電設(shè)95年A題實用低頻功率放大器(不錯)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)實用低頻功率放大器系統(tǒng)功能及性能指標1、基本要求：輸入電壓幅度5700mV 負載 額定輸出功率 帶寬 在和的內(nèi)的非線性失真系數(shù)在下的效率 在的負載上的交流聲功率2、發(fā)揮部分：產(chǎn)生HZ、上升和下降時間、的對稱方波在下輸出波形上升和下降時間、輸出波形頂部斜降在下輸出波形過沖量二、實驗目的理解低頻功率放大電路的工作原理，掌握功率、效率的測量方法，學會設(shè)計比較器，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號，學習集成功率放大器基本技術(shù)指標的測試，鞏固和加深對電子電路基礎(chǔ)知識的理解，提高綜合運用所學知

2、識的能力。三、實驗要求1.基本要求設(shè)計并制作具有弱信號放大能力的低頻功率放大器. 在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為5700 mV , 等效負載電阻RL為8下,放大通道應滿足:（1）額定輸出功率POR 10 W;（2）帶寬BW 5010 000 Hz; （3）在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)3 %;（4）在POR下的效率55 %.;（5）在前置放大級輸入端交流短接到地時,RL = 8 上的交流聲功率10 mW. 2.發(fā)揮部分（1）由外供正弦信號源經(jīng)變換電路產(chǎn)生正、負極性的對稱方波,頻率為1 000 Hz ,上升時間1 s ,峰2峰值電壓為200mV. 用上述方波激勵放大通道時,在RL = 8

3、 下,放大通道應滿足.（2）額定輸出功率POR 10 W;（3）在POR下輸出波形上升時間和下降時間12s ;（4）在POR下輸出波形頂部斜降2 %;（5）在POR下輸出波形過沖量5 %四、方案論證前置放大:本實驗由弱信號前置放大級、交換電路、功率放大級等部分組成。前置放大級用來放大輸入的信號，以推動后面的功率放大器。放大電路有很多，但是弱信號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。符合運放有NE5532、OP07、LM318等。這個實驗中，采用的是NE5532和LM318，NE5532具有高精度、低噪聲、高阻抗、寬頻帶等優(yōu)良的性能，能使電路的指標大大的提高。功率放大：功率放大

4、有兩種的方式，一種是用分立元件構(gòu)成OCL電路，一種是用專用的功放集成芯片。其中，集成功放具有工作可靠，外圍電路簡單保護功能比較完善等有點，分立元件比較復雜，只有有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則性能就會低于集成功放，所以本實驗采用的是用集成功率芯片做功率放大電路。波型轉(zhuǎn)換：正弦波型轉(zhuǎn)換為一般用比較器或運放做成的比較器電路實現(xiàn)。常用的比較器有過零比較器，任意電平比較器，滯回比較器。過零比較器和任意電平比較器都屬于單限比較器，但輸入電壓在在閾值電壓附近任何微小的變化，都將引起輸出電壓的躍變，因此單線比較器抗干擾能力差，不予采用。在這里我們用滯回比較器，因為它有慣性，具有一定的抗干擾能力；且若兩個閾值時，就可以

5、輸出占空比接近于50%的方波信號，可以達到題目要求。下面是滯回比較器的電路圖和傳輸特性方案一 用運放做比較器電路，利用正反饋電路，將小的交流信號轉(zhuǎn)化為峰峰值比較大的方波信號，再經(jīng)過電阻的分壓，可以得到信號比較小的方波信號；將分壓電阻換成滑動變阻器，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，得到峰峰值為200mv的方波信號；運放的輸出端加入兩個正負極性相反的穩(wěn)壓管，用來控制輸出電壓的幅值，使輸出信號穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。另外，為達到輸出方波的上升下降時間小于1us和雙極性方波,要求使用的運放為壓擺率較高且為雙電源供電的運放方案二 用比較器做成的比較器電路，比較器的功能是比較兩個電壓的大小，從而輸出電壓的高或低電平。電

6、壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，高，壓擺率比較大，容易達到實驗要求。這里我們用電壓比較器LM311仿真后，發(fā)現(xiàn)LM311只能輸出單極性，若用其他高速比較器，性價比較低，市場上也很難買到，所以此方案不采納。五、芯片手冊NE5532芯片手冊LM318芯片手冊LM1875芯片手冊五、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計弱信號前置放大級設(shè)計：（1）、電路的組成：因為實驗要求，前置放大電路的輸入端接地時，在8的負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）、測量放大器原路圖： （3）、工作原理：為了

7、阻抗匹配，增大輸入電阻，在前置放大電路的前面設(shè)計了電壓跟隨器，由題目可知，在功率放大的8負載上要獲得額定輸出功率，根據(jù)：-（1）-（2）-（3）-（4）由（1）（2）（3）（4）可知，整個電路的放大倍數(shù)要介于182530倍之間，即在25dB68dB之間手動可調(diào)，有因為單級的放大倍數(shù)大概在20dB左右，因此要采用兩級前置放大，再加上一級功率放大來達到實驗的要求。（4）電路仿真的原理圖：（5）、各電阻阻值的確定：前置放大電路由NE5532用電壓跟隨器和兩級同相比例放大電路組成。其中電壓跟隨器，實現(xiàn)了阻抗匹配，增大輸入電阻。-（1）-（2）由（1）（2）可知，電壓的放大倍數(shù)要達到182530倍，又因

8、為NE5532采用正負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20V會失真，所以第一級設(shè)計放大13倍，這樣1.4V輸入的時候，放大13倍，約為18V不超過20V，就不會失真。由于第一級放大13倍，則：-（3）電阻的取值不宜過大，取=1K，由（3）可知，=12K。其中，-（4）由（4）可知，所以平衡電阻約為1K。為了使輸出電壓放大倍數(shù)可調(diào)，所以在第一級和第二級之間加了電位器進行分壓，取電位器。第二級同相比例放大電路中，和第一級的差不多，因為要實現(xiàn)最大放大倍數(shù)為2630，假設(shè)功率放大部分放大10倍，第一級放大13倍，為了提高輸出功率，第二級放大倍數(shù)設(shè)為21倍。-（5）

9、電阻的取值不宜過大，取=1K，由（5）可知，=20K。-（6）由（6）可知，平衡電阻約為1K（6）、PCB板設(shè)計：前置放大電路原理圖前置放大電路PCB變換電路設(shè)計：（1）、電路的組成：用運放做比較器電路，利用正反饋電路，將小的交流信號轉(zhuǎn)化為峰峰值比較大的方波信號，再經(jīng)過電阻的分壓，可以得到信號比較小的方波信號；將分壓電阻換成滑動變阻器，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，得到峰峰值為200mv的方波信號；運放的輸出端加入兩個正負極性相反的穩(wěn)壓管，用來控制輸出電壓的幅值，使輸出信號穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。另外，為達到輸出方波的上升下降時間小于1us和雙極性方波,要求使用的運放為壓擺率較高且為雙電源供電的運放。（2

10、）、變換電路原路圖：（3）、電路的原理：上圖中，R1和R2構(gòu)成正反饋回路，R3對輸出的波形具有分壓作用；Uz由兩個相反極性的穩(wěn)壓二極管構(gòu)成，用來限制輸出信號的幅值；之后R4和R5電路為一個分壓電路，最后由一個電壓跟隨器加在輸出端，以提高帶負載能力。（4）、各電阻和電容的確定：若設(shè)電阻R1=100，題目中輸入信號為1KHZ，幅值沒有要求，,經(jīng)過第一級正反饋，輸出電壓的幅值達到電源電壓Uo1=5V，但由于穩(wěn)壓管的存在， ，(電路中所用的穩(wěn)壓二極管是反向穩(wěn)壓幅度為2.2V，正向為0.7V)假定輸入電壓為ui=100mv,為了保證輸出的信號為方波信號，則+ui+,即28K,因此取R2=33K，R3阻值

11、任意，可取100；R4 R5為分壓電路，取值分別為10K和5K。（5）電路仿真的原理圖：電路仿真的原理圖：（6）、PCB板設(shè)計變換電路PCB原理圖變換電路PCB圖功率放大電路設(shè)計：（1）、電路的組成：功率放大的芯片有TDA2040A、TDA1514，但TDA2040A的功率裕量不大，TDA1514的外圍電路比較復雜，又容易自激。而LM1875是一款功率放大集成塊，它的優(yōu)點是外圍電路簡單，輸出的功率大，芯片內(nèi)部有感性負載反向電勢安全工作保護，又容易制作和調(diào)試，所以本實驗選用LM1875芯片作為功率放大的芯片。（2）、測量放大器原路圖：（3）、各電阻和電容的確定：為了阻抗匹配，同相輸入端=1M，和

12、組成了高通濾波器，令=100K，=4.7uF，則截止頻率10W 所以達到了實驗的要求。（2）當輸入的幅值為700mV時：圖（2）分析：從上圖（2）可以看出，當輸入幅值為700mV時，輸出電壓的峰峰值為34.8V，根據(jù)=18.9W 10W 所以達到了實驗的要求。2、帶寬分析：（1）當輸入的幅值為5mV，頻率為50HZ時：圖（3）分析：從上圖（3）可以看出，當輸入幅值為5mV，頻率為50HZ時，輸出電壓的峰峰值為33.4V，根據(jù)=17.4W 10W 所以達到了實驗的要求。（2）當輸入的幅值為5mV，頻率為10KHZ時：圖（4）分析：從上圖（4）可以看出，當輸入幅值為5mV，頻率為10KHZ時，輸出

13、電壓的峰峰值為33.4V，根據(jù)=17.4W 10W 所以達到了實驗的要求。3、效率分析：圖（5）分析： 如上圖（5）所示：輸出電壓的峰峰值為34.8V，所以輸出的功率為W-（1）又因為：-（2）其中=12.3-（3）由（2）（3）得，A-（4） 又因為功率放大級用正負U=18V的電壓供電，所以1.54*18=27.66W-（5）所以， 55%，所以符合實驗的要求。4、輸出噪聲功率分析：圖（6）分析： 如上圖（6）所示，當輸入端接地時，在輸出端8負載上，輸出的電壓為352pV，輸出的噪聲功率遠遠小于10mV，所以符合本實驗。變換電路和功率放大測試：（1）輸入信號為大于200mv,頻率為1KHZ時

14、：分析：在輸入端加1KHZ，幅值為200mv的正弦信號，通過滑動變阻器的調(diào)試，可以輸出200的方波，由仿真圖可以看出，輸出的方波為200mv,上升下降時間分別為831ns和824ns,可以達到題目要求。（2）用方波激勵放大通道時，在RL=8的情況下：分析：由上圖可以看出，信號經(jīng)過放大之后，輸出的電壓峰峰值為Uom=35.8V，所以輸出的額定功率10W可以達到題目要求。（3）將方波與功率放大連在一起時的上升和下降時間：分析：由上圖可以看出，當方波輸入到功率放大電路中時，上升的時間為1.64us12us，下降時間為1,61us10W 所以達到了實驗的要求。（2）當輸入的峰峰值為1.4V時：圖（2）

15、分析：從上圖（2）可以看出，當輸入峰峰值為1.4V時，輸出電壓的峰峰值為34.4V，根據(jù)=18.5W 10W 所以達到了實驗的要求。2、帶寬分析：（1）當輸入的峰峰值10mV，頻率為50HZ時：圖（3）分析：從上圖（3）可以看出，當輸入峰峰值10mV，頻率為50HZ時，輸出電壓的峰峰值為32V，根據(jù)=16W 10W 所以達到了實驗的要求。（2）當輸入的峰峰值10mV，頻率為10KHZ時：圖（4）分析：從上圖（4）可以看出，當輸入峰峰值為10mV，頻率為10KHZ時，輸出電壓的峰峰值為32.8V，根據(jù)=16.8W 10W 所以達到了實驗的要求。3、非線性失真系數(shù)分析：圖（5）分析：如上圖（5）所

16、示：上圖是用示波器的頻譜分析得到的基波與各諧波的圖片，圖中的基波頻率與正弦波1KHZ的頻率相同，其峰峰值，即有效值為=11.8V。其中，二次、三次、四次、五次諧波分別是2KHZ,、3KHZ、4KHZ、5KHZ，大于五次的諧波太小，可以忽略不計，所以本實驗只測試到五次諧波。上圖中縱軸每格代表20dB，從圖中可以看出，二次、三次、四次、五次諧波，與基波相差45dB、55dB、60dB、55dB，又因為基波有效值為=11.8V，所以的各二次諧波有效值、三次諧波有效值、四次諧波有效值、五次諧波有效值。又根據(jù)：所以：又因為 55%，所以符合實驗的要求。5、輸出噪聲功率分析：圖（7）分析： 如上圖（7）所

17、示，當輸入端接地時，在8的負載上測得輸出電壓的峰峰值為=39.2mV，根據(jù)=0.024mW10W可以達到題目要求（2）上升時間和下降時間測量：上升時間分析：由上圖可以看出，信號經(jīng)過放大之后，上升時間為4.008us10us,可以達到實驗的要求。下降時間分析：由上圖可以看出，信號經(jīng)過放大之后，下降時間為2.808us10us,可以達到實驗的要求。（3）在下，頂部斜降測量：分析：由上圖可知，頂部斜降公式為，其中Uo為輸出方波的紋波間的峰峰值，Um為輸出脈沖幅值。由上圖可以知道，Uo=120mv,Um=Vpp=34.4V，則頂部斜降2%,可以達到題目要求（4）在下，過沖量測量：分析：上圖可以知道 所

18、以輸出波形過沖量,可以達到題目要求（3）、實物圖片：前置放大電路實物變換電路實物功率放大電路實物八、方案總結(jié)（1）、從上面的實驗現(xiàn)象可以看出，額定輸出功率、帶寬、非線性失真系數(shù)、效率、交流噪聲功率、方波的頻率、上升和下降時間等都達到了實驗的要求。（2）、對于功率放大器，有不同的方法來做，可以有分立的元件做，也可以用集成的功率芯片來做，功放芯片也有很多不同的種類，對于不同的功率芯片要合理的選中，有的功率比較小，達不到實驗的要求，有的外圍的電路比較復雜，所以也要舍去。本實驗選用的是LM1875，它是一種比較好的功率芯片，但是也有它的缺點，它是美國國半公司生產(chǎn)的，可是它兩年前就停產(chǎn)了，所以現(xiàn)在市場上買到的大多是假的，這是這款芯片的不足之處。（3）1kHz正弦波經(jīng)過比較器輸出的