【低頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作4900字（論文）】

低頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作摘要本文介紹了制作低頻功率放大器的基本原理、具體內(nèi)容、相關(guān)的技術(shù)知識(shí)。同時(shí)介紹了整個(gè)電路由前置放大器、波形變換電路、穩(wěn)壓電源以及功率放大器四個(gè)組成部分組成，根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求：電壓放大倍數(shù)為1，放大器的增益閉環(huán)是0，進(jìn)行設(shè)計(jì)低頻功率放大器，在設(shè)計(jì)過(guò)程中電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所選器件便宜，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)的低頻放大器符合設(shè)計(jì)要求，在失真率以及效率等方面具有較好的指標(biāo)，實(shí)用性較強(qiáng)，為低頻放大器的設(shè)計(jì)提供了一定的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：低頻功率；前置放大；帶阻濾波器目錄TOC\o"1-3"\h\u234981引言 1136572功率放大器的基本介紹 177872.1功率放大器的工作原理 1178942.2功率放大器的分類 270632.2.1根據(jù)工作頻率高低分類 265412.2.2根據(jù)功率管的偏置工作狀態(tài) 3143963低頻功率放大器的設(shè)計(jì) 444553.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 4106103.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)指標(biāo) 5279343.3電路設(shè)計(jì) 5233893.3.1電壓放大電路設(shè)計(jì) 537873.3.2功率放大電路 5154103.3.3帶阻濾波器電路設(shè)計(jì) 6221103.3.4轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 6297973.3.5顯示電路顯示電路的設(shè)計(jì) 665544結(jié)束語(yǔ) 67501參考文獻(xiàn) 71引言低頻功率放大器在我們的日常生活扮演者重要的角色，我們使用的電子產(chǎn)品的音響都會(huì)裝有低頻鞏固率放大器這樣的設(shè)備，同時(shí)在控制系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域都有較廣泛的使用，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)研究與發(fā)展，低頻功率放大器有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，具有了成熟了技術(shù)線路，同時(shí)在思想認(rèn)識(shí)上也有了進(jìn)步，盡管這樣，隨著無(wú)線通訊的飛速發(fā)展，無(wú)線收發(fā)器作為無(wú)線通信里的核心部分，人們對(duì)它的要求越來(lái)越高，需要更低的功耗、更高的效率還要體積越來(lái)越小，但是功率放大器作為收發(fā)器的最后一級(jí)，但是消耗的功率是整個(gè)收發(fā)器功率的60%～90%，這樣對(duì)系統(tǒng)的性能具有很大的影響，因此需要設(shè)計(jì)一種高效低頻低功耗的功率放大器對(duì)于提高收發(fā)器的性能有著至關(guān)重要的作用。本文就是針對(duì)目前功率放大器的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。2功率放大器的基本介紹2.1功率放大器的工作原理功率放大器的輸入端輸入一定的輸入信號(hào)后，經(jīng)過(guò)放大電路一級(jí)一級(jí)地放大，在輸出級(jí)得到一定數(shù)值的被放大功率的信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在各類聲頻、視頻電子產(chǎn)品中，功率放大器都是不可缺少的一部分。功率放大器一般是由前端輸入級(jí)、中間放大級(jí)、功率輸出級(jí)幾部分構(gòu)成的。直流電源只能提供直流能量，但是輸出級(jí)輸出給負(fù)載的是交流能量，所以就要在放大電路中實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。這些直流能量需要在輸入交流信號(hào)的控制下被轉(zhuǎn)換為交流能量。實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)，功率放大電路也是一種能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換電路。在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，只是將直流電源提供的一部分直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量進(jìn)行輸出，其余部分的能量就以熱量形式耗散在電路內(nèi)部的晶體管或是電阻上了?？傮w來(lái)說(shuō)，放大電路遵循能量守恒的原則。功率放大電路不同于其他放大電路的一點(diǎn)是，功放不是只將電壓進(jìn)行幅度地放大或是將電流進(jìn)行幅度地放大，而是在電源的電壓保持一個(gè)固定數(shù)值不變的情況下，將電壓電流乘積也就是功率，盡可能地進(jìn)行放大，以便可以驅(qū)動(dòng)更多的負(fù)載。在實(shí)際應(yīng)用中，功率放大器一般采用兩級(jí)放大或是三級(jí)放大。兩級(jí)放大原理框圖如圖2.1所示：圖2.1功率放大器兩級(jí)放大示意圖三級(jí)放大原理框圖如圖2.2所示：圖2.2功率放大器三級(jí)放大示意圖在本次功率放大器的電路設(shè)計(jì)中，采用了兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)。2.2功率放大器的分類2.2.1根據(jù)工作頻率高低分類根據(jù)工作頻率高低，功率放大器分類可分為低頻功放、高頻功放和射頻功放。（1）低頻功率放大器低頻功率放大器就是通過(guò)放大電路將低頻信號(hào)的功率進(jìn)行放大，輸出更大的功率信號(hào)。在生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在音響設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域，是音響等電聲設(shè)備的重要組成部分，是音響設(shè)備能夠輸出高音質(zhì)的保證。低頻功率放大器是模擬信號(hào)處理電路中的基本單元，通常，低頻功率放大器有兩種組成方式，一種是由分立器件組成，另一種是集成電路組成。分立器件組成的功放安裝調(diào)試不便，但是易于安裝，功率大，在效率、失真度方面具有優(yōu)勢(shì)。集成功率放大器同樣既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是體積面積小、合格率高、功能多、線路組合標(biāo)準(zhǔn)化等方面，缺點(diǎn)就是可承受的功率相對(duì)較小。要想承受較大的功率，就要在外部接入功率管。高頻功率放大器高頻功率放大器是針對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大，當(dāng)信號(hào)的頻率沒(méi)有達(dá)到規(guī)定數(shù)值，在發(fā)射設(shè)備中不足以發(fā)射出去的時(shí)候，就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。根據(jù)高頻功放工作頻率高、相對(duì)頻帶寬度小等特點(diǎn)，主要將其應(yīng)用在各種無(wú)線電的發(fā)射機(jī)中。高頻功率放大器有窄帶功放和寬帶功放兩種類型，這種類型是根據(jù)功放的工作頻帶的寬窄進(jìn)行劃分的。窄帶高頻放大器的輸入級(jí)要實(shí)現(xiàn)選頻濾波功能，所以采用選頻電路最為輸入級(jí)，因此窄帶高頻也稱為調(diào)諧功率放大器。這種類型的功放適合固定頻率或者頻率變化范圍較小的高頻設(shè)備。寬帶高頻功率放大器是由非諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的放大器，在很寬的波段內(nèi)工作時(shí)不需要調(diào)諧，故又可稱之為非調(diào)諧功率放大器。射頻功率放大器射頻功率放大器就是將射頻信號(hào)進(jìn)行放大的放大器，主要是應(yīng)用在無(wú)線發(fā)射機(jī)中。前級(jí)輸入信號(hào)的功率往往很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)送信號(hào)所要求的功率，只能將輸入信號(hào)進(jìn)行放大，直至滿足發(fā)送要求。射頻功率放大器的工作電壓較小，線性度高，還具有較低的噪聲，在衛(wèi)星通信等各種工業(yè)裝備中都有著非常廣泛的應(yīng)用。射頻功率放大器輸出中的諧波分量應(yīng)該越小越好，不然在發(fā)送過(guò)程中會(huì)對(duì)其他頻道的信號(hào)產(chǎn)生干擾。2.2.2根據(jù)功率管的偏置工作狀態(tài)分類根據(jù)功率管的偏置工作狀態(tài)分類可分為A，B，AB，D類放大器，前三類為線性放大器，第四類為開(kāi)關(guān)放大器。四類放大器各有優(yōu)缺點(diǎn)。A類功率放大器A類放大器，就是我們所說(shuō)的甲類放大器，電流導(dǎo)通角為360°，電流在一個(gè)整的周期內(nèi)不間斷地流過(guò)全部的輸出器件。A類功放電路將負(fù)載R直接接在放大器源級(jí)上，如圖2.3所示。圖2.3A類功率放大器A類功率放大器的電流在整個(gè)的周期內(nèi)在電路中不間斷地流過(guò)，雖然不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)失真和交越失真，使放大器具有較低非線性失真的優(yōu)勢(shì)，但會(huì)造成能量的損耗。即使在輸入信號(hào)為零的時(shí)候，電路中也存在靜態(tài)電流，這些靜態(tài)電流就會(huì)完全地在電路的元器件上消耗掉，最后以熱量的形式散發(fā)出去。在輸入信號(hào)不為零的時(shí)候，一部分功率就會(huì)傳送到給負(fù)載上，作為輸出功率輸出出去。這樣看來(lái)，A類功率放大器會(huì)由于沒(méi)有輸入信號(hào)輸入或是只有間斷的輸入而處于長(zhǎng)時(shí)間的等待狀態(tài)，功率損耗是很大的，效率最高也只能達(dá)到50%。另外，由于電路中會(huì)有大量的熱量耗散，所以在實(shí)際應(yīng)用中，還必須添加散熱裝置。這樣的話，一方面增大了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，另一方面也增大了成本。為了解決A類放大電路中存在的缺陷，對(duì)電路結(jié)構(gòu)稍加改造，設(shè)計(jì)出了B類功率放大器。B類功率放大器B類放大器，也稱為乙類放大器，晶體管導(dǎo)通角為180°，在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)輸出器件。B類放大器的輸出部分采用了兩個(gè)對(duì)稱的管子，這兩個(gè)管子通過(guò)推挽方式輸出功率。用兩個(gè)管子輸出功率，每一個(gè)管子的導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期。當(dāng)輸入信號(hào)大于正的導(dǎo)通電壓時(shí)，M1管導(dǎo)通，M2管截止，電流通過(guò)M1管流入，輸出為正半周期。當(dāng)輸入信號(hào)小于負(fù)的導(dǎo)通電壓時(shí)，M1管截止，M2管導(dǎo)通，電流通過(guò)M2管流入，輸出為負(fù)半周期。兩個(gè)管子推挽輸出，輪流進(jìn)行工作，使負(fù)載上可以加載到整個(gè)周期的輸出波形。與A類功率放大器相比，B類功率放大器在沒(méi)有輸入信號(hào)輸入時(shí)，電路中沒(méi)有電流存在，也就不會(huì)產(chǎn)生不必要的能量損耗，可以大幅度地提升放大器的工作效率。B類功率放大器的效率能達(dá)到78.6%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A類功放。當(dāng)然，B類放大電路的設(shè)計(jì)也存在著一定的缺點(diǎn)。由于采用了兩個(gè)對(duì)稱的管子進(jìn)行推挽式輸出，那么當(dāng)一個(gè)管子導(dǎo)通另一個(gè)管子截止時(shí)，就會(huì)存在一定的過(guò)渡時(shí)間，這樣就會(huì)導(dǎo)致較大的交越失真。3低頻功率放大器的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)低頻功率放大器系統(tǒng)的組成分別是電壓放大電路、濾波器、功率放大電路、輸出級(jí)電路還有人機(jī)接口顯示電路等五個(gè)部分組成，在該設(shè)計(jì)中要求電壓放大倍數(shù)為1，放大器的增益閉環(huán)是0，因此采取兩級(jí)放大電路為低頻功率放大器提供較大的輸出功率，同時(shí)選用帶阻濾波器對(duì)40～60Hz的信號(hào)衰減，進(jìn)而通過(guò)功率放大器進(jìn)行放大功率，經(jīng)過(guò)功率放大之后在對(duì)其進(jìn)行顯示設(shè)計(jì)，最后通過(guò)穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的直流電，設(shè)計(jì)出低耗、實(shí)用、廉價(jià)的低頻功率放大器。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)指標(biāo)本文中設(shè)計(jì)的低頻功率放大器的主要功能是：用開(kāi)關(guān)將信號(hào)源提供的正弦波弱電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，工作方式是先將電壓進(jìn)行放大，在將功率進(jìn)行放大，進(jìn)而為等效負(fù)載電阻提供一定的輸出功率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中有很多技術(shù)指標(biāo)，主要的技術(shù)指標(biāo)有：額定輸出功率POR：當(dāng)輸出信號(hào)失真度小于一定的規(guī)定值時(shí)，額定的負(fù)載電阻上最大的功率。帶寬BW：低頻功率放大器的正常頻率范圍。非線性是真系數(shù)：在額定輸出功率POR下和一定的帶寬BW內(nèi)，輸出信號(hào)的非線性失真程度。噪聲電壓：當(dāng)?shù)皖l功率放大器的輸入值為零的時(shí)候，負(fù)載上的電壓值。效率η：負(fù)載上輸出的額定功率POR與消耗的電源功率PDC之比。3.3電路設(shè)計(jì)3.3.1電壓放大電路設(shè)計(jì)電壓放大電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要單元，電壓放大電路的主要作用是將小信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)這種運(yùn)放的高速轉(zhuǎn)換性能可以改善電路的瞬態(tài)性能，這樣在較寬的帶寬下，信號(hào)就可以在不同程度的頻段也可以不失真地輸出，極大地提高了電路的穩(wěn)定性。在電壓放大電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中前置放大是由兩級(jí)NE5532和外圍電路構(gòu)成，NE5532的優(yōu)點(diǎn)是精度高、噪聲低、阻抗高、頻帶寬，而其他的各級(jí)放大電路采用固定增益和輸出衰減組成，電壓的放大倍數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電路增益達(dá)到。3.3.2功率放大電路在允許的失真限度內(nèi)，高效率的向負(fù)載提供足夠大的功率這是功率放大器的主要作用，功率放大電路的理論基礎(chǔ)、工作狀態(tài)、電路的形式等都與電壓放大電路的設(shè)計(jì)不同。功率放大電路的主要結(jié)構(gòu)元件是NE5532、IRF530、功率末級(jí)的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管IRF9530，這三個(gè)元器件對(duì)管的特性要求大致一致，這樣就可以減小功率放大器的失真現(xiàn)象，IRF530的主要任務(wù)是放大電路，放大倍數(shù)是R3/R1，NE5532的腳1和腳8接到調(diào)零電阻上，腳5和腳8之間接到補(bǔ)償電容上，這樣就可以彌補(bǔ)運(yùn)放過(guò)程中產(chǎn)生的零漂和減小失真現(xiàn)象。3.3.3帶阻濾波器電路設(shè)計(jì)帶阻濾波器的主要作用是可以消除50Hz交流電所引起的干擾，該設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的是反相型帶通濾波器組成的帶通濾波器，反相型帶通濾波器以及加法運(yùn)算放大器主要是有2個(gè)OP07構(gòu)成，主要的工作流程是反相型帶通濾波器輸出的是輸入信號(hào)反相帶通信號(hào)，進(jìn)而輸入信號(hào)與加法運(yùn)算放大器相加，得到了帶阻信號(hào)。二階帶阻濾波器的性能的好壞是由中心角頻率系數(shù)和帶阻濾波器的品質(zhì)因素Q決定。3.3.4轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)主要采用的器件是單片機(jī)內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用單片機(jī)內(nèi)部10位AD轉(zhuǎn)換器處理的效果不是很理想，通過(guò)再次研究決定采用兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)負(fù)載輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，在液晶顯示屏上顯示出功率和效率。3.3.5顯示電路顯示電路的設(shè)計(jì)采用的器件是12864液晶顯示屏，顯示屏主要顯示輸出的功率、直流電源供給的功率以及整個(gè)功率放大器的效率，采用這種液晶顯示屏的優(yōu)點(diǎn)是屏幕的反應(yīng)速度快、較高的對(duì)比度以及低功耗。人機(jī)之間的交互可以良好的進(jìn)行，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用串口連接，在單片機(jī)的控制下按照規(guī)定要求進(jìn)行顯示固定格式的數(shù)據(jù)或者字符等信息。4結(jié)束語(yǔ)隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品在人們的日常生活中扮演著重要的角色，低頻功率放大器作為電子產(chǎn)品的重要元件，其質(zhì)量的好壞、性能的高低直接影響了電子產(chǎn)品的使用效果，本文中詳細(xì)介紹了一種簡(jiǎn)單實(shí)用、性能較高、功耗較低、價(jià)格低廉的低頻功率放大器的設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)過(guò)程中滿足了輸出的波形沒(méi)有明顯的失真，電壓放大倍數(shù)為1，放大器的增益閉環(huán)是0的要求，并最大限度的挖掘單片機(jī)的資源，進(jìn)而功率放大器設(shè)計(jì)的需求，通過(guò)測(cè)得發(fā)現(xiàn)該電路具有很好的頻率響應(yīng)特性，功率放大器對(duì)低頻信號(hào)具有較好的放大作用，符合實(shí)際使用過(guò)程中的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)價(jià)格低廉，只需要幾十元，可以被電子產(chǎn)品、音頻功率放大器廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]董海青.集成電路發(fā)展概述[J].科技信息，2011（32）：477-478.[2]黃亮，章國(guó)豪，張志浩，李思臻.一種帶有溫度補(bǔ)償電路的射頻功率放大器[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，(06)：814-817．[3]薛青.無(wú)晶圓廠芯片設(shè)計(jì)公司商業(yè)模式調(diào)整的研究[D].上海：上海交