北邮课程设计实用低频放大电路

电子科技与技术专业课程设计实用低频功率放大器设计报告2016年09月12日一.设计要求1.任务设计并制作具有弱信号放大功能的功率放大器，其原理图如下所示2.技术指标1)基本要求在放大通道的正弦信号输入电压幅度为50～700mV,等效负载电阻RL为8Ω下,放大通道应满足:a.额定输出功率POR≥10W;b.带宽BW≥(50～10000)Hz;c.在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%;d.在POR下的效率≥55%.;e.在前置放大级输入端交流短接到地时,RL=8Ω上的交流声功率≤10mW.2)发挥部分a.由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波,频率为1000Hz,上升时间≤1μs,峰2峰值电压为200mV.用上述方波激励放大通道时,在RL=8Ω下,放大通道应满足.b.额定输出功率POR≥10W;c.在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs;d.在POR下输出波形顶部斜降≤2%;e.在POR下输出波形过冲量≤5%.外供正弦信号源变换电路弱信号前置放大级功率放大级自制稳压电源(220V50hz)等效负载电阻8Ω放大通道正、负极性对称方波二.方案设计与论证及理论分析计算概述：该电路主要由波形变换电路、前置弱信号放大级、功率放大级以及稳压电源四个模块组成。在实用电路中，要求多级放大器的末级输出一定功率，以能够向负载提供足够的信号功率，该电路往往由前置放大级和功率放大级组成，前置放大级往往由小信号放大电路组成前置，其主要任务是不失真的提高输入次那好电压或电流幅度以驱动后面的功放，前置放大级的噪声以及失真对整个系统影响非常大，所以要求其具有低噪声、高保真、高增益的特点。而功放的任务是保证信号失真在允许范围内，输出足够的功率，以驱动负载。功率放大有两种方式，一种是用分力元件构成OCL电路，一种是采用专用的集成功放芯片，集成芯片具有工作可靠，外围电路简单保护功能较完善等特点。波形变换的主要用途是将正弦信号转换为矩形波信号，因为方波含有极为丰富的谐波分量，是检验功率放大性能非线性失真的好选择。通常使用比较电路实现，单电平比较器抗干扰能力不及滞回比较器，又称施密特触发器，当两个阈值21THTHUU时，就可以输出占空比接近于50%的方波信号，可以达到题目要求。直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量，需要稳压电源输出一种直流电压，而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，电源经电解电容与0.1uF电容并联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。1.变换电路线路1)变换电路原理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、非线性失真度、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。所以需要设计方波信号发生器以对功放电路性能进行检验。施密特触发器是通过引入正反馈形成具有迟滞特性的比较器，可以运用它对波形进行变换与整形。该实验中采用运放做比较器电路，利用正反馈电路将小的交流信号放大为峰峰值较大的方波信号，再经过电阻分压，可以得到信号比较小的方波信号，若利用滑变分压，可以实现输出200mV的方波信号，在运放的输出端利用两个正负极性相反的稳压管用以控制输出电压的幅值，使输出信号稳定在一定范围内。为满足输出方波的上升下降时间小于1us和双极性方波,要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放。指标要求：产生正、负级的对称方波；频率为1000hz;上升和下降时间≤1μs;峰-峰值电压为200mvp-p。2)理论分析计算及元器件选择由于电路对输出方波有限幅要求，采用运放构成波形变换电路，利用正反馈放大小信号交流信号，然后利用滑变分压，将输出方波的峰峰值调为200mv，在输出端加有两个正负极性相反的稳压器，使该整流电路的输出稳定在一定范围内，且峰峰值输出𝑉𝑜=±𝑉𝑧=200mv施密特触发器通过引入正反馈，加速输出状态的转换过程即缩短了转换器的响应时间，将上升和下降时间减小到以满足要求。施密特触发器抗干扰嫩能力较强，不易产生误动作，即转换精确度较高。选用集成运放LF353设计施密特触发电路，因其属于FET管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、压摆率较高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点。3)变换电路电路图该电路图利用运放制作了一个滞回电压比较器，假设输入为100mv,则应该输出正电平，稳压器的输出电压为2.9VzUUO假设输入信号为100mv，需要输出双极性方波信号，则应输出正电平，所以UiTHU，即THU100mv根据阈值计算公式，R2和R5形成正反馈回路。ZTHURRRU522若取R2为1KΩ，则mvR1009.2511R528kΩ。2.前置放大级1)前置电路原理前置放大级主要任务是不失真的提高输入次那好电压或电流幅度，以驱动后面的功放，使功放工作在大信号环境下。其失真度和噪声该对整个系统的影响较大。该电路中选用集成运放进行设计，由于放大器的增益带宽积是个常数，所以设计中需要将增益和带宽成进行协调。2)理论分析计算及元器件选择前置放大电路的输出电压用以驱动功放，由于功放有输出功率限制𝑃𝑜𝑅≥10𝑤,所以功放的𝑉om≥√2𝑃𝑂𝑅𝐿=√2∗10∗8=12.65𝑉𝑉o≥√𝑃𝑂𝑅𝐿=8.95V𝐴𝑣max=20lg(8.950.05)=45𝑑𝐵𝐴𝑣min=20lg(8.950.7)=22𝑑𝐵所以需要实现整个电路的增益在22dB—45dB范围内可调。前置放大级的输入电压是50—700mv,输入信号变化范围较大，频带要求是50—10khz,所以在单级电路中应避免因增益过大而导致的带宽减小。因此可以采用两级放大电路来保证放大器的性能。且两级放大电路均采用电压并联负反馈电路，因为电压并联负反馈具有很好的抗共模干扰能力，且具有改善波形失真的而作用。同时在第二级中使用电位器引入增益调节，使本级增益在一定范围内持续可调。为了使两级增益均衡，故设：第一级前置增益为𝐴𝑉1=𝑅2𝑅1=150𝑘Ω10𝑘𝛺=24dB第二级前置增益为𝐴𝑉2=𝑅5𝑅4=150𝑘Ω10𝑘𝛺=24dB且输入信号变化范围较大，所以在两级中串入一个滑动变阻器来改变整个系统的增益，同时也对信号起到衰减作用。选用集成放大器NE5532，其具有以下特点及性能指标：NE5532为低噪声、高保真度、高速、高阻抗、宽频带的集成运放，其高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能，其具有较宽带宽，可以保证信号在低、中、高频段均能不失真输出，使电路的整体指标大大提高，放大后的非线性失真和噪声都很小。NE5532的指标参数为：供电电压范围：±22VGBW(增益带宽积):10MhzRout(等效输出阻抗，越小越好):0.3ΩRin（等效输入阻抗，越大越好）:300kΩCMRR(共模抑制比，越大抗干扰能力越强)：100Db3)前置电路电路图第一级前置增益为𝐴𝑉1=𝑅5𝑅1=150𝑘Ω10𝑘𝛺=24dB第二级前置增益为𝐴𝑉2=𝑅5𝑅3=150𝑘Ω10𝑘𝛺=24dB3.功率放大级1)功率放大级原理功率放大器既不是单纯的追求电压或电流的放大，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。对于功放来说，输出功率，效率，非线性失真，散热及保护，防自激等问题都要着重考虑。功率管通常在接近极限运用状态下工作，所以很容易使结温和管壳温度升高，所以要注意考虑电压和过电流的保护措施，因为工作在大信号，所以不可避免会产生非线性失真，实际中，需要通过限制输出功率减小失真。功放的输出功率是由直流电源供给的直流能量转换得到的，由于输出功率大，因此电源消耗的功率大，所以就存在一个效率问题。在功率放大电路中还存在着一个不可忽视的问题，因为集成运算放大器内部是由多级直流放大器所组成,由于每级放大器的输出及后一级放大器的输入都存在输出阻抗和输入阻抗及分布电容,这样在级间都存在R-C相移网络,当信号每通过一级R-C网络后,就要产生一个附加相移.此外,在运放的外部偏置电阻和运放输入电容,运放输出电阻和容性负载反馈电容,以及多级运放通过电源的公共内阻,甚至电源线上的分布电感,接地不良等耦合,都可形成附加相移.结果,运放输出的信号,通过负反馈回路再叠加增到180度的附加相移,且若反馈量足够大,终将使负反馈转变成正反馈,从而引起自激振荡。为避免自激振荡，我们应避免选择外围电路复杂的芯片，尽量选择外围电路简单，输出功率大，芯片内有感性负载反向电势，易于制作和调试的芯片。2)理论分析计算及元器件选择指标要求：额定输出功率POR≥10W;带宽BW≥(50～10000)Hz;在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%;在POR下的效率≥55%.;𝑃𝑂=𝑉om22𝑅𝐿η=𝑃𝑂𝑃𝐷𝐶3)功率放大电路电路图为了阻抗匹配，同相输入端10R=1MΩ，2C和11R组成了高通滤波器，令11R=100K，2C=4.7uF截止频率HZCRf39.3107.41010014.3212163211π50HZ，可以满足实验的要求。13R、12R、15R构成了反馈网路，3C是直流负反馈电容。假设功率放大部分的放大倍数为10倍，则101121513RRR，取12R=1K，13R=5K，为了获得更大的输出功率，则取电位器15R取10K。414CR和构成了输出退偶电路，防止功放产生自激，没有接414CR和的话，功放的输出则会产生自激震荡。9R是功放的负载，阻值为8Ω。4.自制稳压电源1)自制稳压电源原理采用三端集成稳压电源电路，选用LM7818、LM7918三端集成稳压器。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,其纹波电压很小。2)理论分析计算及元器件选择LM7918和LM7818：LM78xx和LM79xx系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热以及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列LM78和LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路输出的电压值，且LM78系列输出的是正电压，LM79系列输出的是负电压，由于实验中要求输出正负值为18V的直流电压。且选用不同稳压值的三端集成稳压元件，可以构成同时输出不对称正、负电压的稳压电路。故选用LM7818和LM7918电路中采用二极管制作整流电路，使用电容进行滤波稳压管输出端使用大电容，且输出端输出电压大于6V时，在输出输入之间应跨接保护二极管。3)自制稳压电源电路图该三端集成稳压电路实现在输出端同时输出大小为+18V和-18V的电压。三.材料清单及芯片手册1.材料清单电阻大小数量电容大小数量芯片名称数量1kΩ210μF6LF353233kΩ110nF4NE55323300Ω110F2LM78181（实际为0）50kΩ14.7μF1LM79181（实际为0）50kΩ滑变1220nF1LM1875110kΩ滑变222μF110kΩ41μF4150kΩ22.2mF1100kΩ11MΩ11Ω18Ω15kΩ16.2kΩ12.芯片手册1)NE55322)LF3533)LM1875四.测试数据及数据分析在实验中采用由散到整的顺序，分别测量各模块电路，看波形和测试数据看电路能否实现具体功能及能否达到指标要求，再对整体电路进行测试，看整体能否达到功率放大要求，且在功率放大要求的前提下，实现尽量小的非线性失真以及达到时间响应要求。在实际测试之前先利用multisim对电路进行仿真。然后进行实际测量。实际电路如下。1.变换电路1)仿真结果该图为输入电压为200mv时，变换电路输出的方