為方波信號(hào)，則+ui>+°麗，即°thv100mv。-X±2.9<100mv若取R1=1k,貝9：1+R2，推出R2>28K，因此取R2=33K,R3為限流電1R2=10k，則:73 功率放大電路設(shè)計(jì)(1) 、電路的組成：功率放大的芯片有T

15、DA2040A、TDA1514，但TDA2040A的功率裕量不大，TDA1514的外圍電路比較復(fù)雜，又容易自激。而LM1875是一款功率放大集成塊，它的優(yōu)點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單，輸出的功率大，芯片內(nèi)部有感性負(fù)載反向電勢(shì)安全工作保護(hù)，又容易制作和調(diào)試，所以本實(shí)驗(yàn)選用LM1875芯片作為功率放大的芯片。(2) 、各電阻和電容的確定：為了阻抗匹配，同相輸入端Ri=1MQ，C1和R2組成了高通濾波器，令C1=10uF，2nRC1112x3.14x10x103x10x10-6沁1.59HZ<50HZ,可以滿足實(shí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)C8051F單片機(jī)+FPGA控制版驗(yàn)的要求。U2RxP2x8x10=12.6

16、5VOMLORUOM-U(min)IN12.65V5mV=2530UOMUIN(max)12.65V700mV13總共放大倍數(shù)在182530倍之間，其中前置放大電路的放大倍數(shù)為13x21二273倍，則功率放大級(jí)的放大倍數(shù)為9.2倍，約為10倍。R4、R5構(gòu)成了反饋網(wǎng)路，C2是直流負(fù)反饋電R1+j=10R容。因?yàn)楣β史糯蟛糠值姆糯蟊稊?shù)為10倍，所以：5，取R5=1K，R4=10Ko其中R3和C3構(gòu)成了輸出退偶電路，防止功放產(chǎn)生自激，沒(méi)有接R3和C3的話，功放的輸出則會(huì)產(chǎn)生自激震蕩。VCCC1輸入OR11MR210k/+10uFGNDGND1.5系統(tǒng)調(diào)試與誤4LM1875輸出VEE10kR4巾R5

17、圖1.4.3功率放大電路方框圖I+C212uF析GNDC3220pF表1.6為實(shí)用低頻功率放大器的性能指標(biāo)及本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，完全滿足題目的要求。表1.5實(shí)用低頻功率放大器測(cè)量結(jié)果表測(cè)試項(xiàng)目指標(biāo)要求測(cè)試結(jié)果結(jié)果分析基本1額定輸出功率POR>10W功率可以達(dá)到15W系統(tǒng)穩(wěn)定，輸出功率大基本2帶寬范圍BW三(5010000)HzBW三(2020000)Hz系統(tǒng)穩(wěn)定，帶寬比較寬基本3非線性失真系數(shù)在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)W3%非線性失真系數(shù)等于0.61%達(dá)到要求，失真系數(shù)小基本4在POR下的效率效率在POR下的效率三55%效率可以達(dá)到68.3%完全達(dá)到要求，效率比較咼基本5在前置

18、放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8Q上的交流聲功率在前置放大級(jí)輸入端父流短接到地時(shí)，RL=8Q上的交流聲功率W10mW在前置放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8Q上的交流聲功率W0.024mW達(dá)到了要求，噪聲比較小發(fā)揮1由外供正弦信號(hào)源經(jīng)變換電路產(chǎn)生正、負(fù)極性的對(duì)稱方波頻率為1000Hz、上升時(shí)間W1ps、峰-峰值電壓為200mVpp頻率為1000Hz、上升時(shí)間W756ns、下升時(shí)間W756n、峰-峰值電壓為200mVpp完全滿足要求發(fā)揮2額定輸出功率和帶寬POR210WBW三(5010000)HzPOR=35WBW三(2020000)Hz輸出功率比較大，帶寬也比較寬，達(dá)到了本題的要求發(fā)揮3

19、在POR下輸出波形上升時(shí)間和下降時(shí)間上升時(shí)間和下降時(shí)間W12ps上升時(shí)間W4.00ns、下升時(shí)間W7.30ns達(dá)到了本題的要求，上升下降時(shí)間比較小發(fā)揮4在POR下輸出波形頂部斜降在POR下輸出波形頂部斜降W2%在POR下輸出波形頂部斜降W0.35%頂部斜降比較小，達(dá)到了本題的要求發(fā)揮5在POR下輸出波形過(guò)沖量在POR下輸出波形過(guò)沖量W5%在POR下輸出波形過(guò)沖量W0.17%輸出波形過(guò)沖量比較小，達(dá)到了本題的要求實(shí)用低頻功率放大實(shí)測(cè)圖片:圖1.5.1正弦波輸出功率實(shí)測(cè)波形圖圖1.5.2方波輸出功率實(shí)測(cè)波形圖圖1.5.3方波上升時(shí)間實(shí)測(cè)波形圖圖1.5.4方波下降時(shí)間實(shí)測(cè)波形圖RIGOLT'DIDO.OOOOOOOOpsTO-400mVFreq=：+：*：+：+：+：Rise=4.iJiJiJusVpp二34.4V-10.0V*22:30圖1.5.5功率輸出方波