北郵課程設計實用低頻放大電路

1、電子科技與技術專業(yè)課程設計實用低頻功率放大器設計報告2016年09月12日一. 設計要求1. 任務設計并制作具有弱信號放大功能的功率放大器，其原理圖如下所示弱信號前置放大級外供正弦信號源功率放大級變換電路正、負極性對稱方波放大通道等效負載電阻8自制穩(wěn)壓電源(220V 50hz)2. 技術指標1) 基本要求在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為50700 mV , 等效負載電阻RL為8下,放大通道應滿足:a. 額定輸出功率POR 10 W;b. 帶寬BW (5010 000) Hz; c. 在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)3 %;d. 在POR下的效率55 %.;e. 在前置放大級輸入端交流短接到

2、地時,RL = 8上的交流聲功率10 mW.2) 發(fā)揮部分a. 由外供正弦信號源經(jīng)變換電路產(chǎn)生正、負極性的對稱方波,頻率為1 000 Hz ,上升時間1 s ,峰2峰值電壓為200mV. 用上述方波激勵放大通道時,在RL = 8 下,放大通道應滿足.b. 額定輸出功率POR 10 W;c. 在POR下輸出波形上升時間和下降時間12s ;d. 在POR下輸出波形頂部斜降2 %;e.在POR下輸出波形過沖量5 %.二. 方案設計與論證及理論分析計算 概述：該電路主要由波形變換電路、前置弱信號放大級、功率放大級以及穩(wěn)壓電源四個模塊組成。在實用電路中，要求多級放大器的末級輸出一定功率，以能夠向負載提供

3、足夠的信號功率，該電路往往由前置放大級和功率放大級組成，前置放大級往往由小信號放大電路組成前置，其主要任務是不失真的提高輸入次那好電壓或電流幅度以驅動后面的功放，前置放大級的噪聲以及失真對整個系統(tǒng)影響非常大，所以要求其具有低噪聲、高保真、高增益的特點。而功放的任務是保證信號失真在允許范圍內(nèi)，輸出足夠的功率，以驅動負載。功率放大有兩種方式，一種是用分力元件構成OCL電路，一種是采用專用的集成功放芯片，集成芯片具有工作可靠，外圍電路簡單保護功能較完善等特點。波形變換的主要用途是將正弦信號轉換為矩形波信號，因為方波含有極為豐富的諧波分量，是檢驗功率放大性能非線性失真的好選擇。通常使用比較電路實現(xiàn)，單

4、電平比較器抗干擾能力不及滯回比較器，又稱施密特觸發(fā)器，當兩個閾值時，就可以輸出占空比接近于50%的方波信號，可以達到題目要求。直流穩(wěn)壓電源部分則為整個功放電路提供能量，需要穩(wěn)壓電源輸出一種直流電壓，而三端穩(wěn)壓器具有結構簡單、外圍元器件少、性能優(yōu)良、調(diào)試方便等顯著優(yōu)點，本設計中采用三端穩(wěn)壓電路，電源經(jīng)電解電容與0.1uF電容并聯(lián)依次濾掉各種頻率干擾后輸出, 輸出電壓直流性能好, 實測其紋波電壓很小。1. 變換電路線路1) 變換電路原理 由于方波中含有豐富的高次諧波分量，波形變換電路提供方波，可通過對方波信號的測試來檢驗功放的轉換速率、非線性失真度、效率等指標，保護電路可以有效地保護負載不過載，對

5、功率放大器也有一定的保護作用。所以需要設計方波信號發(fā)生器以對功放電路性能進行檢驗。 施密特觸發(fā)器是通過引入正反饋形成具有遲滯特性的比較器，可以運用它對波形進行變換與整形。 該實驗中采用運放做比較器電路，利用正反饋電路將小的交流信號放大為峰峰值較大的方波信號，再經(jīng)過電阻分壓，可以得到信號比較小的方波信號，若利用滑變分壓，可以實現(xiàn)輸出200mV的方波信號，在運放的輸出端利用兩個正負極性相反的穩(wěn)壓管用以控制輸出電壓的幅值，使輸出信號穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為滿足輸出方波的上升下降時間小于1us和雙極性方波,要求使用的運放為壓擺率較高且為雙電源供電的運放。指標要求：產(chǎn)生正、負級的對稱方波；頻率為1000hz

6、;上升和下降時間1s;峰-峰值電壓為200mvp-p。2) 理論分析計算及元器件選擇由于電路對輸出方波有限幅要求，采用運放構成波形變換電路，利用正反饋放大小信號交流信號，然后利用滑變分壓，將輸出方波的峰峰值調(diào)為200mv，在輸出端加有兩個正負極性相反的穩(wěn)壓器，使該整流電路的輸出穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且峰峰值輸出Vo=±Vz=200mv施密特觸發(fā)器通過引入正反饋，加速輸出狀態(tài)的轉換過程即縮短了轉換器的響應時間，將上升和下降時間減小到以滿足要求。施密特觸發(fā)器抗干擾嫩能力較強，不易產(chǎn)生誤動作，即轉換精確度較高。選用集成運放LF353設計施密特觸發(fā)電路，因其屬于FET管，具有良好的匹配性能，輸入

7、阻抗高、壓擺率較高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應快等特點。3) 變換電路電路圖該電路圖利用運放制作了一個滯回電壓比較器，假設輸入為100mv,則應該輸出正電平，穩(wěn)壓器的輸出電壓為假設輸入信號為100mv，需要輸出雙極性方波信號，則應輸出正電平，所以Ui> ，即<100mv根據(jù)閾值計算公式，R2和R5形成正反饋回路。若取R2為1K，則 R5>28k。2. 前置放大級1) 前置電路原理 前置放大級主要任務是不失真的提高輸入次那好電壓或電流幅度，以驅動后面的功放，使功放工作在大信號環(huán)境下。其失真度和噪聲該對整個系統(tǒng)的影響較大。該電路中選用集成運放進行設計，由于放大器的增益帶寬積是個

8、常數(shù)，所以設計中需要將增益和帶寬成進行協(xié)調(diào)。2) 理論分析計算及元器件選擇前置放大電路的輸出電壓用以驅動功放，由于功放有輸出功率限制PoR10w,所以功放的Vom2PORL=2*10*8=12.65VVoPORL =8.95VAvmax=20lg8.950.05=45dBAvmin=20lg8.950.7=22dB所以需要實現(xiàn)整個電路的增益在22dB45dB范圍內(nèi)可調(diào)。前置放大級的輸入電壓是50700mv,輸入信號變化范圍較大，頻帶要求是5010khz,所以在單級電路中應避免因增益過大而導致的帶寬減小。因此可以采用兩級放大電路來保證放大器的性能。且兩級放大電路均采用電壓并聯(lián)負反饋電路，因為電壓

9、并聯(lián)負反饋具有很好的抗共模干擾能力，且具有改善波形失真的而作用。同時在第二級中使用電位器引入增益調(diào)節(jié)，使本級增益在一定范圍內(nèi)持續(xù)可調(diào)。為了使兩級增益均衡，故設：第一級前置增益為 AV1=R2R1=150k10k=24dB第二級前置增益為 AV2=R5R4=150k10k=24dB且輸入信號變化范圍較大，所以在兩級中串入一個滑動變阻器來改變整個系統(tǒng)的增益，同時也對信號起到衰減作用。選用集成放大器NE5532，其具有以下特點及性能指標： NE5532為低噪聲、高保真度、高速、高阻抗、寬頻帶的集成運放，其高速轉換性能可大大改善電路的瞬態(tài)性能，其具有較寬帶寬，可以保證信號在低、中、高頻段均能不失真輸出

10、，使電路的整體指標大大提高，放大后的非線性失真和噪聲都很小。NE5532的指標參數(shù)為：供電電壓范圍：±22VGBW(增益帶寬積):10MhzRout(等效輸出阻抗，越小越好):0.3Rin（等效輸入阻抗，越大越好）:300kCMRR(共模抑制比，越大抗干擾能力越強)：100Db3) 前置電路電路圖第一級前置增益為 AV1=R5R1=150k10k=24dB第二級前置增益為 AV2=R5R3=150k10k=24dB3. 功率放大級1) 功率放大級原理 功率放大器既不是單純的追求電壓或電流的放大，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。對于功放來說，輸出功率，效率，非線性失

11、真，散熱及保護，防自激等問題都要著重考慮。功率管通常在接近極限運用狀態(tài)下工作，所以很容易使結溫和管殼溫度升高，所以要注意考慮電壓和過電流的保護措施，因為工作在大信號，所以不可避免會產(chǎn)生非線性失真，實際中，需要通過限制輸出功率減小失真。功放的輸出功率是由直流電源供給的直流能量轉換得到的，由于輸出功率大，因此電源消耗的功率大，所以就存在一個效率問題。在功率放大電路中還存在著一個不可忽視的問題，因為集成運算放大器內(nèi)部是由多級直流放大器所組成,由于每級放大器的輸出及后一級放大器的輸入都存在輸出阻抗和輸入阻抗及分布電容,這樣在級間都存在R-C相移網(wǎng)絡,當信號每通過一級R-C網(wǎng)絡后,就要產(chǎn)生一個附加相移.

12、此外,在運放的外部偏置電阻和運放輸入電容,運放輸出電阻和容性負載反饋電容,以及多級運放通過電源的公共內(nèi)阻,甚至電源線上的分布電感,接地不良等耦合,都可形成附加相移.結果,運放輸出的信號,通過負反饋回路再疊加增到180度的附加相移,且若反饋量足夠大,終將使負反饋轉變成正反饋,從而引起自激振蕩。為避免自激振蕩，我們應避免選擇外圍電路復雜的芯片，盡量選擇外圍電路簡單，輸出功率大，芯片內(nèi)有感性負載反向電勢，易于制作和調(diào)試的芯片。2) 理論分析計算及元器件選擇指標要求：額定輸出功率POR 10 W;帶寬BW (5010 000) Hz; 在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)3 %;在POR下的效率55 %

13、.;PO=Vom22RL=POPDC3) 功率放大電路電路圖為了阻抗匹配，同相輸入端=1M，和組成了高通濾波器，令=100K，=4.7uF截止頻率<50HZ，可以滿足實驗的要求。、構成了反饋網(wǎng)路，是直流負反饋電容。假設功率放大部分的放大倍數(shù)為10倍，則，取=1K，=5K，為了獲得更大的輸出功率，則取電位器取10K。構成了輸出退偶電路，防止功放產(chǎn)生自激，沒有接的話，功放的輸出則會產(chǎn)生自激震蕩。是功放的負載，阻值為8。4. 自制穩(wěn)壓電源1) 自制穩(wěn)壓電源原理 采用三端集成穩(wěn)壓電源電路，選用LM7818、LM7918三端集成穩(wěn)壓器。直流穩(wěn)壓電源部分則為整個功放電路提供能量，根據(jù)以上設計的前置放

14、大級電路和功率放大級電路的要求，僅需要穩(wěn)壓電源輸出的一種直流電壓即+18V。因三端穩(wěn)壓器具有結構簡單、外圍元器件少、性能優(yōu)良、調(diào)試方便等顯著優(yōu)點，本設計中采用三端穩(wěn)壓電路，電源經(jīng)1000uF電解并并上0.1uF電容依次濾掉各種頻率干擾后輸出, 輸出電壓直流性能好, 其紋波電壓很小。2) 理論分析計算及元器件選擇 LM7918和LM7818：LM78xx和LM79xx系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱以及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列LM78和LM79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路輸出的電壓值，且LM78系列輸出的是正電壓，LM

15、79系列輸出的是負電壓，由于實驗中要求輸出正負值為18V的直流電壓。且選用不同穩(wěn)壓值的三端集成穩(wěn)壓元件，可以構成同時輸出不對稱正、負電壓的穩(wěn)壓電路。故選用LM7818和LM7918電路中采用二極管制作整流電路，使用電容進行濾波穩(wěn)壓管輸出端使用大電容，且輸出端輸出電壓大于6V時，在輸出輸入之間應跨接保護二極管。3) 自制穩(wěn)壓電源電路圖該三端集成穩(wěn)壓電路實現(xiàn)在輸出端同時輸出大小為+18V和-18V的電壓。三. 材料清單及芯片手冊1. 材料清單電阻大小數(shù)量電容大小數(shù)量芯片名稱數(shù)量1k210F6LF353233k110nF4NE55323300110F2LM78181（實際為0）50k14.7F1LM

16、79181（實際為0）50k滑變1220nF1LM1875110k滑變222F110k41F4150k22.2mF1100k11M111815k16.2k12. 芯片手冊1) NE55322) LF3533) LM1875四. 測試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析在實驗中采用由散到整的順序，分別測量各模塊電路，看波形和測試數(shù)據(jù)看電路能否實現(xiàn)具體功能及能否達到指標要求，再對整體電路進行測試，看整體能否達到功率放大要求，且在功率放大要求的前提下，實現(xiàn)盡量小的非線性失真以及達到時間響應要求。在實際測試之前先利用multisim對電路進行仿真。然后進行實際測量。實際電路如下。1. 變換電路1) 仿真結果 該圖為輸入電壓

17、為200mv時，變換電路輸出的方波，由仿真結果可以看出，輸出的波形頻率為1kHz,通過調(diào)節(jié)限幅電路中的滑變使幅值為200Mv,且為正負極性的方波，滿足題目要求。2) 實測結果a. 幅值要求b. 上升時間c. 下降時間d. 實測結果分析 在實測中，輸入頻率1khz的正弦信號，通過變換電路后得到頻率為1khz方波信號，經(jīng)過滑變調(diào)節(jié)分壓，使其輸出峰峰值為200mv,且正負電壓對稱，滿足要求。但由于NE5532本身壓擺率不夠，所以方波上升沿和下降沿幾乎垂直，但是波形轉換電路的上升時間下降時間均為5s。2. 前置放大級級聯(lián)功率放大級1) 仿真結果 該圖為輸入信號為50mv時，前置放大電路的輸出結果，根據(jù)

18、整個電路的POM要求，可以計算出Vom至少為12.65V,該前置放大電路實現(xiàn)225倍電壓放大，通過兩級放大電路中間的滑變構成可變增益電路。由仿真結果可以看出，輸出電壓>12.65V,即能夠滿足Pom>10W的要求。2) 實測結果a. 輸入信號幅值為50mV的輸出波形b. 輸入信號賦值為700mv 的波形c. 帶寬測量d. 交流噪聲功率測量3) 實測結果分析在實測電路中，在1kHz頻率下，將交流正弦信號賦值分別設為50mv和700mv的情況下，對交流正弦信號進行放大，50mv輸入信號經(jīng)兩級可變增益調(diào)節(jié)后得到峰峰值為25.4V的正弦交流信號，700mv輸入信號經(jīng)兩級可變增益調(diào)節(jié)后可得到

19、峰峰值為27.2V的交流正弦信號，由前面的計算可知Pow>10w,需要Vout>12.56V,Voutp_p>25.12v,說明前置放大級可實現(xiàn)對弱信號的電壓放大，使其滿足功率要求。關于帶寬測量本設計如圖所示在0260khz內(nèi)無失真。交流噪聲幅度值為38mv,明顯此兩項符合要求。關于功率效率，Vin(mV)Vr(V)Ir(A)Por(W)5025.40.5319.0870026.20.5419.441=10.893/19.08=57.09%2=10.792/19.44=55.63%同樣滿足要求。3. 整體電路測試信號發(fā)生器先接入波形變換電路，輸入頻率為1khz,調(diào)整輸入電壓幅

20、值及變換電路中的負載，使其輸出頻率為1khz的峰峰值為200mv的方波信號，然后將該信號接入前置放大級以及功率放大級，經(jīng)后兩級的電壓放大及功率放大，調(diào)節(jié)后兩級電路中的滑變，使其增益均衡，使方波信號在不失真范圍內(nèi)盡可能的滿足功率要求。通過調(diào)節(jié)電路中串并聯(lián)的電容消除測試中產(chǎn)生的自激以及消除方波的過沖和減小放大后方波的斜降。這是一個非常非常漫長的調(diào)節(jié)過程。1) 方波放大整體電路測試波形圖a. 方波經(jīng)前置放大級功率放大級后輸出b. 方波輸出后的上升下降沿c. 方波經(jīng)輸出后的斜降2) 整體電路實測結果分析整體電路中正弦信號經(jīng)變換電路形成峰峰值為200mv,頻率為1000hz的方波信號，該信號經(jīng)前置放大級

21、與功率放大級后輸出為一個峰峰值為20.2V的頻率為1000hz的方波信號，輸出功率大于10w,滿足功率與頻率要求。上升沿與下降沿幾乎垂直于地，上升時間與下降時間分別為2.6s，滿足時間轉換要求。其輸出后的方波無明顯過沖分量，有一定斜降，斜降為0.9/19.6=0.45%,小于2%，滿足題目的斜降指標。4. 自測數(shù)據(jù)表格1) 基本要求：在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為50700 mV , 等效負載電阻RL為8下,放大通道應滿足:a. 額定輸出功率POR 10 W;由于功率受頻率很小，此問并未對頻率做出要求，因此本問全都選擇1kHz進行測量。因為輸入幅度為50700mv連續(xù)，所以選擇兩個幅度極點

22、。如滿足此問要求則滿足頻率要求。Vin(mV)Vout(V)POR(W)5026.410.89370026.210.729由以上數(shù)據(jù)可知滿足此問要求。b. 帶寬BW (5010 000) Hz; 由于此問對輸入幅度又未有要求，因此本問選擇200 mV。經(jīng)測量，本設計0260 kHz內(nèi)沒有明顯失真。c. 在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)3 %;經(jīng)數(shù)據(jù)測量，均未見失真。d. 在POR下的效率55 %.;Vin(mV)Vr(V)Ir(A)Por(W)5025.40.5319.0870026.20.5419.441=10.893/19.08=57.09%2=10.792/19.44=55.63%兩極

23、值點均滿足要求，放大倍數(shù)可連續(xù)調(diào)節(jié)，因此可認為在幅度內(nèi)都可滿足此條件。e. 在前置放大級輸入端交流短接到地時,RL = 8上的交流聲功率10 Mw。Vz=340mV I=0.06A Pz=7.35Mv滿足實驗要求。2) 發(fā)揮部分由外供正弦信號源經(jīng)變換電路產(chǎn)生正、負極性的對稱方波,頻率為1 000 Hz ,上升時間1 s ,峰2峰值電壓為200mV. 用上述方波激勵放大通道時,在RL = 8 下,放大通道應滿足。本實驗中測出數(shù)據(jù)為：Vin=1V Vo=198mV f=1khz tr=5.4us tf=4.4us上升下降時間未達標a. 額定輸出功率POR 10 W;Vo=19.4 V P=11.7

24、5 W此問滿足要求b. 在POR下輸出波形上升時間和下降時間12s ;tro=3.6us tfo=3.8us此問滿足要求c. 在POR下輸出波形頂部斜降2 %;V傾=0.21V =V傾/Vo=1.08% 此問滿足d. 在POR下輸出波形過沖量5 %.V過=800Mv 過=V過/Vo=4.12% 此問滿足要求5. 實測結果分析1) 輸出功率指標分析 輸入幅值為50mv,頻率為50hz的正弦信號時，輸出電壓峰峰值為8.5v，功率未達到要求，輸入幅值為50mv,頻率為10khz的正弦信號時，輸出電壓峰峰值為13.5V，但在后來的測試中，改變串聯(lián)滑變的大小，能夠實現(xiàn)26.5V,實現(xiàn)功率要求，輸入幅值為

25、700mv,頻率為50hz的正弦信號時，輸出電壓峰峰值為28.7，實現(xiàn)功率指標要求，輸入幅值為700mv,頻率為10khz的正弦信號時，輸出電壓峰峰值為28.9V，實現(xiàn)功率要求。2) 帶寬指標分析 由前面的分析可知，在該電路下，能夠實現(xiàn)在50-700mv交流小信號的輸入下，在50-10khz的頻帶內(nèi)實現(xiàn)功率指標要求。但在實測中，低頻特性遠遠不如高頻特性，在0260khz輸入的情況下，均能通過更改和調(diào)節(jié)滑變實現(xiàn)功率指標。3) 非線性失真指標分析 在電路調(diào)測過程中，功率放大電路會有出現(xiàn)自激的情況，在該情況下，輸出信號上會有高頻分量的疊加，因而會有非線性失真，在后來的調(diào)測中，通過調(diào)節(jié)前置放大級改變電壓放大倍數(shù)以及改變電容電阻的值使電路匹配減小自激。4) 效率指標輸入幅值為50mv,頻率為50hz的正弦信號時，效率為57,09%輸入幅值為50mv,頻率為10khz的正弦信號時，效率為63.03%輸入幅值為700mv,頻率為50hz的正弦信號時，效率為71.6%輸入幅值為700mv,頻率為10khz的正弦信號時，效率為55.63%5) 輸出噪聲功率在實際測量中，前置放大級輸入端接地，測量輸出電壓大約為3