高频电子电路课程设计-低频功率放大器设计.doc

西北民族大学-高频课程设计-低频功率放大器高频电子电路课程设计 低频功率放大器 班级： 姓名： 学号： 成绩： 目录综 述21.功率放大电路的特点21.1主要技术指标21.1.1最大输出功率POM21.1.2转换效率31.2对功率放大电路的基本要求31.2.1能提供满足的输出功率31.2.2具有较高的效率31.2.3非线性失真要小41.2.4良好的散热和保护42典型的功率放大电路42.1系统组成42.2由基本分立式元件构成的简单功率放大电路图53具体设计53.1系统组成53.2系统的硬件设计63.2.1前置放大级设计73.2.2功率放大电路设计74系统测试分析105实验截图6结论13课程设计体会14参考文献15综 述功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级，将前级送来的信号进行功率放大进而推动负载工作1。功率放大器可由分立元件构成，也可由功率集成电路构成。目前集成低频功率放大器品种很多，典型的有TDA1521、TDA1514、LM1875。 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。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。低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，乃至思想认识上都取得了长足的进步.尽管目前市场上的功放产品价格已经很低，但少则几百元、 多则几千元的价格还是让人有些不舍，本文给出一种简单实用、 制作成本低廉的低频功率放大器的设计方案，并给出实际测试结果，为音响发烧友提供一种实用方案。功率放大可由分立元件组成，也可由集成电路完成.由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，制作调试得好，则性能要高于较好的集成功放.本次设计功放采用分立元件组成。1.功率放大电路的特点1.1主要技术指标功率放大电路的主要技术指标为最大输出功率和转换效率1.1.1最大输出功率POM功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输入为正弦波切输出基本不是真条件下，输出功率是交流功率，表达式为 （1-1）式中I0和U0均为交流有效值。最大输出功率POM实在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率1.1.2转换效率功率放大电路的最大输出功率与电源所提供的功率之比成为转换效率。电源提供个功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均值及其电压之积。通常功放输出功率大，电源消耗的直流功率也就多。因此，在一定的输出功率下，减小直流电源的功耗，就可以提高电路的效率。1.2对功率放大电路的基本要求1.2.1能提供满足的输出功率为了获得尽可能大的输出功率，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此，管子往往在接近极限参数状态下工作。1.2.2具有较高的效率放大器实质上是一个能量转换装置。由于输出功率大，因此，直流电源供给的功率和线路本身所消耗的功率也大，效率就成为一个重要的指标。所谓效率，就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。效率越高，线路消耗的功率和直流电源功率之比就越小。1.2.3非线性失真要小功率放大器在大信号下工作，难免产生非线性失真。而且输出功率越大，失真往往越严重，这就使得输出功率与非线性失真成为一对矛盾。在测量系统和电声设备中，非线性失真要尽量小一些。1.2.4良好的散热和保护由于流过功放管的电流较大，有相当大的功率消耗在管子上。因此，功放管在工作时一般要加散热片。另外，功放管往往在极限状态下工作，因而损坏的可能性也大，在电路中要采取一些保护措施。2典型的功率放大电路2.1系统组成2.2由基本分立式元件构成的简单功率放大电路图3具体设计3.1系统组成系统主要由前置放大级、 功率放大级2部分组成.系统框图如图所示其中前置放大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3.2系统的硬件设计由于系统要求输出额定功率不小于 10 W 考虑留出 50 %的裕量 ,故设计输出功率应在 15W以上，同时，输出负载 10，则系统的最大增益为：系统的最小增益为：整个放大电路的增益应在 27. 7 dB71 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 2040 dB(放大倍数 10100倍)之间。故整个放大器增益通过三级放大实现。为方便增益调整，可使功放级(包括功率管和直接推动功率管的运放) 增益固定，且必须小于A min，故其增益取 22 dB。则前置级需要两级，其总增益应在 5.749 dB 之间可调。3.2.1前置放大级设计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:第二级前置级增益为: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2，具体指标参数为：转换速率 9 V/s，增益带宽积 10MHz，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。3.2.2功率放大电路设计在实用电路中，往往要求放大电路的末级输出一定的功率以驱动负载。从能量控制和转换的角度来看功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别 ，只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率.功率放大电路的主要任务是，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。因此，功率放大电路的电路形式、工作状态、分析方法等都与小信号放大电路有所不同.对功率放大电路的基本要求是: (1) 输出功率要大。输出功率 PO = UO ×IO，要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。因此，晶体管工作在大信号极限运行状态，应用时要考虑管子的极限参数，注意管子的安全.(2) 效率要高。放大信号的过程就是晶体管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。功放级电路(如图) 主要由 NE5534 和功率末级的两对复合对管(组成达林顿管) 构成，本次设计选用专为音响设备设计的对管，这种对管的特性比较一致，可以减小失真。NE5534 主要完成电压放大任务，接成大环电压负反馈形式，放大倍数为 R3/ R1。为弥补由运放产生的零漂和因布线等造成的失真，NE5534 的 1 脚与 8脚接调零电阻，5 脚与 8 脚之间接补偿电容4。达林顿管主要完成电流放大任务。对管的选择主要考虑其参数的对称性。一般推动管的电流增益1 在 100 左右，输出管的电流增益2 在 40 左右.这 2 个管子的 2 个关键参数为特征频率 f T和集电级最大允许耗散功率 PCM。特征频率 f T 与放大电路上限频率 f h 有下列关系: f T = f h × h ;系统阶跃响应上升时间 t r 与放大电路上限频率 f h 有如下关系: t r· f h0. 35 ;推动管的特征频率为: f T 0. 35/ ( 12 ×10 - 5) ×1003 MHz ;输出管特征频率为: f T 0. 35/ (12 ×10 - 5)×401 MHz ;对甲乙类 OCL 放大器，PTM > 0. 2 POMPTM为单管最大管耗。POM为最大失真输出功率.因此输出管 PCM 0. 2 ×15 = 3 W，根据以上计算，并考虑到指标提高及工程实际，推动管选用对管 2SB649、2SD6693 ,其参数为 f T = 140MHz ，PCM = 15 W，UCEO = 180 V。输出管选用对管 2SA1072 和 2SC2522 , 其参数为 f T = 60MHz , PCM = 120 W , UCEO = 120 V。 4系统测试分析整个系统在调试时,分部分调试.首先是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.(1) 额定功率 POR :输入 1 kHz 正弦波 ,用示波器测到此时输出波形电压有效值为 U =12. 7 V ,则 POR = U2/ RL = 12. 72/ 10 = 16. 1 W。(2) 带宽 BW :输入信号幅值不变 ,改变频率 ,用示波器测输出幅值 ,下限频率 f l 和上限频率 f h 对应的幅值为 0. 707 ×中频幅值。测得带宽为 10 Hz90 kHz。(3) 在 POR下的效率:断开正电源 ,串入万用表 ,在 POR下 ,测得电压为 20. 28 V ,电流为652 mA ,则电源输入功率为: PIN = 20. 28 ×0. 652 ×2 = 26. 45 W. 效率为:= POR/ PIN =16. 1/ 26. 45 = 60. 9 %。(4) 交流声功率:输入端短路时 ,用晶体管毫伏计测输出端交流电压有效值为 1. 38 mV ,则 P = (1. 38 ×10 - 3)2/ 10 = 1. 904 ×10 - 6W =1. 904W。(5) 在 POR和 BW 内失真度:采用失真度测试仪 ,在输入信号为 1 kHz 时 ,测得波形的失真度为:0. 5 %。5 实验截图2DPSK低频信号处理结果放大电路仿真结果图6结论以上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 1090 ×103Hz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。课程设计体会 通过这次对低频功率放大器的设计与制作，让我们了解了设计电路的程序，也让我们了解了关于OCL音频功率放大器的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为在实际接线中有着各种各样的条件制约。但也有些电路在仿真中无法成功，而在实际中因为芯片本身的特性而成功的。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。在为期一周的课程设计中我们深深的感觉到自己专业知识的匮乏，对一些工作感到无从下手，茫然不知所措，这时才真正领悟到学无止境的含义，千里之行，始于足下。这次学习，让我们对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。这次课程设计终于顺利完成了，虽然在设计中遇到了很多问题，但是都被我们们一一克服。最后，我们要感谢我们的老师以及同学，在做课程设计期间对我们的帮助，尤其是这次的指导老师，他将自己宝贵的经验毫无保留的传授给我们，让我们体会到什么叫用心良苦。学 生：* 学 号：P* 日 期：2011.12.19参考文献1徐安静主编.电工学II 模拟电子技术 清华大学出版社,2008.2NE5532 Datasheet J / OL . www. national . com.2002.3NE5532 Datasheet J / OL . www. national . com.2002.4部分音响用晶体管的参数 EB/ OL . www. ngtop.com. 2003. 3.5华成英 童诗白主编.模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社，2008.15