实用低频功率放大器

东北油大学课程设计2013年7月19 日东北油大学课程设计任务书课程通信电子线路课程设计题目实用低频功率放大器专业通信工程学号主要容、基本要求、主要参考资料等主要容：设计具有弱信号放大能力的低频功率放大器。

该功率放大器在带宽、失真度、效率等面要具有较好的指标、较高的实用性。

基本要求：R为8 1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻LΩ下，放大通道应满足：P≥10W；（1）额定输出功率OR（2）带宽BW≥(50～10000)HZ；P下和BW的非线性失真系数≤3%；（3）在ORP下的效率≥55%；（4）在ORR=8Ω上的交流声功率≤10mW。

（5）在前置放大级输入端交流短接到地时，L2）自行设计满足本设计任务要求的稳压电源。

主要参考资料：[1] 翔骏.电路分析(第二版)[M].：高等教育，2007.[2] 谭博学，苗汇静.集成电路原理及应用[M]：电子工业，2008.[3] 夏路易.电路原理图与电路板设计教程PROTEL99SE[M].电子，2002.完成期限2013.7.15 —2013.7.19指导教师专业负责人2013年7 月15 日摘要实用低频功率放大器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、容、技术路线。

整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路共4 部分构成。

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电压变换成规定要求的波信号。

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。

关键词：正弦波—波转换电路；弱信号前置放大级电路；功率放大电路；自制稳压电源电路目录1.设计要求 (1)2.案设计 (1)2.1 设计思路 (1)2.2案论证与比较 (1)2.3案选择 (3)3.各单元模块工作原理及计算 (3)3.1波形变换电路 (3)3.2弱信号前置放大级电路 (5)3.3功率放大级电路 (6)3.4系统整体电路图 (7)3.5自制稳压电源电路 (8)4.系统调试 (8)4.1稳压电源的调试 (8)4.2前置放大电路和波形转换电路的调试 (9)5.总结 (9)6.系统需要的元器件清单 (9)参考文献 (10)1.设计要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV ，等效负载电阻L R 为8Ω下，放大通道应满足：① 额定输出功率POR ≥10W ；② 带宽BW ≥（50～10000）Hz ；③ 在OR P 下和BW 的非线性失真系数≤3%；④ 在OR P 下的效率≥55%；⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时，L R =8Ω上的交流声功率≤10mW （2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

（3）转换后的波信号波形① 上升时间tr ≤1µs② 下降时间tf ≤1µs③ 峰－峰值电压Vp-p 为200mV（4）波输入激励放大通道后的输出波形①在OR P 下额定输出功率OR P ≥10W②在OR P 下输出波形下降时间tf ≤12µs③在OR P 下输出波形顶部斜降≤2%④在OR P 下输出波形过冲量≤5%2.案设计2.1 设计思路该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。

为达到设计要求，前置放大电路要具有较强的抑制噪声的能力，因此在前置放大电路、前置放大电路与功率放大电路之间都采用阻容耦合的式，这样具有较强的隔直作用，同时在同相放大的接地端也要加隔直电容，波形变换电路采用具有良好抗干扰能力的迟滞比较器，功率放大采用由集成芯片构成的功率放大电路。

2.2案论证与比较：2.2.1 波形变换电路：案一：利用运放在开环状态下的饱和特性，采用过零比较器将正弦波信号经过两级运放放大后，产生了正弦波饱和失真的波信号，由于输出波幅值远大于题目要求，再经过反相衰减电路最终得到题目要求的正负极性对称的200mVp-p 的波信号。

案二：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6．2 V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200 mV 的波信号。

运放选用NE5532，施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357。

案三：利用运放的正反馈作用，使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡，利用稳压管将电压稳定在6．2 V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200 mV 的波信号。

运放选用NE5532。

本系统采用案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。

2.2.2弱信号前置放大级：案一:弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。

符合上述条件的集成电路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。

本系统设计选用NE5532，因为同众多的运放相比，NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能，被称为“运放之皇”。

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。

2.2.3功率放大级：案一：功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。

这种案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。

且失真度可以做到很小，使音质很纯净。

但外围元器件较多，调试要困难一些。

案二：采用专用的功放集成芯片。

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。

该集成电路部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。

根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。

由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。

多优质功放均是分立功放。

但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当，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。

现在市场上有多性能优异的集成功放芯片，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没有问题的。

另外集成运放还有性价比高的特点。

故本系统设计选用案二。

该案的优点是：技术成熟，外围元器件少，保护功能较完善，调试简单，便于扩功等。

2.2.4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LM7818、LM7918三端集成稳压器。

2.3案选择：由前面的案论证得知，设计本系统有两种案，一种案是采用集成电路与分立元件相结合的案，另一种是全部采用集成芯片的案。

为尽可能的降低噪声影响，减小非线性失真，以及考虑到外围元器件过多会给系统引入噪声等干扰因素造成不利影响，本设计采用案二：全部采用集成运放芯片搭建电路。

为满足题目规定的指标要求，减小非线性失真，提高电路的高频和低频特性，我们决定在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532，在正弦波一波转换电路中采用集成运放LF357，在功率放大级中采用运放LM1875。

3.各单元模块工作原理及计算：3.1波形变换电路：设计电路如图1所示，我们直接采用施密特触发器进行波形变换与整形，选用高精度、高速运算放大器LF357构成施密特触发器。

根据题目要求，变换后的波要正、负对称，频率为1000Hz，上升和下降时间≤1us，电压的峰-峰值为200m V。

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，完全可以满足技术指标要求。

此电路中，1C 和2C 为脉冲加速电容，可以减少波脉冲上升时间和下降时间，可以取56pF 和100pF 。

21RP 可以将输出幅度调整至200mV ，可选用10K 。

24R 为限流电阻，限制稳压二极管电流1VD 、2VD ，保证输出波幅度稳定。

（1）确定输出电压Z O V U ±= （1） 比较器输出高低电平为Z V ±Z OH V U = 、 Z OL -V U =（2）跳变）时，输出电压状态发生的表达式（当和-+-+=U U U U i U U -=（3） O 232223U R R R U +=+ （4） Z 232223H V R R R E +=m （5） )(-V R R R E Z 232223L +=m （6） 当mH U E i ≥时，图1 波形变换电路0U 'O <，z -V U O = （7）当mL U E i ≤时，0U 'O >，z V U O = （8） 迟滞宽度2322Z 23L H R R V 2R E E V +=-=∆m m （9） 令K 10R 23=，则3Z R 1)-V 2V (R2⨯∆=75.71K 10K 1)-0.732(=⨯⨯= （10） 取Ω=K 752R ，2R 近似等于3R ，即Ω=10K R 1 )12(R 3-∆=V V Z (取KΩ=75R 3) (11) KΩ=-=71.7510*)17.0/3*2(R 2 （12）3.2弱信号前置放大级电路:前置放大电路可以采用集成运算放大器构成的前置放大器，主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、转换速率、噪声和电流消耗等。

一个采用两级NE5532(C1:A 和C1:B)构成的前置放大器如图2所示。

各级均采用固定增益加输出衰减组成，要求当各级输出不衰减，输入 mV U P P I 5,=-时， 输出 V U P P O 53.2,≥-。

对于第一级放大器，要求杂信号最强时，输出不失真，即在mV U P P I 700,=- 时，输出V U OM 11≤。

所以7.157.0/11/1===P OM U U A （取151=A ） （13）当输入信号最小，即P P I U -,=10mV 而输出不衰减时P P O U -,1=A1×P P I U -,=15×10=150 mV（14）第二级放大要求输出P P O U -,2≥2.53V ，考虑到元件误差的影响，取P P O U -,2=3V ，而输入信号最小为150 mV ，则第二级放大器倍数为P P O U A -=,21/P P O U -,1=3/0.15=20（15）取2A =22。