低频功率放大器设计

题     目：   低频功率放大器设计    

学    院：       工程学院           

专    业：         自动化           

班    级：          0902              

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2011年 12月23 日

1.课程设计目的...........................................1

2.课程设计题目的描述与要求...............................1

  2.1 课程设计题目的描述...............................1

  2.2 课程设计的基本要求...............................1

3.课程设计内容...........................................2

  3.1 方案的总体论述...................................2

    3.2 方案的各部分工作原理及计算.......................4

4.总结...................................................9

参考文献

1.课程设计的目的

通过课程设计，使学生加强对电子技术电路的理解，学会查询资料﹑方案的比较，以及设计计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力。

锻炼分析﹑解决电子电路问题的实际本领，真正实现由知识向智能的转化，通过此综合训练，为以后毕业设计打下一定的基础

2.课程设计题目的描述和要求

2.1课程设计的描述

低频功率放大器设计有两部分组成前置放大级和功率放大级。前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。而整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路共4 部分构成。通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、LM1875、LF357的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。

2.2课程设计的基本要求

(1)在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5~700）mV 

1额定输出功率POR≥10W

2宽带BW≥（50 ~10000）Hz

3在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%

4在POR下的效率η≥55%

5在前置放大级输入端交流短接到地时，输出的交流声功率≤10mW

（2）转换后的方波信号波形

①上升时间tr≤1µs

②下降时间tf≤1µs

③峰－峰值电压Vp-p为200mV

（3）方波输入激励放大通道后的输出波形

①在POR下额定输出功率POR≥10W

②在POR下输出波形上升时间tr≤12µs

③在POR下输出波形下降时间tf≤12µs

④在POR下输出波形顶部斜降≤2%

⑤在POR下输出波形过冲量≤5%

3. 课程设计报告内容

3.1 设计方案的选定与说明

(1)总体方案论证

根据题目任务, 我们设计有五个基本电路

1波形变换电路

2弱信号前置放大级电路

3中间级放大电路

4功率放大电路

5保护电路

其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务；直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量．由于方波中含有丰富的高次谐波分量，波形变换电路提供方波，可通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标，保护电路可以有效地保护负载不过载，对功率放大器也有一定的保护作用。下面对每个单元电路分别进行论证。

(2)设计方案的论证与比较：

(a)波形变换电路：

方案一：利用运放的正反馈作用，使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡，利用稳压管将电压稳定在6．2 V左右，然后利用电阻分压得到要求的正负对称的峰一峰值为200 mV 的方波信号。运放选用NE5532。

方案二：直接采用施密特触发器进行变换与整形。而施密特电路可用高精度、高速运算电路搭接而成，也可采用专用施密特触发器构成，还可以选用NE5532电路构成。

本系统采用方案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。

(b)弱信号前置放大级：

方案一:采用分立元件组成放大电路。用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。该电路的优点是：共模抑制比高、性价比高。

方案二：弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。

本系统设计选用方案二的NE5532，因为同众多的运放相比, NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能, 被称为“ 运放之皇” 。这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能, 较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出, 使电路的整体指标大大提高。

(c)中间放大级

方案一：采用分立元件组成多级放大。用功率小三极管组成多级共射放大电路，性价比好。

方案二：采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。

根据题目要求，放大器的通频带要宽，放大倍数大。方案一各放大级如直接耦合，各级的静态工作点相互影响，难以设置；如采用电容耦合，通频带将受影响，放大倍数要达到要求，放大级数多，难以达到要求。方案二采用集成芯片做一级放大，放大倍数易达到要求，设计易于实现，价比高。因此选方案二。 (d)功率放大级：

方案一：输出级的关键问题是放大功率、提高效率和减小波形失真。常见的晶体管功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类3种。工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间。在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其输出为单边失真的信号，甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高。因此可直接采用配对的Mos管组成甲乙类功率输出级。如下图1所示。

图1甲乙类功率放大输出级

方案二：采用专用的功放集成芯片。LM1875是一款功率放大集成块， 体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。

系统设计选用方案二。该方案的优点是：技术成熟，外围元器件少，保护功能较完善，调试简单，便于扩功等。

(d)自制稳压电源：

本系统设计采用三端集成稳压电源电路，选用LM7818、LM7918三端集成稳压器。

(3)方案选择：

由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分立元件相结合的方案，另一种是全部采用集成芯片的方案。为尽可能的降低噪声影响，减小非线性失真，以及考虑到外围元器件过多会给系统引入噪声等干扰因素造成不利影响，本设计采用方案二：全部采用集成运放芯片搭建电路。

为满足题目规定的指标要求, 减小非线性失真, 提高电路的高频和低频特性, 我们决定在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532, 在正弦波一方波转换电路中采用集成运放LF357，在功率放大级中采用运放LM1875。

3.2论述方案的各部分工作原理及计算

a.波形变换电路：

设计电路如图2所示，我们直接采用施密特触发器进行波形变换与整形，选用高精度、高速运算放大器LF357构成施密特触发器。根据题目要求，变换后的方波要正、负对称，频率为1000Hz，上升和下降时间 ≤1us，电压的峰-峰值为200mV。因为LF357属于FET管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点，完全可以满足技术指标要求。

                 图2 波形变换电路

此电路中，和为脉冲加速电容，可以减少方波脉冲上升时间和下降时间,可以取56pF和100pF。可以将输出幅度调整至200mV，可选用10K。为限流电阻，稳压二极管电流、，保证输出方波幅度稳定。

，                                                      （1-1）

比较器输出高低电平为

 、                                             （1-2）和的表达式（当=时，输出电压状态发生跳变）

                                                         （1-3）

                                                （1-4）

                                                （1-5）

                                              （1-6）

当时，，                                    （1-7）   

当时，，                                     （1-8）

迟滞宽度                                （1-9）

令，则

                         （2-1）取 ,近似等于，即

R3=（2Vz/ΔV - 1）R2=（2*3/0.7-1）*10=75.71 KΩ (取R3=75 KΩ)  （2-2）

b.弱信号前置放大级电路：

前置放大电路可以采用集成运算放大器构成的前置放大器,主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、转换速率、噪声和电流消耗等。为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用集成运算放大器构成前置放大器电路时,必须采用两级NE5532构成电路结构,电路如图3所示。

一个采用两级NE5532(C1:A和C1:B)构成的前置放大器如图3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 时， 输出 。

对于第一级放大器,要求杂信号最强时,输出不失真,即在 时,输出。所以

 （取）当输入信号最小,即=10mV 而输出不衰减时

=A1×=15×10=150 mV （2-4）

第二级放大要求输出≥2.53V,考虑到元件误差的影响,取=3V,而输入信号最小为150 mV,则第二级放大器倍数为

/=3/0.15=20

取=22。因此,取R=1K, R=15K, R=22K, R=1K。

图3 前置放大电路

C.功率放大电路

     采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路如图4所示。在图4电路中，输入信号Vi经过C12耦合到LM1875的①脚，功率放大后从④脚输出加到扬声器。R13、C14串联接在输出端用以抑制高频噪声。C9、C10、C11、C13用于电源去耦滤波，防止功率放大器产生高频自激， 去耦是指对电源采取进一步的滤波措施，去除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为直流负反馈电容；直流负反馈的作用是稳定静态工作点，而对放大电路的各项动态性能没有影响， 动态性能指放大倍数、通频带、输入及输出电阻等。R10为输入接地电阻，防止输入靠路时引起感应噪声；C12为信号耦合电容， 耦合指信号由第一级向第二级传递的过程。电源电压采用±15V。LM1875开环增益为26 dB，即放大倍数A=20。

因为要求输出到8Ω电阻负载上的功率Po≥20W，而

                                （2-6）

加上功率管管压降2V，则

                                      （2-7）

则取电源电压为±20V。

                                （2-8）

                             （2-9）

所以计算效率为

                        （3-1）

输出最大不失真电压 =17.9V，故

                                           （3-2）

由于A=20，                                     （3-3）

                                                （3-4）

                                        （3-5）

所以功放电压增益取=10,则输入信号

                                （3-6）

图4采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路

d.系统整体电路图6：

                           图6系统电路图

4.总结

时间总是过得很快，经过一周的课程设计的学习，我已经通过去图书馆查找资料和上网查找相关的设计，自己完成了一个低频功率放大器，让我更好的把课本上的知识应用到实践中，更好的运用所学的知识来解决实际问题，这也为我大四的毕业设计打下了一定的基础。

经过这段课程设计的日子，我发现从刚开始对其的一无所知，到现在已经能够基本的设计步骤。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。还有就是要感谢皮老师一周以来对我们的辅导，没有您的悉心辅导，我们不会进步这么快的。在这段时间里正是她的督促和教诲，才使我们的论文能按时的完成，也正是她的精益求精，才使我学到了很多知识。

参考文献

[1] 胡翔骏 电路分析(第二版) 北京：高等教育出版社 2007

[2] 华成英、童诗白 模拟电子学基础（第四版）北京：高等教育出版社 2006

[3] 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 北京：电子工业出版社 2007

[4] 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京：北京航空航天大学出版社 2006

[5] 谭博学、苗汇静 集成电路原理及应用（第二版） 北京：电子工业出版社 2008

[6] 夏路易、石宗义 电路原理图与电路板设计教程PROTEL99SE 北京希望电子出版社 2002

[7] 谷丽华、辛晓宁、么旭东 实用低频功率放大器的设计 沈阳化工学院学报  2005年01期

[8] NE5532、NE5534、LF357、LM1875等器件的DATA SHEET