带前置放大的音频功率放大器

电子信息技术课程设计报告书

课题名称 带前置放大的音频功率放大器

姓 名

学 号 院、系、部 电气工程系 专 业 电子信息工程 指导教师

高迎霞、孙秀婷

2011年 6月29日

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2009级电子信息 课程设计

带前置放的大音频功率放大器设计

摘要

一、引言-----------------------------------------------------------

二、设计目的-------------------------------------------------------

三、设计要求-------------------------------------------------------

四、设计方案及原理框图---------------------------------------------

4.1总体方案论证------------------------------------------------- 4.2单元模块方案论证与比较--------------------------------------- 4.2.1弱信号前置放大级--------------------------------------- 4.2.2功率放大级--------------------------------------------- 4.2.3自制稳压电源-------------------------------------------

4.2.4保护电路-----------------------------------------------

五、单元电路设计----------------------------------------------------

5.1各单元模块功能介绍及电路设计--------------------------------- 5.1.1弱信号前置放大级电路----------------------------------- 5.1.2功率放大电路------------------------------------------- 5.1.3自制稳压电源电路---------------------------------------

5.2 特殊器件的介绍-----------------------------------------------

六、总电路图-------------------------------------------------------

七、调试及故障分析 ------------------------------------------------

7.1稳压电源的调试-----------------------------------------------

7.2前置放大电路的调试------------------------------------------- 7.3功放级的调试-------------------------------------------------

7.4系统的总调试-------------------------------------------------

八、设计总结-------------------------------------------------------

九、参考文献-------------------------------------------------------

一、引言

功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后即放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。

功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的发展阶段：电子管功放晶体管功放集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到0.05%以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。

二、设计目的

（1）巩固和加深学生对电子电路基本知识的理解，提高他们宗和运用本课程所学知识的能力。

（2）培养学生根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考、深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

（4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务要求完成设计任务。

（5）培养严肃、认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，帮助学生逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点。

三、设计要求

前置放大器的放大倍数为10倍，使用单电源低噪声集成运放TL070C 、TL4558、NE5534、OP-27A ，功率放大采用分立元件实现。，W 5.4P OM ≈，Ω=16L R ,%50≥η

四、设计方案及原理框图

4．1总体方案论证

系统原理方框图如图1所示。根据题目任务, 我们设计有四个基本电路 ① 弱信号前置放大级电路 ② 功率放大电路

③ 自制稳压电源电路 ④ 保护电路

图1系统原理框图

其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务；直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量．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、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。

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。下面对每个单元电路分别进行论证。

4.2 单元模块方案论证与比较

4.2.1弱信号前置放大级：

方案: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NE5534，因为同众多的运放相比, NE5534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。

4.2.2功率放大级：

方案：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。这种方案的优点是：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。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。许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。

4.2.3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。

4.2.4保护电路：

五、单元电路设计及主要元器件参数计算

5.1各单元模块功能介绍及电路设计：

5.1.1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,也可以采用专用前置放大器IC构成的前置放大器电路,从经济方面考虑本设计采用的是集成运算

放大器方案,设计前置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有LF347、

LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、NE5534等。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。

为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用集成运算放大器构成前置放大器电路时,必须采用同相放大电路结构,电路如图2所示。

如图2同相放大电路结构的前置放大电路

为了尽能保证不失真放大,图3采用两级运算放大器电路A1和A2,每级放大器的增益取决于R1、R2和R3、R4,即AvA=1+R2/R1=100。

图2中C1、C2分别为隔直流电容,是为满足各级直流反馈、稳定直流工作点而加的。但对于交流成分, C1、C2必须呈现短路状态,即要求C1、C2的容抗远小于R1、R3的阻值。C3、C4为耦合电容,为保证低频响应,要求其容抗远小于放大器的输入电阻。R5、R6为各级运放输入端的平衡电阻,通常R5=R2。

5.1.2功率放大电路

根据题目要求功率放大电路可由分立元件组成组成。分立元件组成的功率放大电路，如果电路选择得好，参数选择恰当，元件性能优良，设计和调试的好，则性能也很优良。在分立元件组成功率放大电路中由三极管、二极管、电阻、电容等器件组成的核心电路，提供了自由调整的余地。但分立元件组成的功率放大电路只要其中一个环节出现问题，则性能会低于一般集成功率放大电路。而且

为了不致过载、过流、过热等损坏元件，需要加以复杂的保护电路。

因为要求输出到16Ω电阻负载上的功率Po=4.5W ，而 125.4*16*22==

?=

O L OM P R U

加上功率管管压降2V ，则

V U U OM 142122=+=+=

则取电源电压为±20V 。 A R P I L O CM 75.016/5.42/2=?=

=

W I U P CM V 69.6/75.0142/2=??=?=ππ

所以计算效率为

%2.67%100)69.6/5.4(%100)/(=?=?V O P P ＝计η

5.1.3自制稳压电源电路：

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，需要稳压电源输出直流电压+18V 、-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。 本模块采用变压器T1进行降压（~220v ——~18v ），经D0矫式整流，C1、C2、C5、C6滤波后，经稳压IC 得到正负18V 电压，C3、C4和C7、C8、再一次滤波后输出。其中C2、C4、C6、C8小电容用于除去电网中的高频干扰。电路原理图如图5所示：

图5自制稳压电源电路

5.2 特殊器件的介绍

本电路设计简洁、实用，各模块单元均选用集成运放电路。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。如此设计使得电路外围结构简单，体积小巧精致，且较好的结合了各运放的优良性能，使电路能满足各项指标。现介绍各芯片参数如下：

六、总电路图

系统整体电路图

七、调试及故障分析

调试前的直观检查连线是否正确，检查电源输出值是否符合实验标准；检查元器件的安装情况：元器件的管脚之间有没有短路，连接处有没有接触不良，集成电路NE5534的管脚是否接对及集成块的缺口是否与底座对位。

7.1 稳压电源的调试：

电源电压输出值稳定，其正电压输出为+14.8V，负电压输出为-14.7V。虽然运放所加正负电压不对称时可能会引起直流偏移，即在输入信号为0时，输出信号并不为0，但考虑到NE5532的低噪声性能在8 Ω负载上，20W输出时总谐波失真为0.015％的特点，对正负电压输出微小的不对称不再做调整。

7.2 前置放大电路的调试：

在此我们对前置放大电路的两级分开调试。调整直流电源输出为±12V，插上运放NE5534芯片，接通直流电源

7.3 功放级的调试：

7.4 系统的总调试：

经上述分单元模块电路分别调试好，我们将各模块连接起来，进行系统整体的调试。

八、设计总结：

详细介绍了一种简单实用、价格低的低频功率放大器的电路设计方法, 整套设计只需几十元。从实验的各项数据分析,本电路具有很好的频率响应特性, 从测得的带宽可以看出,该功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用,能较好地达到实际要求,也符合理论上的要求。

九、参考文献：

[1]模拟电子技术基础简明教程（第三版）杨素行

[2] 数字电子技术基础简明教程（第三版）余孟尝

[3] NE5534、TL070C等器件的DATA SHEET