低频功率放大器报告

1低频功率放大器摘要近几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据比较重要的地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管，晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器到OTL、OCL、BTL形式过程。其最基本类型是模拟音频功率放大器，本文介绍了一款采用集电极输出，并具有补偿和调零功能的实用低频功率放大器的设计过程。该设计包括前置放大、功率放大、电源、功率显示四个部分。前级放大采用集成运放电路，给输入信号一定的电压放大；功率部分采用了差分放大电路推动后级场效应管，使其输出功率达到预期要求；电源是用双输出变压器、稳压管等元器件组成；功率显示这个部分，采用数码管显示。2引言将输入信号放大并向负载提供足够大功率的放大器叫功率放大器。由于功率放大器运行中的信号幅度(电压、电流)大，其突出的问题是要解决非线性失真和各种瞬态失真。所以，功率放大器的主要任务是在不失真前提下放大信号的功率。一般在电路结构上采用不同形式，来减小信号的失真，提高输出功率，满足人们对音响设备的不同需求。一、方案设计1.1总体方案设计低频功率放大器，其原理如图1.1所示。前置放大电路主要完成对小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带要宽，噪音要小;功率放大电路决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高尽可能，失真尽可能小、输出功率大。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路作出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。因W5P0，所以此时的输出电压V3.6RPULoo，要使输入5mV的信号放大到输出的8V，所需的总放大倍数为1260mV53V.6uuAiou图1.1低频功率放大器原理框图1.2前置放大器的设计由于输入的音频信号非常微弱，故一般在功率放大电路前面加一个前置放大器。方案一：3如图1.2所示，利用节型场效应管2SK30作为前置放大。2SK30属于耗尽型场效应管，偏置电路变得简单，但该电路对电源的要求较高，故不采用此方案。图1.2前置放大电路方案二：考虑到所设计的电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求前置放大电路选用集成运算放大器LF353.它是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声集成器件，前置放大电路由LF353组成的两级放大电路完成，如图1.3所示。第1级放大电路的10Au1即10/R123R，取K100RK10R32，。取10Au2，同样K100RK10R65，。电阻41RR，为放大电路偏置电阻，取K100RR41，耦合电容1C与2C取10uF，4C与11C取100uF，以保证功率放大器的低频响应。432184U3:ALF35332184U6:ALF353C2210uFC2310uFR1210kR27100kC25100pR2810kC27100uFR29100kC28100uFR3022k+12V-12VR31100kR32100kINPUT图1.3前置放大电路其他元器件的参数选择为：KRpF22,100C73。电路电源为12v。综合以上两个方案的比较，选用方案二。1.3音调控制电路的设计方案一：如图1.4所示电路是将中段音调调制网络附加在有源低音和高音控制电路上，从而可获得更大的控制灵敏度。中段音调控制的中心频率有C4和C5确定，C5值应为C4值的5倍。图1.4音调调节电路5方案二：音调控制电路的功能是，根据需要按一定的规律控制、调节功率放大器的频率响应，更好的满足人耳的听觉特性。一般音调控制器只对低音和高音信号的增益进行提升或衰减，而中音信号的增益不变，电路结构如图1.5所示。56784U3:BLF353C50.01uRV2470kR1118kR951kRV1470kC60.01uC70.01uR1051kR851k-12V+12VINPUTOUTPUT图1.5音调控制电路综合以上两种方案，方案一电路较为复杂，导致整机电路很庞大；方案二电路简单，控制效果也很好，故选择方案二。1.4功率输出级电路的设计方案一：如图1.6所示，采用NE5534作为电压放大，利用7815和7915三端稳压源供电，D1、D2和D3、D4分别为Q1和Q2的G、S极提供稳定的偏置电压。Q1和Q2分别用IRF540和IRF9540对管作功率放大推动扬声器。但由于此电路在小信号输入时，输出信号有较大的失真，故放弃此方案。632746185U1NE5534R110kR21kR39.1kC1100pVI1VO3GND2U27815C20.1uC310uFC40.1uR42.2kD11N4148D21N4148D31N4148D41N4148R52.2kVI2VO3GND1U37915C510uFC60.1uC70.1uC80.1uR6100R7100Q1IRF540NQ2IRF9540NLR80.33R90.33R1010C90.1u+20V-20VLS1SPEAKERINPUT图1.6功率输出电路方案二：如图1.7所示，Q1、Q2选用2N5401,2N5551作差分和主电压放大,其频率特性好,线性好,耐压高，能够较好地抑制温漂。调节W1使中点输出为零,开机即响.Q4,Q5选用对管IRF540、IRF9540,其线性好,效果佳.由IRF540作电压放大，放大后的音频电压直耦至上臂管IRF9540进行扩流并作源极输出，下臂管IRF9540构成恒流源，直流为通路，交流为开路，使信号输出推动扬声器。7R1347kC9100uFC8100pQ12N5401RV311kR1447kQ22N5401R154.7kR162.2kQ32N5551C1030pR19100R22220R21100kR181kR175.6kR20220R230R22R240R22C12100pR258R+20V-20VQ4IRF540NRV3100kC24100uFQ5IRF9540NL图1.7功率输出电路综合以上两个方案的比较，决定选用方案二。1.5显示电路的设计(1)电压采样部分通过真异有效值转换器AD736将输出端的交流信号最大值，转换为有效值，送给模数转换器ADC0832将模拟信号转换为数字信号，送给单片机处理。P1.0P1.1P1.2CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI5DO6U1ADC0832VS+7VS-4VIN2CF3CC1OUT6CAV5COM8U2AD736D11N4148D21N4148R10047kC1333uFC1410uFC150.01uC1610uFC170.01u+12V-12VC21100uF图1.8电压采样部分8（2）控制显示电路从模数换器ADC0832读取数字信号，经单片机处理，得到相应的16进制代码，通过74LS245驱动数码管显示。图1.9控制显示电路1.6电源电路的设计方案一：采用开关电源。当电源的输出电流过大时，开关电源能够自动切断电流；当输出电流过小时，开关电源能使其增大，起到保护电路的作用。但考虑到开关电源的价格高，而且其输出的纹波比较大，故不采用。方案二：采用调整稳压电源。此电源采用大功率三极管作调整管，散热量大，体积大，不宜采用。方案三：如图2.0所示，采用三端集成稳压源自制电源。此电源的体积小、散热量小，输出电压很稳定，能够满足设计的要求，易于制作。故采用此方案。9T1~220V-~15VVin1GND2Vout3U17812Vin1GND2Vout3U27805D1IN4007D2IN4007D3IN4007D4IN4007S~220VC2104C7104C9104C4104C6104C11000uF/50VC61000uF/50VGND1Vin2Vout3U37912C3220uFC8220uFC5220uF12J1+20V12J2+12V12J3+5V12J5-12V12J6-20V图2.1电源电路二、程序设计流程图此程序流程如图2.3所示，程序关键在于模数转换部分，然后经过单片机处理得到相应数据。图2.3程序流程图10三、整体电路焊接与调试在电路焊接之前，首先将所选用的电子元器件测试一遍，以确保元器件完好。在进行电路焊接时，布局要合理，连线尽可能短而直，电路调试过程中所用到的测量仪器有：YB1602功率函数信号发生器YB1731A直流稳压电源YB4360双踪示波器YB2172毫伏表3.1前置放大级调试当无输入交流信号时，用万用表分别测量LF353的输出电位，在0V附近正常。输入端加Hz1000fmV5ui，的交流信号，用示波器观察输出波形。用交流毫伏表测量放大器的输出，求的其电压放大倍数为50uuAiou测试结果：输入信号有效值输出信号有效值Ui=5mVUO=250mVUi=10mVUO=498mVUi=15mVUO=736mVUi=20mVUO=982mVUi=25mVUO=982mVUi=30mVUO=1.47V3.2整体电路调试调试静态调试：首先将输入电容13C输入端对地短路，然后接通电源，用万用表测试输出电压oU,调节电位器3RV，使输出的电位近似为零。动态调试：在输入端接400mV，1000Hz的正弦信号，用示波器观察输出波形的失真情况，调节电位器3RV使输出波形交越失真最小。测试结果：输入信号有效值输出信号有效值输出波形的失真情况Ui=5mVUO=6.87V不失真Ui=10mVUO=13.5V不失真Ui=15mVUO=19.3V不失真Ui=17.7mVUO=22.8V失真113.3通频带测试调节输入信号使输出有效值为1V,然后增大输入信号的频率，使输出信号频率达到0.707V，此时频率为频率下线fL,然后继续增大频率，到频率发生变化为止，此时为频率下线fH。通频带为fH-fL。我们所测得fL=200HZ，fH=2.34KHZ。BW=fH-fL=2.14KHZ3.4输入阻抗在输入端加个1K电位器，用2个交流电压表分别测电位器两端电压，调节电位器，使其两端电压相同，然后算的电位器的电阻值。我们测得：Ri=500Ω3.5输出噪声测试将输出端端接入地，测输出端的电压有效值即可。我们测得噪声电压有效值为U=7.2mV。3.6整机效率测试分别测电源输出的电压U和电流I，根据P=UI算出电源的输出功率。测放大电路的输出功率PO，整机效率η=PO/P。测试结果U(V)I(A)P(W)PO(W)η(%)380.3814.441227.3四、总结在本次比赛的过程中，我们遇到了很多的困难，从一开始大功率场效应管的选择到后来的实际电路调试，虽然这些问题后来都解决了，但是它也耽误了我们不少时间，这多是因为开始方案选择不当的原因，也是我们在以后设计过程中要改正的。由于我们自身水平有限和时间紧张等因素，本次设计作品还有许多待改进的地方。比如显示部分，由于时间关系，程序没有写出来。这次比赛过程让我们掌握了解决问题的基本思路，也懂得了团队合作精神的重要性，同时也使我们的分析问题能力和实际动手能力得到增强。第一次调试电路的时候，一旦给电路加电源，电源的电压立刻下降，IRF9540发热。结合关键元器件的PDF和电路分析，发现IRF540和IRF9540内含二极管保护，所以使用时需要注意二极管的方向，否则加上电源后，二极管正向导通是电压快速下降，而且MOS管不能工作。通过这次的调试，我们认识到，无论是焊接电路还是调试电路，首先要搞清楚各个模块的输入输出特性和各个芯片的功能以及测试的要点。12附录1：整体仿真电路图13附录2：元器件清单元件名参数个数说明电阻100KΩ5个-51KΩ3个-47KΩ2个-22KΩ1个-10KΩ4个-5.6KΩ1个-4.7KΩ1个-2.2KΩ1个-220Ω2个-100Ω1个-0.22Ω/3W2个-电位器500KΩ2个-100KΩ1个-1KΩ1个-电容100uF5个电解电容33uF1个电解电容10uF5个电解电容1035个元片电容1012个元片电容30pF3个元片电容二极管1N40072个-三极管2N54011个-2N55511个-集成芯片AT89C511个单片机ADC08321个