低頻功率放大器的研究與設(shè)計畢業(yè)論文

1、學(xué)號：XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計題目：低頻功率放大器的研究與設(shè)計作 者屆 別系 別專 業(yè)電子信息工程指導(dǎo)老師職 稱教授完成時間大學(xué)畢業(yè)設(shè)計摘 要本論文以畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書為根據(jù)，在反復(fù)復(fù)習(xí)、鞏固低頻電壓放大與功率放大專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，進行了較好的方案論證和電路的參數(shù)指標分析，成功地設(shè)計了由雙運放組成的前置小信號放大器；之后又由分立元件設(shè)計了共模抑制比較高、非線性失真小，且具有深度負反饋的三級級聯(lián)功率放大器，完全達到了任務(wù)書提出的指標要求。關(guān)鍵詞：前置放大；功率放大；達林頓BJT Abstract This paper designed to graduate under the mandate of the

2、 repeated review, consolidate and enlarge low-voltage power amplifier expertise on the basis of a better demonstration of the programme and the parameters of circuit analysis, design successfully transported by double-group 10% of the pre-small-signal amplifier; followed by discrete components desig

3、ned common mode in a relatively high, nonlinear distortion small, Juju deep negative feedback cascade of three power amplifier, fully meet the mandate of the indicators proposed requirements. Key words: preamplifier, power amplifier; Darlington BJII目 錄摘 要IAbstractII第一章: 緒論11.1 背景綜述11.1.1 國內(nèi)對本課題的研究動態(tài)

4、11.1.2 依據(jù)和意義11.2 課題任務(wù)21.3 論文的編排2第二章: 方案論證32.1 基本思路32.2 基本方案組成框圖及原理32.3 主要參數(shù)指標分析4第三章: 電路設(shè)計53.1 前置放大級電路設(shè)計53.2 功率放大級電路設(shè)計63.3 數(shù)字音量控制和電平指示電路設(shè)計8第四章: 總結(jié)114.1 所做工作的回顧114.2 體會與收獲12致 謝13參考文獻14III 第一章: 緒論1.1 背景綜述1.1.1 國內(nèi)對本課題的研究動態(tài)隨著科技的不斷進步和電子化產(chǎn)品的日益普及，電子產(chǎn)品的規(guī)模和體積有了巨大的變化，各種復(fù)雜電路不斷出現(xiàn)，體積不斷縮小，產(chǎn)品更新的速度不斷加快。這些新的變化使得電路的設(shè)計

5、工作變得日益復(fù)雜和繁重。電子產(chǎn)品設(shè)計時使用常規(guī)的人工方法，要耗費大量的人力和財力，近年來，隨著無線通訊的飛速發(fā)展，無線通信里的核心部分無線收發(fā)器越來越要求更低的功耗、更高的效率以及更小的體積，而作為收發(fā)器的最后一級，功率放大器所消耗的功率在收發(fā)器中已占到了60%90%，嚴重影響了系統(tǒng)的性能。所以，設(shè)計一種高效低諧波失真的功率放大器對于提高收發(fā)器效率，降低電源損耗，提高系統(tǒng)性能都有十分重大的意義。目前，無論國內(nèi)外，低頻功率放大電路多數(shù)都已集成化和小型化，這是一個總的發(fā)展趨勢。1.1.2 依據(jù)和意義設(shè)計的依據(jù) 在本設(shè)計制作過程中，首先對電壓放大和功率放大的概念作一說明。從能量控制的觀點來看，功率放

6、大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別，但是，功率放大電路和電壓放大電路所要完成的任務(wù)是不同的。對電壓放大電路的主要要求是使負載得到不失真的電壓信號，討論的主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗等，輸出的功率并不一定大。而功率放大電路則不同，通常是在大信號下工作，它主要要求獲得一定的不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?。這些知識在所學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)課中均已講授，再參考些技術(shù)資料，便可進行設(shè)計。設(shè)計的意義 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們的生活方式有了很大的改變，不再以物質(zhì)享受為主，而是要能更好的享受生活，比如對電器的使用不再注重只要可以使用，而是更注重產(chǎn)品的質(zhì)量好壞所帶來的效果。因此，制造安全先進的電器能

7、給人民帶來生活上的方便。落后的家用電器給人們帶來了困擾，先進的電器更適合現(xiàn)代人民的生產(chǎn)生活，人民生活舒適顯得非常重要。因此，設(shè)計低頻功率放大器，高保真的音頻功放，能讓人民享受到更優(yōu)美的音樂，生活更舒適。因此設(shè)計低頻功率放大器是很有意義的。 畢業(yè)設(shè)計是帶有研究性質(zhì)的專題研究分析和工程設(shè)計，是完成教學(xué)任務(wù)、培養(yǎng)人才的一個重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設(shè)計，可以培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)和設(shè)計能力，提高綜合運用所學(xué)知識分析、解決實際問題的能力，對于檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果等也具有重要意義。本課題與本人所學(xué)專業(yè)知識結(jié)合非常緊密，通過畢業(yè)設(shè)計，可以對所學(xué)過的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識進行一次全面、系統(tǒng)地回顧和總結(jié)，使理論和實踐相結(jié)

8、合，鞏固和拓展所學(xué)理論知識，掌握正確的思維方法和基本技能，提高工程實踐能力和創(chuàng)新意識，為參加工作打下一定的基礎(chǔ)。1.2 課題任務(wù)（1）總結(jié)出與設(shè)計任務(wù)有關(guān)的幾種低頻功率放大電路的設(shè)計方法。（2）設(shè)計一個低頻功率放大電路，達到如下要求：A）放大通道的正弦輸入電壓幅度為5mv700mv,等效負載電阻RL=8。B）能輸出功率POR10W。C）帶寬達到BW100HZ5KHZ。D）非線性失真不大于3%。E）在POR下的效率C55%。1.3 論文的編排本論文分為五章，第一章緒論主要介紹了低頻功率放大器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用的前景、本課題的任務(wù)以及本論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章設(shè)計任務(wù)方案分析及主要技術(shù)指標分析。第三章

9、為電路設(shè)計，主要是敘述前置放大級電路、功率放大級電路以及數(shù)字音量控制和電平指示電路。第四章是對本論文的總結(jié)，包括本畢業(yè)設(shè)計所做的工作以及一些收獲和體會以及致謝和參考文獻。第二章: 方案論證2.1 基本思路低頻功率放大器是一種能夠為功率負載，如音響設(shè)備的揚聲器、電視機的掃描偏轉(zhuǎn)線圈、電動機控制繞組等輸出功率的裝置。與電壓放大器不同的是，功率放大器在負載上要求獲得一定程度的不失真（或失真較?。┹敵龉β?，而電壓放大器在負載上要求獲得一定程度的不失真電壓。一個實用的低頻功率放大器，通常由電壓放大器和功率放大器等電路組成，如一些集成功率放大器芯片，內(nèi)部就集成有電壓放大器和功率放大器等電路。2.2 基本方

10、案組成框圖及原理圖2.2.1所示為一個實用的低頻功率放大器的基本組成原理框圖。外供正弦信號源 穩(wěn) 壓 點 源變換電路弱信號前置放大器功率放大級正、負極性對稱方波正弦信號放大通道RL=8220V 500HZ等效負載電阻圖2.2.1 實用低頻功率放大器的組成原理框圖該功率放大器的功能是：將信號源提供的正弦波弱電壓信號通過開關(guān)轉(zhuǎn)換，一路先進行電壓放大，再進行功率放大，為等效負載電阻提供一定的輸出功率；另一路進行波形變換，使之變成脈沖波，再進行電壓和功率放大，為等效負載提供一定的脈沖功率。本課題主要是研究前一路，即正弦波放大電路。主要技術(shù)指標： 額定輸出功率POR：在輸出信號失真度小于某一規(guī)定值時，額

11、定負載電阻上獲得的最大功率。帶寬BW： 功率放大器的工作頻率范圍。非線性失真系數(shù)： 在額定輸出功率POR下和一定的帶寬BW內(nèi)，輸出信號的非線性失真程度。通常用百分比%表示。噪聲電壓：在功率放大器的輸入為零時輸出負載上的電壓。效率： 負載上輸出的額定功率POR與消耗的電源功率PDC之比。 由圖2.2.1可見，低頻功放電路的前置放大級為弱信號電壓放大器；然后再進入功率放大級，也包括激勵級和大功率放大級等，直到在RL=8的負載上得到要求的輸出功率。2.3 主要參數(shù)指標分析功率放大器的輸入電壓信號Vi由信號源提供幅度為5mV700mV的正弦波，輸出電壓信號V0從8的等效負載電阻上獲得。額定輸出功率P0

12、10W，這項指標說明在輸入信號5mV700mV的范圍內(nèi)，均以P010W的滿功率不失真輸出，即小信號輸入時，要求滿功率不失真輸出；大信號輸入時，也要求滿功率不失真輸出，因此，要求放大器的增益是可以調(diào)節(jié)的。功率放大器的帶寬要求BW100Hz10kHz。這項指標指出了功率放大器的工作頻率范圍，通常用3dB帶寬來表示，是指放大器的電壓增益下降3dB時所對應(yīng)的頻率，即最低頻率fL100Hz，最高頻率fH10kHz。功率放大器在額定輸出功率P0下和BW內(nèi)，非線性失真系數(shù)3% 。這項指標指出,經(jīng)過功率放大器放大后的正弦波的非線性失真所容許的范圍，只要信號是經(jīng)過線性放大，一般都能夠滿足非線性失真3%的要求。否

13、則，要對信號的非線性失真進行改善。在P0下的效率55%。這項指標說明功率放大器輸出功率的轉(zhuǎn)換效率，通常用輸出功率與電源消耗的總功率之比值來表示，即= P0/PDC。55%，說明功率放大器的功率輸出級只能工作在甲乙類或者乙類，不能工作在甲類，因為甲類功率放大的效率最高也不能超過50%。當前置放大級的輸入端交流短接到地時，RL=8上的交流聲功率10mW。這項指標是指在沒有信號輸入時，放大器輸出的噪聲功率，即要求前置放大級的輸入端引入的噪聲越小越好，同時放大器本身的內(nèi)部噪聲也很小。第三章: 電路設(shè)計設(shè)計思路：逐步分析已知條件和未知因素之間的關(guān)系。如本課題中，輸入信號的大小和輸出信號的功率是已知的，但

14、它們之間傳輸通道信號的大小則是未知的，需要逐一求出。可按照從前置放大級到功率放大級的順序逐一設(shè)計計算，也可以從功率放大級到前置放大級的順序設(shè)計計算。下面以后者為例進行設(shè)計。3.1 前置放大級電路設(shè)計前置放大級電路的主要功能是將5mV700mV的輸入信號不失真地 放大到功率放大級所需要的1.4V輸入信號。因此，需要解決兩個問題：一是本級280倍的電壓放大倍數(shù)和帶寬BW100Hz10kHz的矛盾；二是對5mV700mV范圍內(nèi)的信號，都只能放大到1.4V，以滿足額定輸出功率P010W的要求。對于前者，可以采用二級放大器，因為放大器的增益帶寬積是一個常數(shù)，每級的增益減小，帶寬就可以提高。對于后者，可以

15、設(shè)計一個音量控制電路或者自動增益控制電路，使功放級的輸入信號控制在1.4V左右。根據(jù)以上思路，設(shè)計的前置放大級電路如圖3.1.1所示。其中，NE5532是一個雙運放集成運算放大器，可以用來構(gòu)成A1、A2二級放大器。其主要性能參數(shù)如下：圖3.1.1 前置放大級電路增益帶寬積10MHz轉(zhuǎn)換速率9V/s，共模抑制比100dB，輸入電阻300K。設(shè)前置放大器A1的增益為 AV1 = R2/R1 = 150k/10k = 15對于幅度為5mV700mV的輸入信號， A1的輸出幅度為75mV10.5V。選電源電壓+VCC = +12V ，VEE=2V。第二級放大器A2的輸入信號的大小由音量控制電位器RP1

16、進行控制。設(shè)A2的增益為 AV2 = R5/R4 = 200k/10k = 20對于75mV的輸入信號，不經(jīng)過電位器RP1，直接由A2 放大至1.5V；對于大于75mV的信號，則調(diào)節(jié)音量控制電位器RP1 先進行衰減后再放大，使得經(jīng)A2 放大后的信號的幅度也為1.5V，以滿足功率放大級輸出功率PO10W的要求 。3.2 功率放大級電路設(shè)計當功率放大器以P010W的滿功率不失真輸出時，輸出電壓的幅度為 VOP= =V=12.6V (3-1-1)為留有充分余地，取VOP=14V。由此可以計算功率放大器的總電壓增益為Av，即 Av = VOP/VIP = 14V/5mv = 2800 (3-1-2)用

17、分貝表示，Av=20lg（VOP/VIP）=68.9dB 。 如何將這2800倍的總電壓增益比較合理地分配給前置放大級和功率放大級，這是設(shè)計中很關(guān)鍵的一步，這與所選用的器件、電路類型以及實際經(jīng)驗都有關(guān)系。通常，功率放大器的電壓增益不能太大，因為這一級的信號比其他級的信號要大很多。增益太大容易產(chǎn)生自激，一般取十幾倍。可以暫取10倍進行計算，以后再通過實驗電路進行調(diào)整。這樣，前置放大器的電壓增益就為280倍。電壓增益分配如圖3.2.1所示。前置放大級增益=280倍功率放大級增益=10倍VOP=14V1.4VVip=5mV圖3.2.1 功率放大器各級的電壓增益分配功率放大級電路可直接選用集成功率放大

18、器，如STK4191,其最大輸出功率為2×50W，頻率響應(yīng)20Hz50kHz，完全滿足本課題的要求；也可以選用分離元件來組成。二者各有其特點：集成功率放大器的調(diào)節(jié)比較簡單，但進行級聯(lián)時，如果要對整機的性能進行改善，靠集成功率放大器的調(diào)節(jié)往往達不到目的；而由分離元件組成的功率放大器，雖然電路的調(diào)節(jié)比較繁瑣，但可以通過功率放大級的調(diào)節(jié)改善整體的性能。選用由分離元件晶體管組成的功率放大電路，如圖3.2.2所示，其中，晶體管T1、T2組成差分放大器，如果電路的參數(shù)完全對稱，則電路具有很高的共模抑制比，可以克服由溫度變化引起的靜態(tài)工作點的漂移。晶體管T3組成電壓放大器，為末級功率放大器提供驅(qū)動

19、電壓。晶體管T4 、T5 、T6組成末級功率放大電路，輸出端為互補對稱的OCL電路。這3級之間采用直流耦合，并引入直流負反饋，電壓增益由反饋電阻決定，即AV=R10/R7=10 。反饋支路并聯(lián)電容C3可以減小高頻自激。圖3.2.2 功率放大級電路（1）末級功率放大電路 課題的技術(shù)要求：在額定功率下，輸出的正弦波信號的非線性失真系數(shù)3%。效率55%，所以末級功率放大電路工作在甲乙類比較好。因為工作在甲類狀態(tài)，雖然非線性失真系數(shù)小，但效率較低，一般小于50%；如果工作在乙類狀態(tài)，雖然效率較高，但輸出波形容易產(chǎn)生交越失真，達不到非線性失真系數(shù)3%的要求。圖3.2.2中3只二極管D2、D3、D4和電位

20、器RP3是用來調(diào)整電路的工作狀態(tài)的。靜態(tài)時，調(diào)節(jié)電位器RP3，使A、B間的電壓為2.8V，即近似等于晶體管T4 、 T5 、T6 、T7的be結(jié)電壓之和。晶體管T4 、 T5 、T6 、T7靜態(tài)時處于微導(dǎo)通狀態(tài)，O點對地的電壓應(yīng)為0V，從而可克服交越失真。采用+VCC 、VEE雙電源供電，由式（3-1-1）可得，輸出電壓的幅度為+14V，則VCC+14V，為留有余地，選+VCC = +18V， VEE = 18V。 功率輸出晶體管T6 、T7。選用一對大功率互補對稱的場效應(yīng)晶體管2N3055和MT2955。其特征頻率fT10MHz，耗散功率PC20W，選>50。驅(qū)動管T4 、T5也是一對

21、互補對稱的晶體管，其特征頻率fT100MHz，耗散功率PC500mW，選>80。（2）電壓放大電路電壓放大電路給末級功放提供驅(qū)動電壓，由晶體管T3構(gòu)成；靜態(tài)工作點由電阻R4、R8、R9決定，取集電極電流IC3為6mA左右。電容C2是高頻電壓負反饋電路，防止高頻自激。（3）差分放大器電路 差分放大器電路由晶體管T1、T2構(gòu)成。選擇差分放大器電路作為功率放大級的前級，主要是為了提高電路的抗干擾能力。電路的靜態(tài)工作點由電阻R6和RP2及R2、RP1等決定，差分對管的集電極電流通常取1mA左右。3.3 數(shù)字音量控制和電平指示電路設(shè)計為了滿足輸入信號的幅度在5mV700mV的范圍內(nèi)，功率輸出級的輸

22、出功率POR10W的額定功率的要求，在前置放大級的第二級A2的輸入端采用電位器RP1 （見圖3.2.2）對大信號進行衰減，如果RP1不是處在最大的衰減位置，而輸入信號又比較大，則這時功率放大級的輸出功率會遠大于額定功率，很有可能燒壞功率放大器。為了避免這種情況的出現(xiàn)，設(shè)計了一個數(shù)字音量電路，如圖3.3.1，其中，CD4051是一個8選1的模擬開關(guān)，CD4516是一個4位十六進制異步可逆計數(shù)器，由555組成單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生計數(shù)脈沖，脈沖寬度tp = 1.1R13C5 = 1.1×100k×0.1F = 0.1s，電路工作原理是：接通電源，由C3、R11組成的置數(shù)電路給計數(shù)器C

23、D4516置數(shù)，其輸出Q2Q1Q0=000，則8選1開關(guān)CD4051接通I/O ，這時輸入信號經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)最大的衰減后，再由CD4051的I/O輸出，從而避免了因輸入信號較大而損壞功率放大器的情況。CD4051的輸出信號經(jīng)耦合電容C4和電位器RP1進一步調(diào)節(jié)后使輸出保持V01=75mV左右，再送前置放大器第二級A2的輸出端。輸入信號V1來自前置放大器第一級A1的輸出，V1的范圍為75mV10.5V。當V1為75mV時，調(diào)節(jié)計數(shù)脈沖，使計數(shù)器的輸出Q2 Q1Q0=111，則CD4051接通I/O7，輸出V01 = 75mV;當V1為10.5V時 ，使計數(shù)器的輸出Q2 Q1Q0=000，則CD40

24、51接通I/O0 ，輸出為（10.5V/7.5）×0.5 = 700mV；再調(diào)節(jié)RP1使V01 = 75mV。由此可見，對于75mV10.5V范圍內(nèi)的輸入信號，經(jīng)過數(shù)字音量控制電路后均變?yōu)?5mV左右，從而滿足了輸出額定功率的要求。圖3.3.1 數(shù)字音量控制和電平指示電路電平指示電路是功率放大器的功能擴展電路。在音量控制電路中，只要增加1只74LS138譯碼器和8只發(fā)光二極管就可以實現(xiàn)電平指示功能。如圖3.3.1所示。因為計數(shù)器的輸出Q2Q1Q0的狀態(tài)與CD4051的輸入信號V1的大小是一一對應(yīng)的，所以74LS138譯碼器的輸出也與V1的大小相對應(yīng)，則8只發(fā)光二極管可以將V1分成8級

25、進行顯示。第四章: 總結(jié)4.1 所做工作的回顧本設(shè)計利用低頻功率放大器AD603來提高不失真信號的輸出，而一個使用的低頻功率放大器通常由電壓放大器和功率放大器等電路組成。輸入的正弦信號采用分離的而不采用集成的電路是可以改變整體的性能。功率輸出部分采用了互補對稱的OCL電路可以克服交越失真。整個系統(tǒng)是將5mv700mv的輸入信號不失真地放大到所需的電壓信號,以滿足輸出功率POR10W。帶寬BW100HZ10KHZ，即最底頻率fL100HZ，最高頻率fH10kHZ。本設(shè)計偏重于模擬電路處理，得到了很高的功率放大和較小的噪聲。采用多種抗干擾措施來處理前級放大，選用集成芯片作增益控制，利用分離元器件作

26、后級功率放大器，設(shè)計很靈活也很容易實現(xiàn)。寫論文步驟1、  確定研究課題一般確定研究課題是導(dǎo)師給定題目 這種方式的好處是大腦不用考慮選題了，只有一個勁的往這個題目上想問題；弊端是沒有選擇，不管你是否對這方面感興趣2、  查閱相關(guān)文獻研究課題確定后，一定要了解你所研究問題的范圍，這點可以從課題關(guān)鍵字上把握。搜集文獻資料：可以在學(xué)校中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)、維普資訊、文檔在線等網(wǎng)站上下載，那里可以找到一些可以全文下載的文章。閱讀文獻資料：閱讀后，把搜集的文獻進行分類整理，歸納出研究該課題的幾種方法及前人研究所得出的重要結(jié)論。3、  設(shè)計研究思路結(jié)合自己所要研究的課題，設(shè)計研究思路

27、。研究思路可以多想幾種，這樣可以在找不到相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下，換其他的思路來寫。4、  結(jié)合所有能搜集到的數(shù)據(jù)以及研究問題模型進行實證分析找數(shù)據(jù)是寫文章過程中的一大難事，因為你之前并不知道，按照設(shè)計思路來做，數(shù)據(jù)能否找到，數(shù)據(jù)資料與你的設(shè)計研究思路也是有很大關(guān)系的。5、  應(yīng)注意的其他問題寫文章過程中，最重要的是如何運用所學(xué)知識理論與所研究的問題很好的結(jié)合起來，這一點需要繼續(xù)加強。4.2 體會與收獲體會：經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完

28、成這個設(shè)計是難以想象的。收獲：我覺得寫論文能很大的提升自己的能力：1、  文字表述論文里的語言非常講究，這方面需要繼續(xù)加強。2、  交流、討論、團結(jié)在寫文章的過程中和大致內(nèi)容寫完后，一定要和老師、其他同學(xué)多交流，讓他們多提點建議。一些軟件使用方法，可以向同學(xué)老師們請教。3、  細心模型公式編輯、標點符號、文章各段格式等，都需要細心地學(xué)習(xí)與操作。4、  搜索找資料需要搜索很多資料，如何在短時間找到你想要得資料，得在搜索關(guān)鍵詞上有所設(shè)置才行。一些好的電子類論文網(wǎng)站，需要隨時記錄下來，以便日后繼續(xù)學(xué)習(xí)和使用。致 謝首先，我要感謝我的導(dǎo)師郭老師在畢業(yè)設(shè)計中對我給予的悉心指導(dǎo)和嚴格要求，同時也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計期間所給予我的幫助。在我畢業(yè)論文寫作期間，各位老師給