低频功率放大器的设计与制作-毕业设计

低频功率放大器的设计与制作

学生：指导教师：

内容摘要：本文介绍了一种基于NE5534设计而成的低频功率放大器。是由直流稳压电源，前置放大器，带阻电路，COMS功率放大器，峰值检测和数据采集显示六个模块组成。直流稳压电源主要由15V双电源与LM317与LM337，7805构成，可输出正负15V 电压和5V电压，分别为功率放大器和显示模块提供所需的电压。前置放大器是两级放大，构成一个带通放大器。CMOS功率放大器是由N沟道和P沟道场效应管构成的OCL电路。带阻电路用于滤除电源的公共频率。峰值检测将负载输出的稳定电压并将电压降低至5V以下。液晶显示模块显示的结果，主要是将20HZ~20KHZ的小信号放大，输出功率大于5W且输出的噪音电压有效值小于5mv，并将系统输出功率，直流电压的输出功率，整机效率显示出来。

功率放大器作用主要是给负载提供所需要功率，它不仅仅是音频设备中必不可少的器件，同时在测量系统和控制系统中也有广泛应用。低频功率放大器已经是一个相当成熟的技术。几十年来，无论是从线路技术和元器件的方面，还是思想方面都有很大进步。它可以由集成元件构成，也可以由分立元件构成。集成功率放大器具有功放体积模块小，外围电路简单，性能优越，易调试，制作简单，保护功能齐全等优点。而用分立元件制作，如果精心设计，则在效率和失真的方面要远远优于集成功放。本设计在功率放大级采用COMS管，具有功耗低，失真小，噪声低，性价比高和稳定性好等特点，并能实时显示整机效率，直流电源功率和输出功率。可广泛应用于测量系统和控制系统。

关键词：低频功率放大器 MOS管 NE5534 OCL

Design and manufacture of low-frequency power amplifier Abstract: This article describes an approach based on NE5534 designs of low-frequency power amplifiers. Is made up of DC voltage, preamplifier, band stop circuit, COMS amplifier with peak detection and data acquisition display consists of six modules. Main 15V DC power supply dual power supply with LM317 and LM337,7805 composition, positive and negative voltage of 15V and 5V output voltages, power amplifier respectively and display module provide the required voltage. Preamplifier is a two-level zoom in, form a bandpass amplifier. Is n-channel and p-channel CMOS power amplifier tube consisting of OCL Dojo effects circuits. Public frequency band stop circuit to remove power. Peak detect stability of the output voltage and the load will reduce the voltage to 5V. LCD display module displays the results, mostly 20HZ~20KHZ small-signal amplifier, the output power is greater than 5W, output noise voltage is less than 5MV, and system output power, DC voltage output power, machine efficiency visible.

Power amplifier is mainly needed to provide load power, it is not only essential components of the audio device, both measurement and control systems are also widely used. Low frequency power amplifier is a fairly mature technology. For decades, both in terms of lines of technologies and components, is thought have made a lot of progress. It can consist of integrated components, can also be constructed from discrete components. Integrated power amplifiers with power amplifier module size small, simple peripheral circuit, superior performance, easy to debug, and producing simple, perfect protection function and so on. Made with discrete components, if carefully designed, in terms of efficiency and distortion is much better than the integrated amplifiers. COMS in the power stage tube this design, low power consumption, small distortion, low noise, high performance and good stability characteristics, and displayed in real time unit efficiency, DC power supply and output power. Can be widely

used in measuring systems and control systems. Keywords:Low-frequency power amplifiers MOS tube NE5534OCL

目录

1 系统电路设计 (1)

1.1 系统总体方案 (1)

1.2 系统硬件设计 (1)

1.3 单元电路设计 (2)

1.3.1 前置放大器的分析与设计 (2)

1.3.2 功率放大级的设计 (3)

1.3.3 带阻滤波器的分析与设计 (5)

1.3.4 峰值检测 (7)

1.3.5 稳压直流电源的设计 (8)

1.3.6 显示模块 (9)

2 软件设计 (9)

2.1 系统流程图 (9)

2.2 相关算法 (10)

2.2.1 输出功率计算 (10)

2.2.2 电源输出功率计算 (10)

2.2.3 整机效率计算 (10)

3 测试方法与结果分析 (11)

3.1 测试仪器 (11)

3.2 输出噪声电压有效值测试 (11)

3.3 放大倍数的测试 (11)

3.4 输入电阻的测试 (12)

3.5 通频带的测试 (12)

3.6 低频功率放大器效率测试 (13)

4 结束语 (14)

附录1: 功率放大器电路原理图 (15)

附录2: 液晶显示PORTUES仿真图 (16)

附录3: 显示程序 (17)

参考文献 (28)

低频功率放大器的设计与制作

1 系统电路设计

1.1 系统总体方案

本系统是由前置放大器，带阻滤波器，功率放大级，数据采集，峰值检测和液晶显示等六个部分构成。其中，前置放大级由NE5534构成的两级放大电路组成，可选择通过带阻滤波器将40~60HZ 信号衰减，通过NE5534和有大功率COMS 管构成的放大电路实现放大输出，经过A\D 采样电路来收集数据，单片机分析计算，通过显示电路进行显示。其系统方框图如图1-1所示。

图1-1 系统方框图

1.2 系统硬件设计

依据设计的要求，输出功率不小于5W ，考虑到留出50%的裕量，则最小的输出功率应该不小于7.5W ，输出的负载8Ω，输入正弦波的幅值最小为Vi=5mv,则有

Rl

Vo Po 22= (1.2-1)

V Rl Po Vo 11

2=?= (1.2-2) 系统增益Avo

[]dB

lg

203=

?

11

=- (1.2-3)

Avo67

/(

)

10

5

为了保证放大器的性能，单个的放大级增益不应过高，一般应在20dB~40dB（放大倍数10~100）之间。所以整个电路采用三级放大，前置放大为一级，前置放大为二级，功率放大级。

1.3 单元电路设计

1.3.1 前置放大器的分析与设计

前置放大器主要的任务是完成小信号电压的放大，其噪声影响和失真度是优先考虑的指标。同时也起信号的衰减作用。为此我们选用NE5534，NE5534主要特性：等效输入噪声电压为3.5nV/HZ,高转换速率为13V/uS,频率带宽为10MHZ，较宽电压为正负3V到正负20V，同时有可外在补偿的能力。

图1.3.1-1 前置功率放大器

图1.3.1-2 1kHZ 时仿真图形

为了增加共模抑制比，提高抗干扰能力，在前置放大电路中，第一级采用电压并联反馈解法。第二级放大总体来说是个带通放大的电路，当有信号时，电容C1与电阻R1组成高通电路，有模拟电路书中所给的公式1

121

C R f l π=

可得出低频截止频率为

l f =5.6HZ<20HZ,而在反馈电路中可由电阻与电容构成一个低通电路，同理，

2

'

221

C R f h π=

可得高频截止频率H f =88.54KHZ>20KHZ ，根据经验一般取所要求频率的2~5倍。

增益计算，由于放大器件为高增益的放大器，满足深度负反馈条件，所以电压增

益为反馈增益，由图计算得增益

23

.

.

11R R F A V

VF +

=≈

约为20dB 。

第二级放大与第一级放大有相同原理，均为电压放大，可用滑动变阻器调节反馈增益。由图可知前前置放大的总增益大约42dB 。

1.3.2 功率放大级的设计

功率放大电路往往要求其驱动负载的能力较强，从能量控制和转换角度来看，功率放大器电路与其他的放大电路在本质上没有区别。只是功率放大电路既不是单纯要求输出高电压，也不是单纯要求输出大电流，而是追求在电源电压稳定的情况下，输出尽可能高的功率。

功率放大电路主要任务是 ：在允许失真限度内 ，尽可能高效率地为负载提供足够大的功率。因此，功率放大电路的电路形式、分析方法、工作状态等都与小信号的放大电路有所不同。对功率放大电路基本的要求是：

第一输出功率要大。 输出功率 PO = UO ×IO ，要获得大的输出功率 ，不仅要求高的输出电压，而且要求输出的电流大。因此 ，晶体管工作在大信号的极限运行状态 ，应用时要考虑管子极限参数，注意管子的安全。

第二效率要高。放大信号过程就是晶体管按照输入信号变化规律 ，将直流能量转换为交流能量的过程 ，其转换效率是负载上获得的信号功率与电源供给的功率的比值。

功放级电路主要由NE5534及功率末级的一对MOS 推动管构成，这对推动管有一个N 型沟道与一个P 型沟道的场效应管组成的复合管。NE5534主要完成电压放大的任务，接成大环电压反馈的形式，为得是弥补由运放产生的零漂和因布线等所造成的失真。NE5534的1脚与8脚接调零电阻，而5 脚和8脚则接补偿电容。对管的选择主要考虑其参数对称性。一般输出管电压增益β在40左右。这个两个管子的两个关键参数是特征频率T f 及集电极最大允许耗散功率CM P 。

特征频率T f 和放大电路的上限频率H f 有如下关系：H H T f f β?=；

系统阶跃响应上升时间r t 和放大电路的上限频率H f 有如下关系：35.0≈?h r f t 输出管的特征频率为()

MHZ f T 1401012/36.05≈??≥-

甲乙类OCL 放大器O M TM P P 2.0>，TM P 是单管最大功耗，OM P 是最大不失真的输出功率。因此输出管W P CM 3152.0=?≥。根据以上的计算，考虑到指标提高和工程的实际。输出管应选用IRF9540和IRF540。IRF540是N 型沟道场效应管，相关参数：

V V DSS 100≤，Ω<077.0DS R ，A I D 30≤，IRF9540是P 型沟道场效应管，相关参数为：V V DSS 100≤，Ω<077.0DS R ，A I D 30≤。

图1.3.2-1 功率放大级电路图

图1.3.2-2 功率放大级仿真结果

1.3.3 带阻滤波器的分析与设计

输入电压同时作用在低通滤波器及共同滤波器便构成了带阻滤波器。设低通滤波器f1低于高通滤波器f2，带阻滤波器能衰减f1~f2之间的信号。放大器选择OP07。带阻滤波器主要用于滤除公频的干扰。下图为设计的二阶滤波器。

图1.3.3-1 带阻滤波器频率特性

图1.3.3-2 40~60HZ 带阻滤波器

根据截止频率fc 选定一个电容C （单位为uF ）标称值。使其满足的C

f K c 100

=

（K 值不能太大，否则电阻的取值会变大，从而引入误差增加）本设计中fc=50HZ ，K 取2，可得 C=1uF,

由电路结构可知Av=1 则有

1

23111R R R += (1.3.3-1) 2

2120

1

C R R w = (1.3.3-2)

计算可得 R1=636Ω, R2=14k Ω, R3=600Ω

1.3.4 峰值检测

峰值检测电路是为了将整流分压后所得电压曲线取得最大峰值，从而为先一步计算提供条件。峰值检测电路（PKD，Peak Detector）作用是对输入信号峰值进行提取，产生输出Vo = Vpeak，为了实现这个目标，电路输出值会一直保持，直到电路复位一个新的更大的峰值出现。本设计选用TI公司OPA111资料内容里面所提供的典型电路。该电路有如下三个特点：第一采用FET运放提高直流特性，减小OPA111的偏置电流；第二将场效应管当二极管用，既可以有效减小反向电流又可以增加第一个运放的输出驱动力；第三小电容防止自激。电路的附加分压作用可将功率放大级的负载电压转换为原来的1/3，使其适合A/D转换所需的电压范围。

图1.3.4-1 峰值检测仿真图

图1.3.4-2 峰值检测仿真结果

1.3.5 稳压直流电源的设计

由于正弦波幅值为11V，从提高效率方面考虑，越接近11V效率就越高，考虑到管压降等因素，选择双15V的变压器，经整流滤波可等 18。为了提高效率，功放级电压直接由整流滤波电路提供(电路途中B，C两个输出点)，减小了在稳压片处能量的损失。电路由集成稳压器LM317与LM337构成。电源经4700uF电解电容并上47uF 和0.1uF电容，滤掉不同频率干扰后输出，输出电压的直流性能良好。同时要提供单片机，A/D转换电路以及液晶显示所需的电源，可在电路后接7805组成输出5V电压

的电源。

图1.3.5-1 直流稳压电源

1.3.6 显示模块

显示模块由数据采集与处理与液晶显示两部分构成。其中数据采集由ADC0832组成A/D转换电路完成数据采集，并通过89S52单片机对数据分析和处理，最后由1602液晶显示器将输出功率，整机效率，直流电源功率显示在液晶屏上。

ADC0832 为美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高，所以深受单片机爱好者及企业的欢迎。其主要特点：转换时间为32μS，工作频率为250KHZ，一般功耗仅为 15mW。

LCD1602液晶显示模块的主要功能：40通道点阵LCD 驱动，可选择当作行驱动或列驱动，输出能产生20×2个的LCD驱动波形，输入接受控制器送出的串行数据与控制信号，通过单片机控制将所测频率信号的读数显示出来。

2 软件设计

2.1 系统流程图

本系统软件流程图如下，主程序主要是将A/D转换的数据采集，通过单片机的计算，最终显示在液晶板上。

图2.1-1 系统流程图

2.2 相关算法

为简化程序，采用C 语言编程，设置输出电阻为固定的参数，通过功率的相关计算公式可分别得出，输出功率，电源输出功率，整机效率。

2.2.1 输出功率计算

可由公式

L om

om R V P 2

21?

=计算得出。 2.2.2 电源输出功率计算 可由公式L

om

CC V R V V P π2=

计算求得 2.2.3 整机效率计算 可由公式CC om

V

O V V P P ?==

4πη计算求得

3 测试方法与结果分析

整个系统在测试时，分部分测试，首先是调试电源，然后是前级放大器，功率放大器，最后再整体进行测量。 3.1 测试仪器

测试使用仪器设备如表3.1-1所示。

表3.1-1 测试使用的仪器设备

3.2 输出噪声电压有效值测试

用示波器测量，输出电阻8Ω时，输入短路时示波器波形，测得其峰峰值电压为22.6mV ，则：mV V V pp O N 522/==。符合题目要求。 3.3 放大倍数的测试

放大倍数的测量：使信号发生器接入输入端，将示波器两个探头分别接输入与输出端。测试数据如表3.3-1。

表3.3-1 放大倍数的测定

测试结果分析：由图表可以看出随着输入信号增加电压放大倍数减小，这是由于器件

自身的内部消耗造成的，当输入信号有效值为5mV 时，则满足输出大于或等于5W 的要求。

3.4 输入电阻的测试

测试方法：给系统输入端加不同的直流电压，分别测输入电流，按 R

i I Uo

R 计算输出电阻。测试数据如表3.4-1。

表3.4-1 输入电阻的测定

测试结果分析：实际测量值与理论有一定差距，这可能是由于电阻值有一定误差，这是无法避免的。从测试结果分析，满足输入电阻为600Ω的要求。 3.5 通频带的测试

根据通频带定义，放大倍数下降到0.7Au 时，低端频率与高端频率之间的范围称为放大电路的通频带。即：BW=fH-fL.图3.5-1为通过multisim 仿真幅频响应结果图中直线所在位置为电压增益下降3dB 时。图3.5-2为相频响应仿真结果。

图3.5-1 幅频响应仿真

图3.5-2 相频响应仿真

结果分析：由测试数据可以看出频率在中频端的响应相对较好，这主要是因为3dB 点式增益会降低一半，从而给电压放大带来一定的影响。本设计通频带为10HZ~60KHZ,满足题目要求。 3.6 低频功率放大器效率测试 电源提供的功率按公式L πR 2om CC DC

V V P = 计算，输出功率按公式L

R Uom Po 22=计算，

效率按公式CC

om

DC V V P Po 4πη==计算。Uom 为最大不失真的输出信号峰值。测试结果见表3.6-1。

表3.6-1 低频功率放大器效率测试

测试结果分析：通过测试可得，放大器的效率达到了65.1% 测量精度达到3%左右。误差是因为A/D 转换过程中存在精确度不高以及在信号传输的过程中的干扰及

损耗造成的。

4 结束语

本设计完整地介绍了低频功率放大器的设计，选用的是高性能的NE5534运放，保证了足够大的增益与电压输出并且性能稳定。通过得出的实验数据可以看出，本电路具有很好的频率响应；从测得的带宽10HZ~65KHz看出，此功率放大器可以很好的实现对低频信号的放大。噪声输出的电压很小，非线性失真<1%，效率也达到了64%，能较好的达到实际的要求，也符合题目的要求，值得注意的是功率放大级和前置放大级应采用分离电源模式的接线放大，不然容易造成干扰。在设计功率放大器的同时应考虑对非线性失真和增益做出认真的思考，这是影响功率放大的最主要因素。

通过改进电路，可进一步提高整机效率，可通过选择更好性能的运放及管耗更小的CMOS管，设计非线性失真更完善的电路；为了降低电源与整流管对信号的干扰，应当将整流管和稳压管屏蔽起来；对于双通道功放，由于左、右通道之间存在串抗，最佳方案是分别用两套器件。在本论文写作的过程中，我的导师老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出稿件中具体的问题，严格地把关，循循善诱，在此我表示衷心的感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

写作电子线路实训论文是一次系统的再学习过程，这篇论文的完成，同样也意味着我学到了更多的东西，并且更进一步地巩固了以前所学习的知识。

附录1: 功率放大器电路原理图