低频功率放大器报告

2013年课程设计实验报告实用低频功率放大器学院：班级：姓名：学号：序号：一、任务：设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。其原理示意图如下：二、技术指标：1.基本要求：（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（50~700）mV，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.在前置放大处级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mV（2）自行设计满足本设计任务要求用的稳压电源，画出实际的直流稳压电源原理图即可。2.发挥部分（1）放大器的时间响应：a.方波产生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;上升和下降时间≤1us;峰—峰值电压为200mVP-P。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下输出波形上升和下降时间≤12us;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%;（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如：提高工作效率、减小非线性失真）3.要求：设计与总结报告；方案设计与论证，理论分析与计算，电路图，测试方法与数据，结果分析，要有特色与创新主要参考元件：LM1875、LF353、LM311、UA741、NE5532三、方案设计：1.波形转换电路先经过前级放大后再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，利用稳压管将电压稳定在6．2V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200mV的方波信号。运放选用NE5532，施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357。用multisim软件画电路图如下：仿真后波形如下：产生方波2.前置放大电路选用NE5532芯片，因为NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能且是双运放集成，具有很高的性价比。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。前置级的任务是完成小信号的电压放大，其失真度和噪声对系统的影响最大，故采用了集成放大器NE5532，均采用电压并联负反馈电路，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作用。放大后的信号失真度和噪声都很小。前置放大级电路的主要功能是将50mV~700mV输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的输入信号。因此，需要解决的问题是本级225倍的电压放大倍数和带宽BW50Hz-10KHz的矛盾。对此可以采用二级放大电路，因为放大器的增益带宽积是一个常数，增益减小，带宽就可以提高。同时我们在两级放大中用电位器引入增益调节环节，使本级的总增益在一定范围内持续可调。由于从信号源输出的小信号非常微弱,只有经过放大之后,这种信号才能激励功率放大器,且由于系统要求输出额定功率不小于10w，同时，输出负载为8Ω，则Um=RPo=810=8.95V．故Uop-p＞2Um＞12.6V系统的最大增益为：Amax=20lg(8.95／0.05)≈45dB．系统的最小增益为：Amin=20lg（8.95／0.7）≈22dB．则需整个放大电路的增益应在22dB～45dB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20-40dB(放大倍数10～100倍)之间．故前置放大器增益需通过两级放大实现，且其总增益应在1～45dB之间可调。第一级前置级增益为：Au1=R3/R2=150/10=15（约为24dB）第二级前置级增益为：Au1=R4/R5=150/10=15（约为24dB）为了满足输入信号的幅度在50mV~700mV的范围内，功率输出级的输出功率的额定功率＞10W的要求，在前置放大级的第二级的输入端采用电位器对大信号进行衰减。同时也起到了可实现增益调节的作用。为了稳定功率放大级的工作点，前置级和功放级之间采用电容耦合。用软件画电路图如下：仿真后波形如下：3.功率放大级采用专用的功放集成芯片LM1875。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。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。本级电路实现对电压和电流信号的放大。放大信号的过程就是电路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。考虑到前置放大第二级中如果RP1不是处在最大的衰减位置，而输入信号又比较大，则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率，很有可能烧坏功率放大器。因此前置放大第二级的输出端接电位器实现对输入功放信号的衰减，以此来保护功放电路。另外与8Ω电阻并联的电阻和电容的作用是防自激。由于实验前在软件中没有找到LM1875芯片，没有仿真，然后直接画在纸上了，但是做实验时，发现出来的波形不对，然后再次找软件仿真，发现电路仿真出来的波形不对，不是正确的正弦波。后来改进，将二极管去掉后，发现波形正确了！用软件画电路图如下：仿真波形图（失真）：改进后的电路图：重新仿的波形图：4.稳压直流电源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。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。四、测试结果输出功率：Po=(Uo)^2/2R输入功率：2*21*1iIUIUP效率：η=Po/Pi输入端接地，测输出端在8Ω负载条件下的噪声峰峰值。交流噪声：U=1V(测试)正弦输入幅度频率输出电压(Vpp)输出功率电源电压电源电流效率50mv50Hz14.00V3.06W17.9V17.9V0.30A0.29A29.00%50mv10kHz19.10V5.70W17.9V17.9V0.42A0.40A38.83%300mv50Hz25.60V10.24W15.7V15.2V0.54A0.53A62.00%300mv10kHz29.55V13.64W17.9V17.9V0.62A0.60A62.48%500mv50Hz24.20V9.15W17.7V14.4V0.50A0.49A57.53%500mv10kHz28.2V12.43W18.0V18.0V0.60A0.58A58.52%700mv50Hz25.8V10.40W15.5V14.3V0.55A0.54A64.01%700mv10kHz26.6V11.06W18.0V18.0V0.56A0.55A55.36%方波产生：频率：1kHz上升时间：1us；下降时间：2us无失真，无过冲，无斜降方波放大:峰峰值：22VVs=15V，Is=0.62A上升时间：5us；下降时间：12us无失真，有斜降，有过冲。五、实验结果分析：由以上实验结果表格知，正弦放大时，输入电压较低，小于100mv时，功率放大倍数不够，没有达到要求的功率，效率也小于55%。但是输入较高时，功率放大倍数足够，而且效率也大于55%，符合要求。方波产生完全符合实验要求，但是经过两级放大和功放后，方波产生了斜降和过冲。输入端接地，测输出端在8Ω负载条件下的噪声峰峰值过大，是一个稳定的正弦波，超过要求的噪声功率。六、实验过程问题及解决方法：1.实验过程中，经常遇见自激问题，通过并联电容可以有效改善，另外有时候需要滤掉其他频率的杂波，也可以通过电容解决。2.刚开始时，功放部分波形总是失真，回去用软件重新仿电路图后，发现去掉两个二极管可以得到很好的波形！3.还有就是电路连上后，负载处只有电压没有电流，后来也没有改电路，就是换了个电源就好了，也许是中间电路接触不良吧。4.在接高电压和低电压时，如果开了电源，再接进电路中，就容易出火花，所以，最好先将电源接入电路中，再开电源。5.注意接带有正负极的电容时，一定要接好正负极，否则会使电容损坏。6.在方波转换电路中，方波输出可以直接从滑动变阻器的中间管教接出来，这样出来的波形比较好。7.方波转换电路刚开始用LF357，电路无法转换成方波，后来换成了NE5532就可以实现了，但是NE5532产生的方波上升下降时间比较大。其实LF357应该是乐意转换方波的，可能是我的那个芯片坏了吧。8.实验过程中经常会电路现在好好地，等会儿就不能用了，所以插电路时，一定要注意电路分布，最好每个模块分开，要不然不容易查错。七、实验误差分析：由测量的数据可以知道实测参数并没与计算的参数或仿真参数完全一致，原因可能是①由于各个元器件并非是理想的，如电阻的实际值与标称值不尽相同；②各计算公式为近似的公式；③测量仪器仪表的读数误差④电路中负载和芯片LM1875发热，影响结果；等等。八、实验总结：九、总电路图：