低噪声、超低频功率放大器设计毕业论文

摘要毕业论文低噪声、超低频功率放大器设计摘要本文主要描述了一个具有低噪声性能的前置放大器和一个频率范围在0100Hz的功率放大器的设计，并要求整个电路的放大功率达300W以上。本文介绍了音响中超低频功率放大器及低噪声前置放大器的基本原理、电路设计等内容。整个电路主要由稳压电源、前置放大器、低通滤波器、功率放大器4 部分构成。稳压电源主要任务是为前置放大器、低通滤波器、功率放大器提供稳定的直流电压。前置放大器主要任务是完成小信号电压放大，同时要求低噪音。低通滤波器主要任务是实现频率的选择。功率放大器的主要任务是实现电压的放大，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。本设计采用集成电路NE5532、UA741及D-200W实现设计要求，并用Multisim软件仿真。设计的电路结构简洁、实用，充分利用了集成功放的优良性能。实验结果表明该前置放大器及功率放大器等组成的音响系统在带宽、功率、噪声等方面具有较好的指标、较高的实用性，为音响的设计提供了广阔的思路。关键词： 前置放大器、功率放大器、低通滤波器、低噪声、低频ABSTRACTThis paper mainly describes the design of a preamplifier with low noise performanceand the power amplifier with a frequency range from 0 to 100Hz. And the power of the whole circuit should be 300W above.This paper introduces the basic principles and circuit designs of the super low frequency power amplifier and low noise preamplifier, etc. The entire circuit is composed of 4 parts, namely, power supply, preamplifier, low-pass filter, power amplifier.The power supply provides a stable DC power for preamplifier, low-pass filter and power amplifier. The preamplifiers main task is to complete the small-signal voltage amplification, and it also requires low noise. The low-pass filters main task is to realize the frequency selection. The power amplifiers main task is to realize the voltage amplification and as efficiency as possible to provide a large power to the load. This design uses the integrated circuits NE5532, UA741 and D-200W realize the design requirements, and simulation with Multisim software. The design of the circuit structure which takes full advantage of the excellent performance of the integrated amplifier is simple and practical.The experimental results show that the power amplifier and preamplifier have good index, higher practicability and provide a broad idea for power amplifier design in bandwidth, distortion degree and noise.Keywords: preamplifier, power amplifier, low pass filter, low noise, low frequency 目录目录1 绪论11.1 音频功率放大器简介11.2 前置放大器及功率放大器的发展现状31.3 本课题的研究内容及总体设计方案42 基础知识介绍52.1 放大器常见名词52.2 前置放大器及功率放大器的相关知识62.3 前置放大器的噪声92.4 低通滤波器简介113 芯片及软件介绍143.1 UA741集成运放简介143.2 NE5532集成运放简介163.3 Protel 99 简介193.4 Multisim10.0简介234 放大器设计264.1 系统设计基本要求264.2 系统设计总体方案及框图264.3 低噪声前置放大器设计284.4 低通滤波器设计304.5 功率放大器设计344.6 总体电路原理图405 测试结果415.1 前置放大器测试结果415.2 低通滤波器测试结果445.3 噪声测试结果486 结论50参考文献52致谢54附录56附录一 英文文献及翻译56附录二 总体电路原理图73 绪论1 绪论功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活的联系越来越密切。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。前置放大器处于处理系统的最前端，用于放大信号、降低噪声干扰、提高信号灵敏度，使系统获得所需的处理数据。低频功率放大器作为音响等电子设备的后级即放大电路，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。此外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，因此设计出低价格、低噪声、高保真、简洁实用的前置放大器和低频功率放大器是一个发展方向。1.1 音频功率放大器简介在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。音响有无Hi-Fi效果，并非几项测试数据所能概括，听音评价如美食家品尝菜肴，各有各的口味，主观听音更是如此1。所以，为了使产品得到大多数人的认可，在产品设计上兼顾低成本和大多数人的使用习惯和要求1。音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。功率放大器2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，其缺点是输出变压器、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，目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多 , 典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514等。这些优质功放模块的工艺和指标都达到了很高水平，其突出特点是体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作易调试3等。1.2 前置放大器及功率放大器的发展现状由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。现今功率放大器不仅仅是消费产品(音响) 中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。然而低频功率放大器已经是一个技术相当成熟的领域，几十年来,人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识上都取得了长足的进步。目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多，典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514等。这些优质功放模块体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作易调试。最近，一种应用砷化钾MESFET制成的功率放大器MMIC，在移动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.53.48平方毫米的MMIC输出功率可达1.1W，工作频率达950MHz。前置放大器4是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音调控制。前置放大器在音频系统中的作用至关重要。如今人们对前置放大器的要求越来越高，不仅要高保真、高增益、宽频响，而且要快响应，最好还要低噪声。符合上述条件的集成电路有：LM5212、LM5213、TDA1514、NE5532等。低噪声放大器被广泛应用于视频放大器中，是数字电视和超宽频信号处理器必不可少的一部分5。1.3 本课题的研究内容及总体设计方案本课题主要研究低噪声前置放大器和超低频功率放大器。本文给出一种简单实用、制作成本低廉的低噪声前置放大器和超低频功率放大器的设计方案，并给出仿真测试结果。本设计可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成放大器，如果进行精心的设计，则在效率和失真方面更优于集成的，价格方面便宜一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时，元件性能就不能很好的表现出来,制作调试比较困难。从电路的简单性和易调性考虑，集成电路更好些。所以，本次设计前置放大器采用集成电路实现，功率放大器采用模块完成。本超低频功率放大器及低噪声前置放大器系统总体设计框图如图1.1所示，共由四部分组成：前置放大器、低通滤波器、功率放大器和稳压电源。前置放大器主要任务是完成小信号的电压放大，同时要求低噪声。低通滤波器主要实现频率的选择，达到通带为0100Hz的要求。功率放大器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，最少达到300W以上。稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源。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、UA741及D-200W模块的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到大功率、低噪声、高增益、高保真、高效率、宽频带、快响应的指标。总体设计框图如下：前置放大器低通滤波器功率放大器负载稳 压 电 源图1.1 系统总体设计框图57 基础知识介绍 基础知识介绍2 基础知识介绍2.1 放大器常见名词一、灵敏度对放大器来说，灵敏度一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音箱施加1W的输入功率，在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的声压值。二、阻尼系数阻尼系数是指放大器的额定负载(扬声器)阻抗与功率放大器实际阻抗的比值。三、反馈也称为回授，一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路放大倍数的技术。负反馈导致放大倍数减小的反馈称为负反馈。负反馈虽然使放大倍数蒙受损失，但能够有效地拓宽频响，减小失真，因此应用极为广泛。正反馈使放大倍数增大的反馈称为正反馈。正反馈的作用与负反馈刚好相反，因此使用时应当小心谨慎。四、动态范围信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差。对器材来说，动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力。五、响应频率响应简称频响，衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。瞬态响应器材对音乐中突发信号的跟随能力。瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就嘎然而止，决不拖泥带水。 六、信噪比(S/N)又称为讯噪比，信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。七、阻抗匹配一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说，例如信号源连放大器,前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗510倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。2.2 前置放大器及功率放大器的相关知识一、前置放大器前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备， 用于放大信号、降低噪声干扰、提高信号灵敏度, 使系统获得所需的数据信息。前置电路的噪声干扰, 对后级的影响极大4。1、低噪声前置放大电路的影响因素4( 1 )电导体内电流的电子能量不规则波动产生的具有宽带特性的热噪声； ( 2 )由于晶体表面不断产生或整合载流子而产生的闪烁噪声；( 3 )由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生肖特基噪声。2、低噪声放大电路的设计要求4为保证微弱的接受信号不被环境和电路内部固有噪声所淹没7-9，所以必须要求： ( 1 )足够的增益和频带宽度； ( 2 )良好的增益线性，较小的失真； ( 3 )较低的输入阻抗； ( 4 )降低电路元件内部噪声；( 5 )降低输入电阻的热噪声。二、功率放大器10 功率放大器的任务是实现对信号的电压和电流放大；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。低频、超低频放大器的工作频率范围是: 10 300 kHz。1、此频段放大器具有广泛的用途, 主要应用有： ( 1 ) 军事通信，用于国家军事指挥系统，将指挥命令调制到载波信号上，用功率放大器放大到所需要的等级，再传输到天线上发射出去；( 2 ) 导航，用于罗兰C 等远程精确定位导航；( 3 ) 低频时码授时发送， 用于国家标准时间的发布， 将标准原子钟产生的标准时间信息，如： 年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等经编码、调制到载波信号上，再用功率放大器放大到一定功率，传输送到天线上发射出去；( 4 )高频加热，用于各种工业加热，如钢管、铅管的高频焊接，将载波放大到较大功率，经匹配器送给焊枪进行各种焊接；( 5 )海洋探测，将一定功率的低频、超低频放大器定向发送至海水中，接收反射回波，像雷达一样，对海洋进行探测，如深海探矿等。对于了解、利用海洋资源具有深远的意义，从而被推广使用。( 6 ) 医疗设备，低频、超低频波段的放大器由于其波长特性，对人身有较好的作用，目前有许多低频、超低频医疗设备应用，如肌肉拉伤后的恢复治疗、肿瘤加热治疗等。低频、超低频放大器随着应用的发展，所需要的功率等级越来越大，从20 世纪50 60 年代的几十千瓦到现在的几百千瓦、几兆瓦，尤其是军事和高频加热领域，几兆瓦的需求比比皆是，放大器的功率从小到大，到超大功率在迅猛地发展。2、低频、超低频放大器的实现途径超大功率等级的低频、超低频放大器，由末级功率器件及放大电路决定的，可以有下述4 种途径实现：( 1 ) 用电子管为功率放大器件的模拟放大器；( 2 ) 用电子管为功率放大器件的开关放大器；( 3 ) 用充氢闸流管为功率放大器件的开关放大器；( 4 ) 用固态晶体管为功率放大器件的开关放大器。3、 4 种大功率放大器( 1 )用电子管为功率放大器的模拟放大器用电子管作为末级放大器件，采用模拟放大技术被广为应用多年，是经典、成熟的技术，被世界各国使用至今。( 2 ) 用电子管作为功率放大器件的开关放大器近几年，俄罗斯成功研制了电子管开关放大器，并已投入使用，美国也有相关产品的介绍，而我国还是空白。( 3 ) 用充氢闸流管为功率器件的开关放大器在俄罗斯，俄罗斯专家采用原本应用于雷达设备领域的大功率充氢闸流管作为功率器件的放大器，用作无线电发送设备。我国也引进了这种技术，研制出兆瓦级设备， 现已投入使用。已投入使用的兆瓦级设备采用了俄罗斯2- 1000/ 30型充氢闸流管。其特点是：脉冲电流大，板级电压高，重复频率低，平均电流小。无法直接像三极管、四极管模拟或开关放大器应用。采用多单元轮流工作的方法可以有效提升工作频率；采用正负双极性电源，可降低板级电压； 采用每臂2 只管子并联使用，可保障阳极平均电流控制在合理范围；采用内接交叉限幅二极管，保障充氢闸流管板级及充放电电容电压安全工作，又可使放大器更好地适应负载变化。( 4 ) 用固态晶体管为功率器件的开关放大器随着半导体器件的发展，尤其是电力电子器件的发展，固态器件的耐压、电流以至工作频率均有增加，为固态大功率放大器提供了极好的条件，故近年来，固态放大器有了长足的发展，兆瓦级的放大器和加热设备都有产品出现。2.3 前置放大器的噪声在设计低噪声前置放大器之前，我们必须仔细审视源自放大器的噪声，一般来说，运算放大器的噪声主要来自四个方面：1. 热噪声 (Johnson)：由于电导体内电流的电子能量不规则波动产生的具有宽带特性的热噪声，其电压均方根值的正方与带宽、电导体电阻及绝对温度有直接的关系。对于电阻及晶体管(例如双极及场效应晶体管)来说，由于其电阻值并非为零，因此这类噪声影响不能忽视。2. 闪烁噪声(低频)：由于晶体表面不断产生或整合载流子而产生的噪声。在低频范围内，这类闪烁以低频噪声的形态出现，一旦进入高频范围，这些噪声便会变成“白噪声”。闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大。3. 射击噪声(肖特基)：肖特基噪声由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生，其电流的均方根值正方与芯片的平均偏压电流及带宽有直接的关系。这种噪声具有宽带的特性。4. 爆玉米噪声(popcorn frequency)：半导体的表面若受到污染便会产生这种噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。生产半导体时若采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。此外，由于不同运算放大器的输入级采用不同的结构，因此晶体管结构上的差异令不同放大器的噪声量也大不相同。下面是两个具体例子。双极输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由电阻的热噪声以及输入基极电流的高频区射击噪声所造成，低频噪声电平大小取决于流入电阻的输入晶体管基极电流产生的低频噪声；噪声电流主要由输入基极电流的射击噪声及电阻的低频噪声所产生。表2.1供电电压Spec5V，TJ=25C1KHz1KHz最低（V）最高（V）增益带宽积（GBWF）补偿电压（Vos）（最高）nV/p/LMV7512.75.05MHz1mV1nV0.01LMV721/22.25.010 MHz3 mV3 nV0.2LMV7712.75.53.5 MHz0.85 mV0.85 mV0.001CMOS 输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪声及低频区的低频噪声所造成，CMOS 放大器的转角频率(corner frequency)比双极放大器高，而宽带噪声也远比双极放大器高；噪声电流主要由输入门极漏电的射击噪声所产生，CMOS 放大器的噪声电流远比双极放大器低，但温度每升高10C，其噪声电流便会增加约40%。2.4 低通滤波器简介2.4.1 低通滤波器的介绍滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。而低通滤波器又可以分为无源低通滤波器和有源低通滤波器。无源低通滤波器仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，而有源滤波器则由无源元件和有源元件（双极型管、单极性管、集成运放）共同组成。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求。为了寻找最佳的近似理想特性，本文主要着眼于幅频响应，而不考虑相频响应。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高6，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由(n-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。一、滤波器的性能参数通带截止频率fp、通带增益Avp。1、通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。2、通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同，通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。二、简单一阶低通有源滤波器一阶低通滤波器的电路，特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。当f = 0Hz时，电容可视为开路，一阶低通滤波器的传递函数与一阶RC低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益Avp这一项。三、简单二阶低通有源滤波器为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。2.4.2 有源滤波器的设计有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。（2）选择具体的电路形式。（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。（4）解方程组求出电路中元件的具体数值。（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。 芯片及软件介绍3 芯片及软件介绍3.1 UA741集成运放简介图3.1 UA741管脚图UA741管脚图为图3.1。UA741芯片是高增益运算放大器，常用于军事，工业和商业应用。741型运算放大器具有广泛的模拟应用。宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，它还具有如下特点：（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。第2管脚是负输入端；第3管脚是同相端输入端；第4和第7管脚分别为负直流源和正直流源输入端；第6管脚为输出端；第8管脚是悬空端；第1管脚和第5管脚是为提高运算精度。741型运算放大器的典型性能参数如表3.1所示。表3.1 T=25oC，U+= +15V，U+= -15V参数名称测试条件最小典型最大单位输入失调电压Rs10k1.05.0mV输入失调电流20200nA输入偏置电流80500nA输入电阻0.32.0M输入电容1.4pF大信号电压增益RL2 k，UO10V50k200k输出电阻75输出短路电流25mA电源电流1.72.8mA功耗5085mW转换速率RL2k0.5V/ms共模抑制比Rs10k，UCM=12V7090dB增益带宽乘积1MHz在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器，用直流电压表测量输出电压Uo，细心调节调零电位器，使Uo为零（即失调电压为零）。如果一个运放如不能调零，大致有如下原因：（1）组件正常，接线有错误。（2）组件正常，但负反馈不够强，为此可将其短路，观察是否能调零。（3）组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。（4）组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。（5）组件内部损坏，应更换好的集成块。3.2 NE5532集成运放简介图3.2 NE5532集成运放管脚图 NE5532是高性能低噪声双运放，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”。（1）小信号带宽：10MHz； （2）输出驱动能力：600，10V； （3）输入噪声电压：5nV/HZ（典型值） ； （4）DC 电压增益：50000； （5）AC 电压增益：10KHz 时 2200； （6）电源带宽：140KHz； （7）转换速率：9V/S； （8）大电源电压范围：320V。NE5532极限参数：电源电压：Vs 22V 输入电压：VIN V电源 V 差分输入电压：VDIFF 5V 工作温度范围：TA 070 存贮温度：TSTG -65150 结温：Tj 150 功耗（5532FE） ：PD 1000mW 引线温度（焊接，10S） 300直流电气参数：如表 3.2 所示。 交流电气参数：如表 3.3 所示。表 3.2 直流电气参数（若无特别说明，Vs=15V TA=25）参数名称测试条件SE5532/5532ANE5532/5532A单位最小值典型值最大值最小值典型值最大值失调电压VOS(VOS/T)过温0.520.54mV35mV55V/失调电流IB(IOS/T)过温10010150nA200200nA200200PA/输入电流IB(IB/T)过温200400200800nA7001000nA55mA/电源电流ICC过温816mA13mA共模输入范围VCM12131213V共模抑制比CMRR8010070100dB电源抑制比PSRR1010100V/V大信号电压增益AVOLRL2K,Vo=10V5025100V/mV过温2515V/mVRL600,Vo=10V401550V/mV过温2010V/mV输出摆动电压VOUTRL6001213V过温1012VRL600,Vs=18V1516V过温1214VRL2K,过温12131013V输入阻抗RIN3030030300K输出电流ISC103860103860mA表 3.3 交流电气参数（若无特别说明，Vs=15V TA=25）参数名称测试条件NE/SE5532/5532A单位最小值典型值最大值输出阻抗ROUTAV=30dB，闭环f=10KHz，RL=6000.3过调电压跟随器VIN=100mVP-PCL=100pF，RL=60010增益f=10KHz2.2V/mV增益带宽CL=100pF，RL=60010MHz转换速率9V/S电源带宽VOUT=10V140KHzVOUT=10V，RL=600100KHzVCC=18V3.3 Protel 99 简介PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。一、Protel 99内容简介Protel 99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel 99 是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。 Protel 99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 98大体相同，新增加了一些功能模块。Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么” 帮助。按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。 二、软件特色Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能： 1、可生成30多种格式的电气连接网络表； 2、强大的全局编辑功能； 3、在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中； 4、同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络 ；5、既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性； 6、满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）； 7、支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层； 8、强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查； 9、智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺； 10、提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； 11、放置汉字功能； 12、可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换； 13、智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）； 14、方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果； 15、独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果； 16、强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等； 17、经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动； 18、反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合； 19、专家导航帮您解决信号完整性问题。 三、快捷键一览enter选取或启动 esc放弃或取消 f1启动在线帮助窗口 tab启动浮动图件的属性窗口 pgup放大窗口显示比例 pgdn缩小窗口显示比例 end刷新屏幕 del删除点取的元件（1个） ctrl+del删除选取的元件（2个或2个以上） x+a取消所有被选取图件的选取状态 x将浮动图件左右翻转 y将浮动图件上下翻转 space将浮动图件旋转90度 crtl+ins将选取图件复制到编辑区里 shift+ins将剪贴板里的图件贴到编辑区里 shift+del将选取图件剪切放入剪贴板里 alt+backspace恢复前一次的操作 ctrl+backspace取消前一次的恢复 crtl+g跳转到指定的位置 crtl+f寻找指定的文字 alt+f4关闭protel spacebar绘制导线，直线或总线时，改变走线模式 v+d缩放视图，以显示整张电路图 v+f缩放视图，以显示所有电路部件 home以光标位置为中心，刷新屏幕 esc终止当前正在进行的操作，返回待命状态 backspace放置导线或多边形时，删除最末一个顶点 delete放置导线或多边形时，删除最末一个顶点 ctrl+tab在打开的各个设计文件文档之间切换 alt+tab在打开的各个应用程序之间切换 3.4 Multisim10.0简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。一、multisim 10概述1、通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 2、通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为 3、借助高级电路分析, 理解基本设计特征 4、通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 5、通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间 二、直观的捕捉和功能强大的仿真：NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。三、设置Multisim的通用环境变量 为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences对话窗口。 通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。 以标签Workspace为例，当选中该标签时，Preferences对话框有如下所述特点： 1、在这个对话窗口中有3个分项： ( 1 ) Show：可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。 ( 2 )Sheet size：设置电路图页面大小。 ( 3 )Zoom level：设置缩放比例。 其余的标签选项在此不再详述。 2、取用元器件 取用元器件的方法有两种：从工具栏取用或从菜单取用。下面将以74LS00为例说明两种方法。 ( 1 )从工具栏取用：Design工具栏®Multisim Master工具栏®；TTL工具栏®；74LS按钮 从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的Component Browser窗口，如下图所示。其中包含的字段有Database name（元器件数据库），Component Family（元器件类型列表），Component Name List（元器件名细表），Manufacture Names（生产厂家），Model Level-ID（模型层次）等内容。 从菜单取用：通过Place/ Place Component命令打开Component Browser窗口。该窗口与上图一样。 ( 2 ) 选中相应的元器件 在Component Family Name中选择74LS系列，在Component Name List中选择74LS00。单击OK按钮就可以选中74LS00，出现如下备选窗口。7400是四/二输入与非门，在窗口种的Section A/B/C/D分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中，如左图所示。器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的Component Browser中的Symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了，在此不再详述。 四、将元器件连接成电路 在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。 放大器设计4 放大器设计4.1 系统设计基本要求设计要求：1、输出功率：300W以上。2、负载阻抗：4。3、通频带fs: 0Hz100Hz。4、灵敏度：话筒输入：5mV5、低噪声。4.2 系统设计总体方案及框图本文以音响设计为例，通过对音响中前置放大器和功率放大器的设计来实现本课题的设计要求。由于要求低噪声，所以设计前置放大器时不仅要从电路设计来减少噪声，而且还要从电阻、电容、集成运算放大器等器件的选取来减小噪声的影响。又由于通频带为0Hz100Hz，所以可以采用低通滤波器来实现。要求尽可能的放大功率，所以放大部分采用“超级功放王”D-200W模块。系统分为左右两声道，且相互对称。稳压电源直接采用相应的直流电源。通过对设计要求和设计方案的分析，系统框图如下所示。前置放大器负载功率放大器低通滤波器稳 压 电 源 图4.1 系统框图 在开始进行实践时，首先先确定系统电路的级数分配，在根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路的参数。确定各级的增益分配：因为本设计的输出功率为400W，则只考虑一个声道可得负载上的电压为 ： 又话筒输入为5mV，则整个电路的增益为20lg（28.2/0.005）=75dB。令低通滤波器的放大倍数为1，则各级的增益如下：1、 功率放大器：40 dB（模块规定）。2、 低通滤波器：0dB。3、 前置放大器：35dB。则可知各级的增益分配如下所示：前置放大器低通滤波器功率放大器5mv280mv280mv28V35dB0dB40dBAV3100倍AV21 倍AV156 倍AV=5600（75dB）图4.2 系统增益分配图4.3 低噪声前置放大器设计 由于信号源输入的信号幅度较小，不足以推动以后的功放电路，因此要用电压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大。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，低噪声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：LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、M5212、LM5213、LM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、噪声和转换速率等。一、电路形式的选择本系统设计选用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。为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能，减小输出噪声，提高带负载能力，采用集成运算放大器构成前置放大器电路时，必须采用同相比例放大电路结构，电路如图4.3所示。对于信号源，其负载约为47K，所以选用电压串联负反馈方式的同相比例放大器，它可以使输入电阻增大，输出电阻减小，且输入输出电压同相。又因为前置放大级的增益为35dB，即56倍，前置放大级电路采用二级，第一级与第二级采用电容耦合方式，总的电压放大倍数为Auf=56，设计中选用Auf1=1，Auf2=56。图4.3 前置放大器电路图其中第一级实际上是一个电压跟随器，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。它提高了带负载的能力。当输入信号时，此时第二个NE5532为放大器，信号将放大56倍后到低通滤波器的输入端。 二、集成运放的选择 因为Auf2=56，根据通频带0Hz100Hz，其上线频率为100Hz，则集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系： GBAuf2*fh = 56*100Hz = 5.6KHz从运放的资料手册中可查出NE5532的单位放大倍数带宽GB=10MHz，满足要求。三、各元件的参数选择和计算电路中电容C11是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容或普通电解电容，一般选为10F，R11可选用较大的电阻，取1M，电阻R12取10K，第二个NE5532构成的是放大倍数为56的电压放大电路，同相交流放大电路的平衡电阻可尽量选得大一些，一般为10K以上，这样有利于提高放大电路的输入电阻，由于输入电阻为47K，故选RP2的阻值为47K，R21取1K，耦合电容C12为10F。由Auf2 = 1+R23/R22 及R21=R23/R22，Auf2=56，可得R21=R22=1K，R23=56K。C21、C22、C23、C24主要用于电源旁路滤波，一般C21，C23用电解电容，其值为220F，C22，C24用普通的电容，一般取值为22F。NE5532的电源为15V的直流稳压电源。又由于要求低噪声，所以选用高性能低噪声金属薄膜