低頻功率放大器畢業(yè)設(shè)計湖北理工(本科)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 學(xué) 生 姓 名 張 政 院 （系） 黃石理工學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 022912110212 設(shè)計（論文）題目 低頻功率放大器 1湖北理工學(xué)院畢業(yè)論文目錄1 緒論51.1 選題背景及意義51.1.1 本課題的研究現(xiàn)狀51.1.2 選題目的及意義51.2 設(shè)計任務(wù)及要求61.2.1 設(shè)計的基本要求62 低頻功率放大器的設(shè)計72.1 功率放大電路的主要特點72.2 系統(tǒng)電路設(shè)計72.2.1 低頻功率放大模塊72.2.2 數(shù)據(jù)采集顯示模塊112.2.3 電源模塊122.2.4 各模塊方案選擇和論證132.2.5 各模塊的最終方案確定172.3 電路的理論計算173

2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖184 系統(tǒng)軟件設(shè)計184.1 測量顯示模塊軟件設(shè)計流程圖185 系統(tǒng)測試與調(diào)試195.1 測試儀器195.2 放大倍數(shù)的測試205.3 輸入電阻的測試205.4 通頻帶的測試205.5 低頻放大器功率的測試216 結(jié)論與展望216.1 結(jié)論216.2 展望22致 謝22附 錄23附錄一 低頻功率放大電路24附錄二 系統(tǒng)原理圖25參考文獻26低頻功率放大器的設(shè)計 學(xué) 生:張 政（湖北理工學(xué)院）摘要：實用低頻功率放大器主要應(yīng)用是對音頻信號進行功率放大，本文介紹了具有弱信號放大能力的低頻功率放大器的基本原理、內(nèi)容、技術(shù)路線。整個電路主要由穩(wěn)壓電源、前置放大器、功率放大器、波形變換電

3、路共4 部分構(gòu)成。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大器、功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是電壓的放大。功率放大器實現(xiàn)電流、電壓的放大。波形變換電路是將正弦信號電壓變換成規(guī)定要求的方波信號。設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡潔、實用，充分利用到了集成功放的優(yōu)良性能。實驗結(jié)果表明該功率放大器在帶寬、失真度、效率等方面具有較好的指標、較高的實用性,為功率放大器的設(shè)計提供了廣闊的思路。關(guān)鍵詞：方波轉(zhuǎn)換電路 前置放大級電路 功率放大電路 1 緒論1.1 選題背景及意義數(shù)字音頻功放的概念早在20世紀60年代已被提出，但由于當時技術(shù)條件的限制，進展一直較慢。1983年，M.B.Sandler等學(xué)者提出了D類放大的PCM數(shù)字

4、音頻功放的基本結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)要點是如何把PCM信號變成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了數(shù)字音頻功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音頻功率放大器數(shù)字音頻功率放大器進入了工程應(yīng)用領(lǐng)域，并獲得了世界同行的廣泛認可，市場日益擴大，數(shù)字音頻功率放大器已經(jīng)成為近年來的研究熱點之一。1.1.1 本課題的研究現(xiàn)狀在半導(dǎo)體設(shè)計潮流走向輕薄短小之際，不僅半導(dǎo)體組件本身的封裝要小，整個模塊的尺寸也變成決定系統(tǒng)客戶接受與否的關(guān)鍵規(guī)格。全球音視頻領(lǐng)域的數(shù)字化浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、易于與數(shù)字化設(shè)備接口的音頻功率放大器。D類數(shù)字音頻放大器就是在這樣的背景下興起

5、的。D類數(shù)字音頻功率放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調(diào)制）數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號，然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。由于其開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài)，因此具有高效率、低功耗等優(yōu)點。目前，D類音頻功率放大器在移動電話、平面電視、LCD顯示器以及各種以電池供電的便攜式游戲設(shè)備等消費類電子產(chǎn)品中已獲得廣泛的應(yīng)用。在手機、PDA、MP3Player等應(yīng)用中，以D類取代AB類放大器的趨勢便已相當明顯。1.1.2 選題目的及意義數(shù)字音頻功率放大器的研

6、究背景與發(fā)展現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路被廣泛應(yīng)用于各類電子電路中1。隨著近十幾年來半導(dǎo)體技術(shù)的進步，功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用2。音頻功率放大電路是原理上最為基本、應(yīng)用上最為廣泛的功率放大電路。目前大部分音響系統(tǒng)中的功放都是模擬類型，傳統(tǒng)的模擬功放按放大器的工作狀態(tài)可分為：A類、B類、AB類等形式。A類、AB類功放是音響系統(tǒng)中最為常用的功放。傳統(tǒng)類音頻放大器的一個共同缺點是效率很低，A類音頻放大器的理論效率是25%，實際效率大約為15-20%;B類音頻放大器的理論最大效率是78.5%;AB類音頻放大器的理論效率75%，實際效率在50-70%之間。無論A類，B類還是AB類

7、音頻功率放大器，當它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就會明顯降低，播放動態(tài)的語言、音樂時平均工作效率只有30%左右。音頻功率放大器的效率低就意味著工作時有相當多的電能轉(zhuǎn)化成熱能，也就是說，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。1.2 設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計并制作一個低頻功率放大器，并將輸出功率，電源功率，整機效率顯示。它主要由前置放大器級，功率放大級，整流分壓模塊，峰值檢測，直流穩(wěn)壓電源模塊以及顯示模塊構(gòu)成。1.2.1 設(shè)計的基本要求功能要求:（1）當輸入正弦信號電壓有效值為5mV時，在8電阻負載（一端接地）上，輸出功率5W，輸出波形無明顯失真。（2）通頻帶為20Hz20kHz。（3）輸

8、入電阻為600。（4）輸出噪聲電壓有效值V0N5mV。（5）盡可能提高功率放大器的整機效率。（6）具有測量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號輸入時)、直流電源的供給功率和整機效率的功能，測量精度優(yōu)于5%。2 低頻功率放大器的設(shè)計2.1 功率放大電路的主要特點基于輸出較大功率的基本任務(wù)，對功率放大電路的討論主要針對以下幾個方面： 1）大信號工作狀態(tài)為輸出足夠大的功率,功率放大電路的輸出電壓、電流幅度都比較大,因此， 功率放大管的動態(tài)工作范圍很大,功放管中的電壓、電流信號都是大信號狀態(tài)， 一般以不超過晶體管的極限參數(shù)為限度。 2）非線性失真問題由于功放管的非線性，功率放大電路又工作在大信號工作

9、狀態(tài)，必然導(dǎo)致工作過程中會產(chǎn)生較大的非線性失真。輸出功率越大，電壓和電流的幅度就越大， 信號的非線性失真就越嚴重。因而如何減小非線性失真是功率放大電路的一個重要問題。 3）提高功率放大電路的效率、降低功放管的管耗從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，功率放大電路提供給負載的交流功率是在輸入交流信號的控制下將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流能量而來的。任何電路都只能將直流電能的一部分轉(zhuǎn)換成交流能量輸出，其余的部分主要是以熱量的形式損耗在電路內(nèi)部的功放管和電阻上，并且主要是功放管的損耗。對于同樣功率的直流電能， 轉(zhuǎn)換成的交流輸出能量越多，功率放大電路的效率就越高。因為功率大，所以效率的問題就變得十分重要，否則，不僅會

10、帶來能源的浪費，還會引起功放管的發(fā)熱而損毀。2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計該低頻功率放大器有以下幾部分組成：（1）低頻功率放大模塊（2）數(shù)據(jù)采集顯示模塊（3）電源模塊2.2.1 低頻功率放大模塊：前置放大電路前置放大是采用差動放大電路。差動電路的優(yōu)點是放大倍數(shù)較高和可以克服溫度漂移。這里采用三個2N551三極管。其中最下面的2N551和兩個二極管構(gòu)成一組恒流源。理論上這組作為前置放大的差動放大電路電壓放大倍數(shù)可以達到40倍以上。這樣才能確保整體電壓放大倍數(shù)達到1260倍左右。電路圖如圖圖1所示。圖1 前置放大電路中間級放大中間級采用OP07運算放大器搭設(shè)的比例放大電路。放大倍數(shù)較大。通頻帶會較小。為了保

11、證20-20KHz的通頻帶，我們需要在這里采用負反饋來拉平通頻帶。在這里采用的是OP07精密運放。經(jīng)過調(diào)試，這組放大電路的放大倍數(shù)可以達到50倍以上。如圖圖2所示。圖2 中間放大級功率放大級在本設(shè)計中要求最小輸出為5W，而且要求功率盡可能大。輸入是小于5mV。整體電壓放大倍數(shù)為1260倍以上。我們采用HITACHI的2SK1058和2SJ162對管。以2SK1058為例，最大耗散功率為100W，最大漏源電壓為160V，最大漏極電流為7A。2SJ162與2SK1058除了管子類型不同，其他指標基本一致。用2SK1058和2SJ162對管作為末級輸出，最大輸出可以達到50W左右。如圖圖3所示。圖3

12、 功率輸出級4 儀用放大電壓電路部分由于要顯示輸出功率和總功率，我們采用電流采樣和電壓采樣電路來采樣所需要的電流和電壓，從而根據(jù)公式計算出輸出功率和根據(jù)算出總功率。其中電流采樣電路是采用在電路中串入0.1的功率電阻，然后采集電阻間的電壓差。但由于電壓差太小，我們這里是采用儀用放大電路（三運電路）來進行小信號精密放大。電壓采樣是采用電阻分壓的方式獲得交流電壓后，用二極管檢波和電壓跟隨器隔離后即獲得電壓數(shù)據(jù)。如圖圖4所示。圖4 儀用放大電路2.2.2 數(shù)據(jù)采集顯示模塊1 測量模塊測量部分采用A/D轉(zhuǎn)換電路來采集負載上的電流和電壓，然后將數(shù)據(jù)送單片機進行分析和處理，將結(jié)果送液晶顯示。單片機算術(shù)運算功

13、能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。如圖圖5所示。圖5 測量、顯示電路2 顯示模塊顯示部分采用液晶LCD1602，單片機按用匯編語言編寫好的程序中的執(zhí)行過程將A/D采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、計算顯示在LCD1602上。3 按鍵模塊由于獨立式按鍵電路配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線。在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費較大。故只在按鍵數(shù)量不多時，采用這種按鍵。按鍵的功能如下：（1）按鍵1：查看電源功率；（2）按鍵2：查看輸出功率；（3）按鍵3：查看效率。2.2.3 電源模塊由于單

14、片機需要+5V的電源供電，功率放大級的2SK1058和2SJ162對管需要+24V和 -24V的電源供電，所以電源電路我們是采用線性電源。我們將220V/50HZ的交流電經(jīng)過變壓器的變壓，二極管的整流，電容的濾波，穩(wěn)壓器7805、7812、7912的穩(wěn)壓來獲得+5V、+12V、-12V的直流電壓。我們由兩個+12V和-12V的線性來搭成+24V和-24V來供電。如圖圖6所示。圖6 電源電路2.2.4 各模塊方案選擇與論證2.2.4.1 低頻動率放大模塊1.信號前置放大級 方案一：采用分立元件組成放大電路。用小功率三極管組成差分放大電路作為輸入級。該電路的優(yōu)點是：共模抑制比高、性價比高。 方案二

15、：采用集成電路構(gòu)成。該電路的優(yōu)點是：電壓增益易調(diào)且高、電路簡單。根據(jù)題目要求需要低輸入電阻，高增益的前置放大級。方案一要求的性能相同的小功率三極管電路設(shè)計、計算相對復(fù)雜。而方案二具有更大的優(yōu)越性和靈活性，因此選用方案二。最終確定采用三極管2N5551搭成的差分放大電路 。2.中間放大級方案一：采用分立元件組成多級放大。用功率小三極管組成多級共射放大電路，性價比好。方案二：采用集成芯片和分立元件相結(jié)合組成多級放大。根據(jù)題目要求，放大器的通頻帶要寬，放大倍數(shù)大。方案一各放大級如直接耦合，各級的靜態(tài)工作點相互影響，難以設(shè)置；如采用電容耦合，通頻帶將受影響，放大倍數(shù)要達到要求，放大級數(shù)多，難以達到要求

16、。方案二采用集成芯片做一級放大，放大倍數(shù)易達到要求，設(shè)計易于實現(xiàn)，價比高。因此選方案二。3.功率放大級方案一：采用集成功率放大電路集成音頻功率放大器在要求不高的情況下可以完全滿足普通要求，且電路簡單方便，調(diào)試方便，體積很小，如TDA2030等，如圖圖7所示。但本設(shè)計要求不能使用集成功放。因此無法使用此方案。圖7 集成功率放大電路方案二：采用甲類功率放大電路甲類功率放大電路失真度最小，但整體電路效率最低，且功放管散熱問題較為嚴重。因此一般只用于輸入級或者中間級放大，不建議作為整個電路的末級放大。如圖圖8所示。因此在本設(shè)計中不采用此方案。圖8 甲類功率放大電路方案三：采用甲乙類互補對稱功率放大電路

17、甲乙類互補對稱功率放大電路是分立元件放大電路中，效率和失真度可以達到較為完美的折中。雖然存在交越失真，但可以通過給功放管增加適當?shù)钠秒妷?，可以減少交越失真。此電路在功率放大電路末級放大中使用最廣泛。如圖圖9所示。經(jīng)過比較，我們決定采用方案三來實現(xiàn)末級功率的放大部分。圖9 甲乙類互補對稱功率放大電路2.2.4.2 數(shù)據(jù)采集顯示模塊1.測量模塊方案一：輸出電壓經(jīng)分壓后用A/D直接采集計算由于輸出電壓較大，但A/D的基準電壓是5 V，所以必須利用分壓將電壓降到5V以內(nèi)進行測量。方案二：采用小阻值的采樣電阻對小阻值的功率電阻的兩端電壓差進行采樣，但由于電壓差太小，我們這里是采用儀用放大電路（三運電路

18、）來進行小信號精密放大。ADC0809是低功耗的用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時間100us，輸入電壓范圍為0至+5V。增加某些外部電路后，輸入模擬電壓為5V。 該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。ADC0809的外圍電路相對簡單，并且符合設(shè)計要求，因此采用此方案。 2、顯示模塊根據(jù)設(shè)計要求，需要顯示輸出電壓、電源供給功率、輸出功率和效率。 方案一： 使用液晶屏顯示。液晶顯示屏具有低耗電量、無輻射危險，可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等特點。方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。

19、數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、耐老化、防曬防潮、易于維護、操作簡單的特點。本設(shè)計要顯示的數(shù)據(jù)較多，方案二要求數(shù)碼管位數(shù)多、硬件焊接繁瑣、且顯示的數(shù)據(jù)易混淆。方案一使硬件電路簡單、數(shù)據(jù)顯示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用LCD1602液晶屏顯示。3、按鍵模塊方案一：行列式按鍵方案二：獨立式按鍵獨立式按鍵電路配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線。在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費較大。故只在按鍵數(shù)量不多時，采用這種按鍵。因為本系統(tǒng)只用到4個按鍵且I/O口夠用，所以采用方案二。2.2.4.3 電源模塊方案一：開關(guān)電源制作一個開關(guān)穩(wěn)壓電源，將220V市電經(jīng)過變壓，經(jīng)整流濾波后供電路使用。

20、此電源特點是體積小，但電路較為復(fù)雜。但功率開關(guān)MOSFET的控制是需要產(chǎn)生幾kHz以上及其諧波的震蕩頻率，此頻率容易對音頻功率放大器產(chǎn)生嚴重影響，故在音頻放大電路中一般不采用開關(guān)穩(wěn)壓電源。方案二：線性電源。同樣將220V市電經(jīng)過變壓，經(jīng)過橋式整流和濾波后再經(jīng)過7805、7812、7912穩(wěn)壓后輸出+5V、+12v、-12V的直流電源。此電源特點是體積較大，但電路簡單，除了50Hz的工頻外，一般無其他干擾頻率。在音頻放大電路中，電源一般是采用此方案。因此在本設(shè)計中，我們采用此電源方案。2.2.5 各模塊的最終方案確定經(jīng)過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1）前置放大級：采用2N5

21、51三極管組成的差動放大電路；（2）中間放大級：采用OP07運算放大器搭設(shè)的比例放大電路；（3）功率放大級：采用HITAHI的2SK1058和2SJ162對管做的甲乙類推挽放大電路；（4）測量模塊：A/D采集數(shù)據(jù)、單片機控制；（5）顯示模塊：LCD1602液晶顯示；（6）按鍵模塊：獨立式按鍵（7）電源模塊路：線性電源。2.3 電路的理論計算（1）求輸出最小電壓根據(jù)題意，輸出功率，負載,則故 （2）求放大器最小放大倍數(shù)根據(jù)題意，輸入最小電壓為5mv，則根據(jù)如上的分析和計算，我們可以知道該電路的設(shè)計總的電壓放大倍數(shù)必須大于1260倍，所以我們采取了兩級的電壓放大。前置放大級采用差動放大電路，中間放

22、大級采用運算放大器搭設(shè)的比例放大電路，兩級的放大倍數(shù)相乘可達到該設(shè)計電路的要求，而末級最主要是功率放大。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖圖10 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 測量顯示模塊軟件設(shè)計流程圖測量顯示模塊軟件設(shè)計流程圖如圖圖11所示圖11 主流程圖5 系統(tǒng)測試與調(diào)試5.1 測試儀器測試使用的儀器設(shè)備如表1所示。表1 測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量1YB1602信號發(fā)生器12DS1022C雙蹤示波器13UNI-T數(shù)字萬用表15.2 放大倍數(shù)的測試放大倍數(shù)測量：使用信號發(fā)生器接輸入端，用示波器測出最后一級的輸出電壓，根據(jù)公式（。測試數(shù)據(jù)如表2所示。表2 放大倍數(shù)的測定輸入信號前置放大

23、級電壓放大倍數(shù)中間級電壓放大倍數(shù)總電壓放大倍數(shù)輸出電壓輸出功率5mv8554402V0.25W15mv10515106.6V2.75W30mv104747012.5V9.75W40mv9.944.744515V14.1W5.3 輸入電阻的測試測試方法：給系統(tǒng)輸入端加不同的直流電壓，分別測輸入電流，按 計算輸出電阻。測試數(shù)據(jù)如表3所示。表3 輸入電阻的測定輸入直流電壓輸入直流電流輸入電阻5V8mA6259V14mA64312V198mA6065.4 通頻帶的測試根據(jù)通頻帶的定義，放大倍數(shù)下降到0.7時的低端頻率和高端頻率范圍稱為放大電路通頻帶。即：。測試方法：輸入一個正弦波，改變頻率，測量輸出電

24、壓，按計算放大倍數(shù)。測試數(shù)據(jù)如表4所示。表4 通頻帶的測試輸入信號峰值信號頻率下限頻率上限頻率通頻帶15mv1KHz3Hz3KHz2997Hz30mv1Kz3Hz2.7KHz2697HZ40mv1KHz3Hz2.2Hz2197Hz5.5 低頻功率放大器的測試電源供給的功率按公式 計算，輸出功率按公式計算，效率按公式。為最大不失真輸出信號的峰值。測試結(jié)果如表5所示。表5 低頻放大器效率測試供給直流電源電壓電源供給功率45.9W31.8W25.8W實際測量輸出功率16W17W18W測量效率34.9%53.5%69.8%6 結(jié)論與展望6.1 結(jié)論低頻功率放大器可以實現(xiàn)以下功能：（1）當輸入正弦信號電

25、壓有效值為5mV時（即峰峰值為7mv時，）在8電阻負載（一端接地）上，輸出功率為0.25W，輸出波形無明顯失真。（2）通頻帶為3Hz3kHz。（3）輸入電阻為600左右。（4）功率放大器的整機效率盡量提高。（5）具有測量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號輸入時)、直流電源的供給功率和整機效率的功能，測量精度優(yōu)于5%。6.2 展望由于時間和條件的限制，本系統(tǒng)也存在一些不足之處，可在今后的工作中改進。（1）當輸入信號為5mv時，輸出功率無法達到要求的大于等于5W；（2）通頻帶太窄；（3）輸出信號由過電阻分壓后經(jīng)二極管檢波后的信號太小，導(dǎo)致A/D無法采集到；（4）0.1的功率電阻兩端的電壓差經(jīng)過儀用放大器放大后，信號還是太小，導(dǎo)致A/D無法采集。致 謝通過這低頻功率放大器的制作，我深深的感覺到自己知識的不足，自己原來所學(xué)的東西只是一個表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現(xiàn)實中還存在有很多問題。設(shè)計一個很簡單的電路，所要考慮的問題，要比考試的時候考慮的多的多。所以，一開始，我遇到了很多麻煩。通過老師和同學(xué)們的幫助，我漸漸的有了眉目。這樣，