畢業(yè)設計（論文）低頻功率放大器的設計

編號淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)論文題目低頻功率放大器的設計學生姓名季網東學號15071139系部電子工程系專業(yè)應用電子技術班級150711指導教師趙洪濤二〇一〇年六月摘要實用低頻功率放大器主要應用是對音頻信號進行功率放大，本文介紹了具有弱信號放大能力的低頻功率放大器的根本原理、內容、技術路線。整個電路主要由穩(wěn)壓電源、前置放大器、功率放大器、和保護電路共四局部構成。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大器、功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是電壓的放大。功率放大器實現(xiàn)電流、電壓的放大。設計的電路結構簡潔、實用，充分利用到了集成功放的優(yōu)良性能。實驗結果說明該功率放大器在帶寬、失真度、效率等方面具有較好的指標、較高的實用性,為功率放大器的設計提供了廣闊的思路。關鍵詞：前置放大功放電源電路AbstractPracticalapplicationoflowpoweramplifierismainlyforaudiosignalpoweramplifier,thepaperintroducestheweaksignalwithlowpoweramplifieramplificationabilityofbasicprinciple,contents,thetechnicalroute.Themaincircuitbymanostat,preamplifier,poweramplifiers,andprotectcircuitfourparts.Manostatprimarilyforpre-amplifier,poweramplifiers,providestabledcpowersupply.Thepreamplifierismainlythevoltageamplifier.Current,voltagepoweramplifieramplification.Thedesignofconciseandpracticalcircuitstructure,tomakefulluseoftheexcellentpropertiesofintegratedamplifier.Experimentalresultsshowthatthepoweramplifier,thedistortiondegreeinbandwidthandefficiencyindex,andhasbetterpracticabilityandhighpoweramplifierforthedesignprovidesabroadthinking.Keywords:thepreamplifierpoweramplifierPowersupplycircuit目錄摘要 IAbstract II第一章前言 1第二章總體方案設計 32.1總體方案論證 32.2單元模塊方案論證與比擬 3弱信號前置放大級 3功率放大級 3自制穩(wěn)壓電源 42.3方案選擇 4第三章單元模塊設計 53.1各單元模塊功能介紹及電路設計 5弱信號信號前置放大級電路 5功率放大電路 6自制穩(wěn)壓電源電路 83.2特殊器件的介紹 10第四章電路的制作與調試 114.1電路的制作與裝配 11利用PCB制作電路板 11元器件的裝配 114.2電路板的調試 11穩(wěn)壓電源的調試 12靜態(tài)調試 12動態(tài)調試 12總結 13致謝 14參考文獻 15第一章前言功率放大器在家電、數(shù)碼產品中的應用越來越廣泛，與我們日常生活有著密切關系。隨著生活水平的提高，人們越來越注重視覺，音質的享受。在大多數(shù)情況下，增強系統(tǒng)性能，如更好的聲音效果，是促使消費者購置產品的一個重要因素。低頻功率放大器作為音響等電子設備的后即放大電路，它的主要作用是將前級的音頻信號進行功率放大以推動負載工作，獲得良好的聲音效果。同時低頻功率放大器又是音響等電聲設備消耗電源能量的主要局部。因此設計出實用、簡潔、低價格的低頻功率放大器是一個開展方向。功率放大器隨著科技的進步是不斷開展的，從最初的電子管功率放大器到現(xiàn)在的集成功率放大器，功率放大器經歷了幾個不同的開展階段：電子管功放晶體管功放集成功放。功放按不同的分類方法可分為不同的類型，按所用的放大器件分類，可分為電子管式放大器、晶體管式功率放大器〔包括場效應管功率放大器〕和集成電路功率放大器〔包括厚膜集成功率放大器〕，目前以晶體管和集成電路式功率放大器為主，電子管功率放大器也占有一席之地。電子管功率放大器俗稱膽機，電子管功放的生產工藝相當成熟，產品的穩(wěn)定性很高，而離散性極小，特別是它的工作機理決定了它的音色十分溫柔，富有人情味，因而成為重要的音響電路形式。電子管電路的設計、安裝、調試都比擬簡單，期缺點是輸出變壓器、電源變壓器的繞制工藝稍麻煩，耗電大、體積大、有一定的使用期限。因此在實際使用中有一定的局限性?，F(xiàn)在大功率晶體管種類很多，優(yōu)質功放電路也層出不窮，因此晶體管功率放大器是應用最廣泛的形式。人們研制出許多優(yōu)質新型電路使功放的諧波失真，很容易減少到0.05%以下。場效應管是一種很有潛力的功率放大器件，它具有噪聲小、動態(tài)范圍大、負溫度特性等特點，音色和電子管相似，保護電路簡單。場效應管生產技術還在不斷開展，場效應管放大器將有更為強大的生命力。由于集成電路技術的迅速開展，集成電路功率放大器也大量涌現(xiàn)出來，其工藝和指標都到達了很高水平，它的突出特點是體積小、電路簡單、性能優(yōu)越、保護功能齊全等。由于在很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務，這時就要在主機和播放設備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調〞的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質輸出?，F(xiàn)今功率放大器不僅僅是消費產品(音響)中不可缺少的設備,還廣泛應用于控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中。然而低頻功率放大器已經是一個技術相當成熟的領域,幾十年來,人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?無論從線路技術還是元器件方面,乃至思想認識上都取得了長足的進步。目前市場上的集成功放產品價格已經很低并且種類也很多,典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514。這些優(yōu)質功放模塊體積小、性能優(yōu)越、保護功能齊全、外圍電路簡單、易制作易調試。最近，一種應用砷化鉀MESFET制成的功率放大器MMIC，在移動和個人數(shù)據終端領域中應用越來越廣泛，一片尺寸為2.5×3.48平方毫米的MMIC輸出功率可達1.1W，工作頻率達950MHZ。本文給出一種簡單實用、制作本錢低廉的實用低頻功率放大器的設計方案,并給出實際測試結果。功率放大可由分立元件組成,也可由集成電路完成。由分立元件組成功率放大器，如果進行精心的設計，那么在效率和失真方面更優(yōu)于集成的，價格方面廉價一點，但如果電路選擇和參數(shù)設置不恰當時,元件性能就不能很好的表現(xiàn)出來,制作調試比擬困難。從電路的簡單性和易調性，集成電路更好些。本次設計功放采用集成電路完成。本次實用低頻功率放大器設計有兩局部組成前置放大級和功率放大級。前置放大級主要任務是完成小信號電壓放大任務，同時要求低噪聲、低溫漂。功率放大級主要任務是在允許的失真限度內,盡可能高效率地向負載提供足夠大的功率，要求是輸出功率要大、效率要高。通過詳盡的資料查詢和嚴密的方案論證后，我們選擇通過集成運放NE5532、LM1875、的配套使用來使本電路系統(tǒng)設計簡潔、實用并且到達高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應的指標。其輸出功率大于20W,負載為8歐姆。第二章總體方案設計2.1總體方案論證 系統(tǒng)原理方框圖如圖1-1所示。根據設計任務,我們設計有四個根本電路弱信號前置放大級電路自制穩(wěn)壓電源電路功率放大器保護電路前置放大級保護電路功率放大級自制穩(wěn)壓電源前置放大級保護電路功率放大級自制穩(wěn)壓電源8歐姆負載圖1-1系統(tǒng)原理框圖其中前置級主要完成小信號的電壓放大任務；功率放大級那么實現(xiàn)對信號的電壓和電流放大任務；直流穩(wěn)壓電源局部那么為整個功放電路提供能量．保護電路可以有效地保護負載不過載，對功率放大器也有一定的保護作用。該系統(tǒng)是一個高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應的音響與脈沖傳輸、放大兼容的實用電路。下面對每個單元電路分別進行論證。2.2單元模塊方案論證與比擬弱信號前置放大級方案一:弱信號前置放大電路必須由低噪聲、高保真、高增益、快響應、寬帶音響集成電路構成。符合上述條件的集成電路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。本系統(tǒng)設計選用NE5532，因為同眾多的運放相比,NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、寬頻帶等優(yōu)良性能,被稱為“運放之皇〞。這種運放的高速轉換性能可大大改善電路的瞬態(tài)性能,較寬的帶寬能保證信號在低、中、高頻段均能不失真輸出,使電路的整體指標大大提高。功率放大級方案一：功率放大輸出級采用分立元件構成的OCL電路，驅動級采用集成芯片，整個功放級采用大環(huán)電壓負反應。這種方案的優(yōu)點是：由于反應深度容易控制，故放大倍數(shù)容易控制。且失真度可以做到很小，使音質很純潔。但外圍元器件較多，調試要困難一些。方案二：采用專用的功放集成芯片。LM1875是一款功率放大集成塊，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大。該集成電路內部設有過載過熱及感性負載反向電勢平安工作保護。根據設計要求，可供選擇的功率放大器可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成的功放，如果電路選擇得好，參數(shù)恰當，元件性能優(yōu)越，且制作和調試得好，那么性能很可能高過較好的集成功放。許多優(yōu)質功放均是分立功放。但其中只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者搭配不當，那么性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過載、過流、過熱等損壞還得加復雜的保護電路。現(xiàn)在市場上有許多性能優(yōu)異的集成功放芯片，如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外圍電路簡單，保護功能較完善，易制作調試等優(yōu)點，雖不及頂級功放的性能，但滿足并超過本設計的要求是沒有問題的。另外集成運放還有性價比高的特點。故本系統(tǒng)設計選用方案二。該方案的優(yōu)點是：技術成熟，外圍元器件少，保護功能較完善，調試簡單，便于擴功等。自制穩(wěn)壓電源本系統(tǒng)設計采用三端集成穩(wěn)壓電源電路，選用LM7815、LM7915三端集成穩(wěn)壓器。2.3方案選擇由前面的方案論證得知，設計本系統(tǒng)有兩種方案，一種方案是采用集成電路與分立元件相結合的方案，另一種是全部采用集成芯片的方案。為盡可能的降低噪聲影響，減小非線性失真，以及考慮到外圍元器件過多會給系統(tǒng)引入噪聲等干擾因素造成不利影響，本設計采用方案二：全部采用集成運放芯片搭建電路。為滿足規(guī)定的指標要求,減小非線性失真,提高電路的高頻和低頻特性,我們決定在前置放大級電路中采用集成雙運放NE5532,在功率放大級中采用運放LM1875。第三章單元模塊設計3.1各單元模塊功能介紹及電路設計弱信號信號前置放大級電路前置放大電路可以采用集成運算放大器構成的前置放大器,也可以采用專用前置放大器IC構成的前置放大器電路,從經濟方面考慮本設計采用的是集成運算放大器方案,設計前置放大器可供選用的集成運算放大器有很多,有LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、NE5534等。主要考慮的技術指標是帶寬、電壓增益、轉換速率、噪聲和電流消耗等。為提高前置放大器電路輸入電阻和共模抑制性能,減少輸出噪聲,采用集成運算放大器構成前置放大器電路時,必須采用同相放大電路結構,電路如圖3-1。圖3-1同相放大電路結構的前置放大電路為了盡能保證不失真放大,圖3-1級運算放大器電路A和B,每級放大器的增益取決于R1、R2和R3、R4,即AvA=1+R2/R1,AVB=1+R4/R3。由上述分析可知,低頻功率放大器的總增益為68dB,兩級前置放大器的增益安排在50dB左右比擬適宜,每級增益在25dB左右,以保證充分發(fā)揮每級的線性放大性能并滿足帶寬要求,從而可保證不失真,即到達保真放大質量。圖3-1C1、C2分別為隔直流電容,是為滿足各級直流反應、穩(wěn)定直流工作點而加的。但對于交流成分,C1、C2必須呈現(xiàn)短路狀態(tài),即要求C1、C2的容抗遠小于R1、R3的阻值。C3、C4為耦合電容,為保證低頻響應,要求其容抗遠小于放大器的輸入電阻。R5、R6為各級運放輸入端的平衡電阻,通常R5=R2,R6=R4。一個采用兩級NE5532(C1:A和C1:B)構成的前置放大器如圖3-2各級均采用固定增益加輸出衰減組成,要求當各級輸出不衰減,輸入時，輸出。對于第一級放大器,要求雜信號最強時,輸出不失真,即在時,輸出。所以取。當輸入信號最小,即=10mV而輸出不衰減時=A1×=15×10=150mV。第二級放大要求輸出≥2.53V,考慮到元件誤差的影響,取=3V,而輸入信號最小為150mV,那么第二級放大器倍數(shù)/=3/0.15=20取=22。因此,取R=1M,R=1M,R4=20K,R3=1K。跟隨電路具有輸入電阻大，輸出電阻小的特點，可以做多級放大器的中間級，即緩沖級。說得通俗一點，就是做阻抗變換，使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配。所以兩級放大電路前加了跟隨電路實現(xiàn)阻抗匹配。圖3-2兩級NE5532構成的前置放大電路功率放大電路前面已經說過功率放大電路可由分立元件組成也可以由集成功放組成。分立元件組成的功率放大電路，如果電路選擇得好，參數(shù)選擇恰當，元件性能優(yōu)良，設計和調試的好，那么性能也很優(yōu)良。在分立元件組成功率放大電路中由三極管、二極管、電阻、電容等器件組成的核心電路，提供了自由調整的余地。但分立元件組成的功率放大電路只要其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，那么性能會低于一般集成功率放大電路。而且為了不致過載、過流、過熱等損壞元件，需要加以復雜的保護電路。集成功率放大電路成熟，低頻性能好，內部設計具有復合保護電路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件參數(shù)穩(wěn)定，無須調整，信噪比擬小，而且電路布局合理，外圍電路簡單，保護功能齊全，還可外加散熱片解決散熱問題。以下介紹采用集成芯片構成的的功率放大器。采用集成功放LM1875構成的低頻功率放大器電路如圖3-3LM1875是一個輸出功率最大可到達30W的音頻功率放大器，Avo為90dB,失真率為0.015%(1KHz,20W)，帶寬為70KHz，具有AC和DC短路保護電路和熱保護電路，電源電壓范圍為16~60V，采用TO-220封裝。在圖3-3，輸入信號Vi經過C12耦合到LM1875的①腳，功率放大后從④腳輸出加到揚聲器。R13、C14串聯(lián)接在輸出端用以抑制高頻噪聲。C9、C10、C11、C13用于電源去耦濾波，防止功率放大器產生高頻自激，去耦是指對電源采取進一步的濾波措施，去除兩級間信號通過電源互相干擾的影響。R11、R12組成反應網絡；C20為直流負反應電容；直流負反應的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，而對放大電路的各項動態(tài)性能沒有影響，動態(tài)性能指放大倍數(shù)、通頻帶、輸入及輸出電阻等。R10為輸入接地電阻，防止輸入靠路時引起感應噪聲；C12為信號耦合電容，耦合指信號由第一級向第二級傳遞的過程。電源電壓采用±15V。LM1875開環(huán)增益為26dB，即放大倍數(shù)A=20。因為要求輸出到8Ω電阻負載上的功率Po≥20W，而加上功率管管壓降2V，那么那么取電源電壓為±20V。所以計算效率為輸出最大不失真電壓=17.9V，故由于A=20，，，所以功放電壓增益取=10,那么輸入信號圖3-3采用集成功放LM1875構成的低頻功率放大器電路由于在本電路中選用了集成功放LM1875，它在應用中外圍元器件少，調試簡單，便于擴功，使得功率放大級電路簡潔，實用，輸出功率大，非線性失真小。自制穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源局部那么為整個功放電路提供能量，根據以上設計的前置放大級電路和功率放大級電路的要求，僅需要穩(wěn)壓電源輸出的一種直流電壓即+15V。穩(wěn)定直流源設計的一般思路是讓輸入電壓先通過電壓變壓器，再通過整流網絡，然后經過濾波網絡最后經過穩(wěn)壓網絡。方案1.我們可以采用以橋式整理電路實現(xiàn)整流的目的，以大電容作為濾波電路，然后接負載。但是這樣做有以下缺乏之處，如負載的影響很大，電壓不可調以及沒有保護電路等一以下問題。我們采用某些芯片，可以解決以上的問題。方案2.以全波整流電路作為整流網絡，以極性電容作為濾波網絡，采用固定式三端集成穩(wěn)壓電路7815和7915設計制作連續(xù)可調的雙極型直流穩(wěn)壓電源。如以下圖所示，220V〔幅值311V〕50Hz市電經變壓器220:25輸出兩組獨立的25V交流，經橋堆整流、大電容濾波后分別經過集成穩(wěn)壓塊LM7815C與LM7915C作用得到±15V的直流輸出。圖3-4單相電源接法本設計的直流穩(wěn)壓電源是交流信號先經變壓器變壓，再經過橋式整流電路整流，經過極性電容濾波以及通過兩三端網絡來實現(xiàn)雙極型穩(wěn)壓電源。滑動變阻器R3,R4的存在使電源輸出變的可調。電阻R1，R2，即為保護電阻，可以起到過流保護作用。也可以在芯片兩端加上個對稱的二極管〔替代電阻〕，以起到過流保護和短路保護。圖3-5雙電源接法本系統(tǒng)選用方案2的雙電源。3.2特殊器件的介紹本電路設計簡潔、實用，各模塊單元均選用集成運放電路。在前置放大級電路中采用集成雙運放NE5532,在正弦波一方波轉換電路中采用集成運放LF357，在功率放大級中采用運放LM1875。如此設計使得電路外圍結構簡單，體積小巧精致，且較好的結合了各運放的優(yōu)良性能，使電路能滿足各項指標。現(xiàn)介紹各芯片參數(shù)如下：表3-1NE5532的極限參數(shù)參數(shù)符號NE5532單位電源電壓Vcc±22V差分輸入電壓Vdif±13V輸入電壓Vi提供電壓V功耗，TA=25℃PD1100mW工作溫度TOPR0~70℃表3-2LM1875的參數(shù)電壓范圍：單電壓15~60V,或±30V靜態(tài)電流：50mA輸出功率：30W諧波失真：＜0.015%，當f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W時額定增益：26dB，當f=1kHz時工作電壓：±25V轉換速率：18V/μS(9V/μS)第四章電路的制作與調試4.1電路的制作與裝配利用PCB制作電路板由于此圖較簡單，在實驗室我們能很快制作出電路板，下面我將制作電路板的詳細過程列舉出來：第1步：利用一個能生成圖像的軟件生成一些圖像文件，比方用低版本的PROTEL組織SCH，再利用網絡表生成相應PCB圖〔不會PROTEL的話，甚至是WINDOWS的畫筆程序也行)，以備打印。第2步：將PCB圖打印到熱轉印紙上〔所謂的熱轉印紙就是不干膠紙的黃色底襯！〕。第3步：將打印好PCB的轉印紙平鋪在覆銅板上，準備轉印。第4步：用熱轉印機加溫〔要很熱〕將轉印紙上黑色塑料粉壓在覆銅板上形成高精度的抗腐層。第5步：轉印機加溫加壓成功轉印后的效果！假設你經常搞，熟練了，很容易成功。第6步：準備好三氯化鐵溶液進行腐蝕。第7步：效果還不錯吧！注意不要腐蝕過度，腐蝕結束，準備焊接。第8步：清理出焊盤局部，剩下的局部用于阻焊。第9步：安裝所需預定原件并焊接好。第10步：測試以驗證其正確性。通過上面的方法能容易的得到我們所需要的電路板，但是焊接完的電路成品的效果好壞取決于電路原理圖設計的好壞以及制作出的電路板的好壞。元器件的裝配去電子市場買元件，考慮到價格問題，選用的元器件為五色環(huán)電阻、小型電解電容、有極性電容等，工具為20W普通內熱式電烙鐵一把、鉗子、螺絲刀等等。經過一系列的準備就緒之后，焊接也是最麻煩的一關，焊接時首先焊接電阻，再焊電容，再焊整流管，再焊電位器，最后焊LM1875。焊接LM1875前須先把LM1875用螺絲固定在散熱片上，否那么在最后裝散熱片時螺絲很難打進去。LM1875與散熱片接觸的局部必須涂少量的散熱脂，以利散熱。焊接時必須注意焊接質量，防止虛焊，最后檢查一下，及時補焊。4.2電路板的調試本功放板調試特別簡單，調試前的直觀檢查連線是否正確，檢查電源輸出值是否符合實驗標準；檢查元器件的安裝情況：元器件的管腳之間有沒有短路，連接處有沒有接觸不良，集成電路NE5532的管腳是否接對及集成塊的缺口是否與底座對位。用萬用表仔細的檢查電路的每一個局部，然后進行調試。穩(wěn)壓電源的調試電源電壓輸出值穩(wěn)定，其正電壓輸出為+14.8V，負電壓輸出為-14.7V。雖然運放所加正負電壓不對稱時可能會引起直流偏移，即在輸入信號為0時，輸出信號并不為0，但考慮到NE5532的低噪聲性能和LM1875在8Ω負載上，20W輸出時總諧波失真為0.015％的特點，對正負電壓輸出微小的不對稱不再做調整。靜態(tài)調試調試時首先輸入電源,然后進行靜態(tài)調試,使輸入短路U1=0,輸出也要為U0=0，接上變壓器，放大器的輸出端先不接揚聲器，而是接萬用電表，最好是數(shù)顯的，萬用表置于DC*2V檔。功放板上電注意觀察萬用電表的讀數(shù)，在正