带前置放大的音频功率放大器

课题名称 带前置放大的音频功率放大器 所在院系 机械电子工程学院 班 级 学 号 姓 名 指导老师 时 间 2010.6.17-2010.6.22 景德镇陶瓷学院模拟电子技术课程设计任务书姓名 班级08自动化 指导老师题目：带前置放大的音频功率放大器课题的任务和要求 设计要求：前置放大器的放大倍数为10 倍，使用单电源低噪声集成运放NE5534、OP-27A，功率放大采用LA4100、或LM386、或其他型号。音量可调，杂音小，有电源退耦，无自激。1、根据课题，查阅相关资料2、画出系统原理框图；3、参数计算和元器件选择4、画出单元电路图；5、画出整体控制电路图；6、撰写说明书参考文献1 胡翔骏 电路分析(第二版) 北京：高等教育出版社 20072 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 20063 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 20074 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 20065 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 20086 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 20027 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1. 引言42. 方案设计621总体方案论证62.2 单元模块方案论证与比较：72.2.1弱信号前置放大级：72.2.2功率放大级：72.2.3自制稳压电源：72.2.4保护电路：82.3 方案选择：83. 单元电路设计93.1各单元模块功能介绍及电路设计：93.1.1弱信号前置放大级电路：93.1.2功率放大电路113.1.3自制稳压电源电路：133.2 特殊器件的介绍144. 系统调试：164.1 稳压电源的调试：164.2 前置放大电路的调试：164.3 功放级的调试：164.4 系统的总调试：165. 课程设计总结176. 电子元件清单187. 总电路原理图198. 参考文献201. 引言功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后即放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的发展阶段：电子管功放 晶体管功放 集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到0.05%以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点 ，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。2. 方案设计21总体方案论证系统原理方框图如图1所示。根据题目任务, 我们设计有四个基本电路 弱信号前置放大级电路 功率放大电路 自制稳压电源电路 保护电路 图1系统原理框图 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。该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。2.2 单元模块方案论证与比较：2.2.1弱信号前置放大级：方案一: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。2.2.2功率放大级：方案一： 功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。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。根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。许多优质功放均是分立功放。但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当，则性能很可能低于一般集成功放，为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。现在市场上有许多性能优异的集成功放芯片，如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。另外集成运放还有性价比高的特点。故本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。2.2.3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。2.2.4保护电路：功率放大级采用LM1875，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，所以不需要另外的保护电路。2.3 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在功率放大级中采用运放LM1875。3. 单元电路设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计：3.1.1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,也可以采用专用前置放大器IC构成的前置放大器电路,从经济方面考虑本设计采用的是集成运算放大器方案,设计前置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、NE5534等。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,必须采用同相放大电路结构,电路如图2所示。 如图2同相放大电路结构的前置放大电路为了尽能保证不失真放大,图3采用两级运算放大器电路A1和A2,每级放大器的增益取决于R1、R2和R3、R4,即AvA=1+R2/R1,AVB=1+R4/R3。由上述分析可知,低频功率放大器的总增益为68dB,两级前置放大器的增益安排在50dB左右比较合适,每级增益在25dB左右,以保证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽要求,从而可保证不失真,即达到保真放大质量。图2中C1、C2分别为隔直流电容,是为满足各级直流反馈、稳定直流工作点而加的。但对于交流成分, C1、C2必须呈现短路状态,即要求C1、C2的容抗远小于R1、R3的阻值。C3、C4为耦合电容,为保证低频响应,要求其容抗远小于放大器的输入电阻。R5、R6为各级运放输入端的平衡电阻,通常R5=R2,R6=R4。一个采用两级NE5532(C1:A和C1:B)构成的前置放大器如图4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=1510=150 mV。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。跟随电路具有输入电阻大，输出电阻小的特点，可以做多级放大器的中间级，即缓冲级。 说得通俗一点，就是做阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配。所以两级放大电路前加了跟随电路实现阻抗匹配。 如图3两级NE5532构成的前置放大电路3.1.2功率放大电路前面已经说过功率放大电路可由分立元件组成也可以由集成功放组成。分立元件组成的功率放大电路，如果电路选择得好，参数选择恰当，元件性能优良，设计和调试的好，则性能也很优良。 在分立元件组成功率放大电路中由三极管、二极管、电阻、电容等器件组成的核心电路，提供了自由调整的余地。但分立元件组成的功率放大电路只要其中一个环节出现问题，则性能会低于一般集成功率放大电路。而且为了不致过载、过流、过热等损坏元件，需要加以复杂的保护电路。集成功率放大电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。以下介绍采用集成芯片构成的的功率放大器。 采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路。LM1875是一个输出功率最大可达到30W的音频功率放大器，Avo为90dB,失真率为0.015%(1KHz,20W)，带宽为70 KHz，具有AC和DC短路保护电路和热保护电路，电源电压范围为1660V，采用TO-220封装。在图4电路中，输入信号Vi经过C12耦合到LM1875的脚，功率放大后从脚输出加到扬声器。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8电阻负载上的功率Po20W，而加上功率管管压降2V，则则取电源电压为20V。所以计算效率为输出最大不失真电压 =17.9V，故由于A=20，所以功放电压增益取=10,则输入信号图4采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路由于在本电路中选用了集成功放LM1875，它在应用中外围元器件少，调试简单，便于扩功，使得功率放大级电路简洁，实用，输出功率大，非线性失真小。3.1.3自制稳压电源电路：直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量，根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求，需要稳压电源输出直流电压+18V、-18V。因三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点，本设计中采用三端稳压电路，电源经1000uF电解并并上0.1uF电容依次滤掉各种频率干扰后输出, 输出电压直流性能好, 实测其纹波电压很小。本模块采用变压器T1进行降压（220v18v），经D0矫式整流，C1、C2、C5、C6滤波后，经稳压IC 得到正负18V电压，C3、C4和C7、C8、再一次滤波后输出。其中C2、C4、C6、C8小电容用于除去电网中的高频干扰。电路原理图如图5所示：图5自制稳压电源电路3.2 特殊器件的介绍本电路设计简洁、实用，各模块单元均选用集成运放电路。在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532,在功率放大级中采用运放LM1875。如此设计使得电路外围结构简单，体积小巧精致，且较好的结合了各运放的优良性能，使电路能满足各项指标。现介绍各芯片参数如下：NE5532的极限参数参数符号NE5532单位电源电压Vcc22V差分输入电压Vdif13V输入电压Vi提供电压V功耗，TA=25PD1100mW工作温度TOPR070LM1875的参数：电压范围：单电压1560V ,或30V静态电流：50mA输出功率：30W谐波失真：0.015%，当f=1kHz，RL=8，P0=20W时额定增益：26dB，当f=1kHz时工作电压：25V转换速率：18V/S (9V/S) 4. 系统调试：调试前的直观检查连线是否正确，检查电源输出值是否符合实验标准；检查元器件的安装情况：元器件的管脚之间有没有短路，连接处有没有接触不良，集成电路NE5532的管脚是否接对及集成块的缺口是否与底座对位。4.1 稳压电源的调试：电源电压输出值稳定，其正电压输出为+14.8V，负电压输出为-14.7V。虽然运放所加正负电压不对称时可能会引起直流偏移，即在输入信号为0时，输出信号并不为0，但考虑到NE5532的低噪声性能和LM1875在8 负载上，20W输出时总谐波失真为0.015的特点，对正负电压输出微小的不对称不再做调整。4.2 前置放大电路的调试：在此我们对前置放大电路的两级分开调试。调整直流电源输出为15V，插上运放NE5532芯片，接通直流电源4.3 功放级的调试：4.4 系统的总调试：经上述分单元模块电路分别调试好，我们将各模块连接起来，进行系统整体的调试。5. 课程设计总结详细介绍了一种简单实用、价格低的低频功率放大器的电路设计方法, 整套设计只需几十元 。 从实验的各项数据分析,本电路具有很好的频率响应特性, 从测得的带宽可以看出,该功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用,能较好地达到实际要求,也符合理论上的要求 。 6. 电子元件清单类型商品名称数量（个）变压器220V/22V的变压器1整流桥20V/5A整流桥1稳压芯片LM78181LM79181运算放大器NE55321功率放大器LM18751二极管IN40072电容铝电解电容50V/2200uf2铝电解电容50V/1000uf2瓷片电容0.1uf6铝电解电容50V/10uf2铝电解电容50V/47uf1铝电解电容50V/220uf2瓷片电容0.22uf1电阻1/4W10k伪金膜电阻41/4W150k伪金膜电阻21/4W20k伪金膜电阻11/4W2k伪金膜电阻2电位器WH06-2电位器100k1WH06-2电位器47k1排座8p11p47. 总电路原理图系统整体电路图68. 参考文献1、胡翔骏 电路分析(第二版) 北京：高等教育出版社 20072、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 20063、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 20074、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 20065、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 20086、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 20027、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