低频功率放大器

2010夏季学期电子工艺实习报告题目 实用低频功率放大器学 院 电子工程学院班 级 07805姓 名 杨杨学 号 072385班内序号 30辅导老师 马建新北京邮电大学一. 任务:设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器.其原理示意图如下: 二. 技术指标:1.基本要求设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器. 在放大通道的正弦信号输入电压幅度为50700 mV , 等效负载电阻RL为8下,放大通道应满足:额定输出功率POR 10 W;带宽BW (5010 000) Hz; 在POR下和BW内的非线性失真系数3 %;在POR下的效率55 %.;在前置放大级输入端交流短接到地时,RL = 8 上的交流声功率10 mW. 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源,画出实际的直流稳压电源原理图即可.2.发挥部分(1) 放大器的时间响应:a.由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波,频率为1 000 Hz ,上升时间1 s ,峰2峰值电压为200mV. 用上述方波激励放大通道时,在RL = 8 下,放大通道应满足.b.额定输出功率POR 10 W;c.在POR下输出波形上升时间和下降时间12s ;d.在POR下输出波形顶部斜降2 %;e.在POR下输出波形过冲量2 %.(2) 放大通道性能指标的提高和实用功能的拓展(例如:提高工作效率,减小非线性失真)三. 系统组成:系统主要由前置放大级、功率放大级和稳压电源电路3部分组成. 系统框图如原理示意图示.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. 为验证功放的性能,特设计正弦波方波转换电路,因为方波中含有丰富的高次谐波分量,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.四. 总体方案设计:波形变换电路：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。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。波形变换电路弱信号前置放大级：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。前置级的任务是完成小信号的电压放大，其失真度和噪声对系统的影响最大，故采用了低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532，均采用电压并联负反馈电路，因为电压并联负反馈具有很好的抗共模干扰能力，且具有改善波形失真的作用。且NE5532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。放大后的信号失真度和噪声都很小。前置放大级电路的主要功能是将5mV700mV输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的输入信号。因此，需要解决的问题是本级225倍的电压放大倍数和带宽BW50Hz-10KHz的矛盾。对此可以采用二级放大电路，因为放大器的增益带宽积是一个常数，增益减小，带宽就可以提高。同时我们在第二级中用电位器（47K）引入增益调节环节，使本级的总增益在一定范围内持续可调。增益调节可用电位器手动调节，也可采用自动增益控制，但考虑到题目中的“实用”两字，本装置采用手动增益调节。 前置放大级电路前置放大级主要完成小信号电压放大的任务,其失真度和噪声对系统的影响是优先考虑的指标. 对于前置放大级的设计,由于第一级前置级增益为:A U1 = ( R2/ R1) = (150 k/ 10 k) =1524 dB ;第二级前置级增益为:A U2 = ( R5/ R4) = (150 k/ 10 k) =1524 dB.考虑到输入信号的变化范围很大,在两级间串一个滑动变阻器来改变整个系统的增益,同时也起到对信号的衰减作用. 前置放大采用集成运放NE5532 ,同众多的运放相比,它具有高精度、低噪声、高速、高阻抗、频带宽等优良性能,具体指标参数为: 转换速率9 V/s ,增益带宽积10 MHz ,直流增益为105 倍,最高工作电压为22V ,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、高频段均能不失真地输出,使电路的整体指标大大提高.功率放大级：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。本级电路实现对电压和电流信号的放大。放大信号的过程就是电路按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程，其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值。在上述方案论证中，我们选择了集成运放。我们熟悉的集成运放有TDA2040、LM1875、TDA1514等，其中TDA2040A功率裕量不大，TDA1514外围电路较为复杂，且易自激。这两种功放的低频性能都欠佳，LM1875外围电路简单。电路成熟，低频特性好，保护功能安全。它的不足之处是高频特性较差（BW70kHz），但对于本设计的要求的50Hz10kHz已足够，因此选择LM1875做功放。它是一款功率放大集成块，形如一只中功率管，体积小巧，在使用中外围电路简单，且输出功率较大。该集成功放内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。功率放大电路图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。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。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，仅需要稳压电源输出的一种直流电压即+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。 稳压电源电路图五. 电路参数的计算及元器件的选择：1.增益分配：由于系统要求输出额定功率不小于10 w，同时，输出负载为8，则Uomax= =8.95V 故Uop-pUomax12.6V系统的最大增益为：Aumax=20 lg (8.950.005)65dB系统的最小增益为：Aumin=20 lg （8.950.7）22dB则需整个放大电路的增益应在22 dB65 dB范围内可调为保证放大器性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在20-40 dB(放大倍数10100倍)之间故整个放大器增益需通过三级放大实现。为方便增益调整，可使功放级的增益固定，且必须小于65dB ，故其增益取为21 dB则前置级需要两级放大，且其总增益应在145dB之间可调。2.前置放大器的参数设计：由于从信号源输出的小信号非常微弱, 只有经过放大之后, 这种信号才能激励功率放大器,且由上述分析可知前置放大级由两级组成。故在前置放大级中采用低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532。第一级前置级增益为： Au1=R2/R1=150/10=15（约为24dB）第二级前置级增益为： Au1=R5/R4=150/10=15（约为24dB）前置放大两级之间采用阻容耦合（10F电解电容），起到了滤直流的作用。为了满足输入信号的幅度在5mV700mV的范围内，功率输出级的输出功率的额定功率10W的要求，在前置放大级的第二级的输入端采用电位器RP1（100K）对大信号进行衰减。同时也起到了可实现增益调节的作用。为了稳定功率放大级的工作点，前置级和功放级之间采用钽电容耦合。3.功率放大级的参数设计：在上述分析过程中，功放级的增益设为固定值21dB。因此在以LM1875为核心元件的电路中，R15取20K，R14取2k。使得功放级的放大倍数为：Au=1+R15R14=11因此功放级的增益为20 lg1121dB。考虑到前置放大第二级中如果RP1不是处在最大的衰减位置，而输入信号又比较大，则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率，很有可能烧坏功率放大器。因此前置放大第二级的输出端接47K电位器实现对输入功放信号的衰减，以此来保护功放电路。LM1875功放电路的特点：.开环增益可达90dB。.极低的失真，1kHz，20W时失真仅为0.015%。AC和DC短路保护电路。.超温保护电路。峰值电流高达4A。.极宽的工作电压范围（16-60V）。内置输出保护二极管。外接元件非常少，TO-220封装。.输出功率大，Po=20W(RL=4)。4.电源电路的参数设计;稳压电源电路采用三端集成稳压器，由于电源电路需给前置放大级、功率放大级、波形转换电路供电，且各个集成运放芯片的工作电压均为18V。因此选用W7818、W7819三端集成稳压器输出正、负18V电压。电源变压器的参数分析如下：考虑到稳压器两端会产生3到5.5V的压降，同时取二极管桥式整流器的系数为1.2，则变压器副边的电压（241.2）=20V，取为21V。由于W78系列的最大输出电流为1.5A，因此电源消耗的功率应至少为：21V1.5A=31.5W。由于通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率，且考虑到整个系统的耗能和为留有裕量，电源变压器的功率选择为40W。由以上分析计算，可选用一个功率为40W，输入为二路21V的电源变压器。电源电路中整流二极管、电容的参数：电路中采用了5A50V 2CZBE硅整流管全桥,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, 实测其纹波电压仅为很小。5.波形变换电路的参数设计：波形转换器电路的功能：一是要将信号源输的1000Hz正弦波变为正负极性对称的方波，且Vp-p=200mV；二是方波信号要经过放大通道进行放大，使输出达到额定功率10W。此外，还要满足方波波形成参数的要求。首先从方波的波形参数考虑，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。LF357的反相端接经前置级第一级放大后的正弦波信号，反相端接反馈网络，运放的输出为正负对称的方波。再经R12（56K）、RP2（3.3K）电阻分压后的输出信号的峰-峰值为200mV。再将方波信号接入前置放大第二级，方波信号经过放大通道进行放大，使输出功率达到10W以上。六. 系统测试及结果分析:整个系统在调试时,分部分调试. 首先是电源的调试,其次是前置放大级和转换电路的调试,然后是功率级本身的调试,最后将整个电路连接起来调试.自测数据见自测表格测试结果分析：由测量的数据可以知道实测参数并没与计算的参数或仿真参数完全一致，原因可能是 由于各个元器件并非是理想的，如电阻的实际值与标称值不尽相同； 各计算公式为近似的公式； 测量仪器仪表的读数误差等等。七. 实验总结:该实验报告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,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1090 103 Hz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.在为期3周德实验过程中我遇到了一些大大小小的问题,最终这些问题在老师与同学的帮助下，自己研究得到了解决，通过这几周的设计过程和验收过程，修改过程，使自己的动手能力，尤其是特殊芯片的应用能力大大地加强了，这是我们以后工作过程中最需要的，同时我自己对此也产生了很大的兴趣。我会将老师给我的修改建议牢记在心，今后继续努力。总之，这三周的小学期收获很大，感觉充实，确实很有成就感，最后感谢我们的马老师，感谢小学期的全体老师！