低频功率放大器课程设计报告

《电路与模拟电子技术》课程设计报告低频功率放大器一、摘要低频功率放大器的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。整个电路主要分为稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路共4部分。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。前置放大器主要是实现电压的放大。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。二、关键字前置放大级电路功率放大稳压电源电路波转换电路三、总体设计方案论证及选择根据课设要求,我们所设计的低频功率放大器应由以下几个部分组成：稳压电路、前置放大、功率放大以及波形变换电路。下面对每个单元电路分别进行论证：前置放大级：设计要求前置放大输入交流接到地时，RL=8的电阻负载上的交流噪声功率低于10mw因此要选用低噪音运放。本装置选用的优质低噪音运放NE5532AI。设计要求输入电压幅度为5~700mV时，输出都能以Po≥10W满功率不失真输出，信号需放大几千倍，有考虑到运放的放大倍数与通频带的关系，故采用两级放大，增益调节可用电位器手动调节，也可用自动增益控制，但考虑到题目中的“使用”俩字（例如输入信号不是正弦信号，而是大动态音乐信号），本装置采用手动增益调节。功率放大级：根据设计题目要求，在供原则的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，如果电路选择好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试的号，则性能很可能高过较好的集成功效。许多优质功放是分立功放。但其中有一个元件出现问题或是搭配不当，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。现在市场上也有很多性能优越的集成功放芯片，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，易制作易调试等特点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求问题的。综上所述，考虑时间紧，在满足要求的前提下，选择易调试的集成功放。我们熟悉的集成功放有TDA2040A，LM1875，TDA1514等，其中TDA2040A功率量不大，TDA1514外围电路较复杂，且易自激。这两种功放的低频率特征都欠佳，LM1875外围电路简单，电路熟悉，低频特性好，保护功能齐全。它的不足之处是高频特性较差（BW=70KHz），但对于本设计要求的50Hz~10KHz已足够，因此选用LM1875作功放。波形变换电路：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NE5532P电路构成。通过比较，本课程设计中施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。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LM7815、LM7915三端集成稳压器。四、设计方案的原理框图图1总体设计五、总体电路图、接线图及说明外供正弦信号源弱信号前置放大级功率放大级变换电路自制直流稳压电源正、负极性对称方波正弦信号放大通道~220V50HzRL=8ΩC210uFU2ANE5532AI32481R21MΩR31kΩC347uFR415kΩR550kΩKey=A50%C410uFU3BNE5532AI56487R61MΩV318VV4-18VR71kΩC547uFR822kΩR950kΩKey=A50%XFG1XSC1ABExtTrig++__+_00131401201101090870064XDA1THD1510图2前置放大电路说明：前置放大由两级NE5532典型应用电路组成，各级均采用固定增益输出衰减组成。要求当各级输出不衰减，输入Vp=5mV时，输出Va.pp=2.53V。U1LM1875T12354R1100kΩR21kΩR320kΩD11N4007D21N4007C3100nFC4100nFC710uFC147uFC2220uFC5220uFV1-18VV218VR48ΩC6210uFXFG1XSC1ABExtTrig++__+_700560004321008009图3功率放大电路说明：功率放大器选择用集成功放LM1875，采用典型电路，此电路中R3，R2组成反馈网络，C1为直流反馈电容，R1为输入接地电阻，防止输入电路时引入感应噪声，C7为信号耦合电容，D1，D2为保护二极管，R4和C6组成退偶电路，防止功放产生高频自激，C5，C2，C3，C4是电源退耦电容。六、主要元器件选择1）稳压电路中选用LM7815、LM7915三端集成稳压器2）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，所以在正弦波一方波转换电路中采用集成运放LF3573）在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532,在功率放大级中采用运放LM1875。七、电路参数计算前置放大计算对于第一级放大，要求在信号最强时，输出不失真，即Vp=700mV时，输出Vom11V(低于电源电压1V)。所以A1=Vom/Vp=11/0.7=15.7取A1=15.当输入信号最小，即Vpp=10mV，而输出不衰减时V01.pp=A1*Vi.pp=15*10=150mA第二级放大要求输出V02.pp2.53V,考虑到元件误差的影响，取V02.pp=3V，而输入信号最小为150mV，则第二级放大倍数是A2=V02.pp/V01.pp=20功率放大计算：LM1875开环增益为26dB，即放大倍数A=20因为要求输出到8Ω电阻负载上的功率P010W。而Vom=。*l2PR=12.65V加上功率管管压降2V，则V=Vom=12.65+2=14.65V取电源电压为15VIcm=l*。P2R=1.518APV=2V*Icm/=15.1W八、Multisim仿真结果前置放大直流稳压功率放大波形转换九、收获与体会通过此次课程设计锻炼，我不仅深深体会到理论知识与实践结合的不易，还深入了解并学会了一种简单实用、成本低的低频功率放大器的电路设计方法。课设过程中为了让自己的设计更加完善，更加符合工艺标准，一次次翻阅热处理方面的书籍是十分必要的，同时也是必不可少的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义。十、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]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[4]夏路易、石宗义电路原理图与电路板设计教程北京希望电子出版社2002[5]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[6]高玉良电路与模拟电子技术北京高等教育出版社十一、附件D11N5402D21N5402D31N5402D41N5402C1100nFR11kΩD51N5402D61N5402D71N5402D81N5402C4100nFR21kΩU1LM7815CTC7330nFD91N5402C810uFC9330nFC1010uFD101N54020XSC1ABExtTrig++__+_50011U2LM7915CTXSC2ABExtTrig++__+_00XSC3ABExtTrig++__+_0V120Vrms60Hz0°89C22.2mFIC=35VC32.2mFIC=35V30C52.2mFIC=35VC62.2mFIC=35V130图2直流稳压电路说明：直流稳压电源部分为整个功放电路提供能量，根据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+15V。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，故本设计中采用三端稳压电路。两组独立的20V交流，经过桥堆整流，大电容滤波，再加0.1uF小电容滤掉电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上1K大功率电阻。另外还要给7815，7915来获得+15V、万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端起保护作用。R310kΩC1330nFR410kΩC2330nFR510kΩR61kΩKey=A50%XSC1ABExtTrig++__+_V1700mVrms1000Hz0°D21N4728AD11N4728AV218VV3-18VU2ANE5532P32481U1ANE5532P3248108070654102903图5波形变换电路（NE5532P）说明：将1KHZ的正弦波变为同频率的对称方波。因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，所以本课程设计中施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成，而NE5532运放做隔离用。