本科毕业论文---低频功率放大器设计.doc

毕 业 设 计 (论 文)

题目：低频功率放大器

教学单位 电气信息工程学院
姓 名 向皓阳
学 号 ___200631002051______
年 级 2006级
专 业 电子信息工程
指导教师 杨 丽
职 称

2010年 5 月 2 日

摘要：实用低频功率放大器主要应用是对音频信号进行功率放大，本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路共五部分构成。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。前置放大器主要是电压的放大。功率放大器实现电流、电压的放大。波形变换电路是将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号。设计的电路结构简洁、实用，充分利用到了集成功放的优良性能。实验结果表明该功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标、较高的实用性,为功率放大器的设计提供了广阔的思路
关键词：正弦波—方波转换电路 弱信号前置放大级电路 功率放大电路 自制稳压电源电路

目 录
一、 前言 5
二、 总体方案设计 7
2.1总体方案论证 7
2.2单元模块方案论证与比较： 7
2.2.1波形变换电路： 7
2.2.2弱信号前置放大级： 8
2.2.3功率放大级： 8
2.2.4自制稳压电源： 9
2.3方案选择 9
三、 单元模块设计： 9
3.1各单元模块功能介绍及电路设计： 9
3.1.1波形变换电路： 9
3.1.2弱信号前置放大级电路： 11
3.1.3功率放大级电路： 13
3.1.4 自制稳压电源电路： 15
3.2特殊器件的介绍 15
四、 系统调试： 17
4.1.稳压电源的调试： 17
4.2.前置放大电路和波形转换电路的调试： 17
4.3.功放级的调试： 18
4.4系统的总调试： 18
五、 系统功能、指标参数： 19
5.1要求指标与实测指标对比，见表1： 19
5.2测试结果分析： 19
设计总结 20
参考文献 21
致谢 22
附录： 23

第一章

前言
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。
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。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2.5×3.48平方毫米的MMIC输出功率可达1.1W，工作频率达950MHZ。本文给出一种简单实用、制作成本低廉的实用低频功率放大器的设计方案,并给出实际测试结果。功率放大可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成功率放大器，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，集成电路更好些。本次设计功放采用集成电路完成。
本实用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。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。

第二章 总体方案设计
2.1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 自制稳压电源电路
⑤ 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波形变换电路：

方案一： 利用运放在开环状态下的饱和特性, 正弦波信号经过两级运放放大后, 产生了正弦波饱和失真的方波信号, 由于输出方波幅值远大于题目要求, 于是采用开关三极管脚与脚短接当成两个二极管削波（用两个锗开关管也可以）, 便将电压钳制在700mv左右, 然后通过电阻分压, 最终得到题目要求的正负极性对称的200mVp-p的方波信号。

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。

方案三：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。

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。

2.2.2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。

2.2.3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。

2.2.4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。

2.3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。

第三章 单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计：
3.1.1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，限制稳压二极管电流、，保证输出方波幅度稳定。
（1）确定输出电压
，比较器输出高低电平为
、
（2）和的表达式（当=时，输出电压状态发生跳变）
，
（3）门限电位

当时，，；
当时，，。
迟滞宽度。
令（假设迟滞比较器的迟滞宽度）
则，取
近似等于，即
图4中集成运算放大器可采用转换速率SR > 10V/uS，增益带宽积GBW > 10MHZ的运放芯片，如LF357、OP-16、OP-37、NE5534等。电路接成迟滞电压比较器结构，为保证输出方波幅度稳定输出使用2只稳压二极管D1、D2，稳压值为Vz=±3V。R4为稳压二极管的限流电阻，把流过D1、D2的电流限定在6mA左右。C1、C2为脉冲加速电容，它可以进一步减少方波脉冲时间上升和下降时间。
假设迟滞比较器的迟滞宽度ΔV=EmH-EmL=0.7V，则R3可用下式来确定
R3=（2Vz/ΔV - 1）R2=（2*3/0.7-1）*10=75.71 KΩ 取R3=75 KΩ如电路采用LF357集成运放，则输出方波的上升时间和下降时间可做到小于0.5uS。调节RW，输出幅度可调节到200mV，满足题目指标要求。

3.1.2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3所示。

如图3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3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×=15×10=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4两级NE5532构成的前置放大电路
3.1.3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如图2.6所示。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16~60V，采用TO-220封装。
在图5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

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5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。

3.1.4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，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。

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。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
Vcc
±22
V
差分输入电压
Vdif
±13
V
输入电压
Vi
提供电压
V
功耗，TA=25℃
PD
1100
mW
工作温度
TOPR
0~70
℃

LM1875的参数：
电压范围：单电压15~60V ,或±30V
静态电流：50mA
输出功率：30W
谐波失真：＜0.015%，当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时
额定增益：26dB，当f=1kHz时
工作电压：±25V
转换速率：18V/μS (9V/μS)

LF357的通用参数:
与MOSFET输入设备相比，耐用的JFET允许无熔断处理；
高或低的源阻抗低1/ƒ转折，优良的低噪声应用；
在大多数单片放大器上，偏置调整不可降解漂移或共模抑制；
新输出电路级允许大电容负载(5000pF)的使用，无稳定性的问题；
内部补偿和大的差分输入电压能力；对数放大器；光电放大器；
采祥保持电路共同特点；低输入偏置电流：30pA；
低输入失调电流3pA； 高输入阻抗：1012Ω；
低输入噪声电流：0.01pA/√HZ； 高共模抑制比：100dB；
大的DC电压增益：106dB

第四章 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 Ω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.前置放大电路和波形转换电路的调试：

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。
在调试过程中，我们发现了几个问题，现陈述如下：

第五章 系统功能、指标参数：

5.1 要求指标与实测指标对比，见表1：
项目
测试对象
题目要求指标
实测指标
正弦波输入
额定输出功率（POR／W）
　10

带宽（BW／Hz）
　50～10000

非线性失真系数γ
　3％

POR下的效率η
55％

输出交流声功率（P／mW）
　10

转换后的方波信号波形
上升时间（tr／μs）
　1

下降时间（tf／μs)
　1

峰—峰值电压（Vp-p／mV）
　200

方波输入激励放大通道后输出波形
输出功率（POR／W）
　10

上升时间（tr／μs）
　12

下降时间（tf／μs）
　12

顶部斜降
　2％

过冲量
　5％

表1

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 。

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

致谢
经过几个月的准备，这篇论文终于完成了，在此谨向在这段时间里精心指导我们的杨丽老师致谢。
感谢杨丽老师在上课之余悉心的为我们指导，从论文的选题、计划的制订，到论文的撰写，都始终倾注着她的心血。她为人师表，治学严谨，在生活中平易近人，在教学和科研工作中兢兢业业，力求做到精益求精。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。
同时我还要感谢我们组的另一个成员谢红以及在此期间帮助过我的同学。感谢西南民族大学对我的栽培以及在这四年中传授我知识的老师们。
最后，向评阅本论文及参加论文答辩的专家和老师及同学们致以最为崇高的谢意。

附录：
系统整体电路图6：

图6系统电路图

前置放大电路图7

图7
功率放大电路图8

图8
波形变换电路图9

图9