学士学位论文--低频功率放大器.doc

四川职业技术学院毕业设计四川职业技术学院毕 业 设 计题目：低频功率放大器系 别： 电子电气工程系 1专 业：电子信息工程技术1班 级： 08级电信1班 1姓 名： 刘海泉 1学 号： 081012041010 1指导教师： 刘 力 完成时间： 2011年5月 四川职业技术学院毕 业 设 计 （论 文）任务书 电子电气工程 系 电子信息工程技术 专业 3 年 级 1 班 学生 刘海泉 学号 081012041010 日期 2010年10 毕业设计(论文)题目 低频功率放大器 毕业设计(论文)内容与要求：一、任务设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。二、要求1基本要求（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。（2）通频带为20Hz20kHz。（3）输入电阻为600。（4）输出噪声电压有效值V0N5mV。（5）尽可能提高功率放大器的整机效率。指导教师 毕业（设计）论文综合评定表指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师(签名) 年 月 日答辩小组对毕业设计（论文）的答辩评语：总评成绩：答辩小组负责人（签名） 年 月 日学生毕业设计答辩情况记载表论文题目： 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 答辩时间： 记录人： 答辩小组成员姓 名专业技术职务或职称签 字答辩小组提出的主要问题及学生回答问题情况（至少3个问题） 答辩小组组长签名：目 录1、前言.62、摘要.83、系统设计要求.94、系统方案分析及设计.105、硬件电路设计.126、电压放大电路的设计187、功率放大电路的设计.208、低频功率放大器总图219、整体电路仿真测试结果.2210、参考文献.251、前 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有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不断发展，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）和集成电路功率发起（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，而离散型极小，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，其缺点是输出变压器、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，很容易减小到0.05%一下。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、新能优越、保护功能齐全等。由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。现今功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备，还广泛应用于控制系统和测量系统中。然而低频功率放大器已经是一个技术相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识上都取得了长足的进步。目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多，典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514。这些优质功放体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作、易调试。最近，一种应用砷化钾MESEET制成的功率放大器MMIC，在移动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.53.48平方毫米的MMIC输出功率可达到1.1W，工作频率达950MHZ。本文给出一种简单实用、制作成本低廉的实用低频功率放大器的设计方案，并给出实际测试结果。功率放大可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由分立元件组成功率放大器，如果进行精心的设计，则在效果和失真方面更优越于集成的，价格方面便宜一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时，元件性能就不能很好的表现出来，制作调试比较困难。从电路的简单性和易调性，集成电路更好些。 2、 摘 要 本系统采用两只MOS配对场效应管组成OCL低频功率放大电路，信号失真小，整机功耗低，电路频带宽。采用高性能低噪声集成运放OP37担任前置电压放大级和功率驱动激励级，具有较高的电压增益和足够的带宽。 3、 系统设计要求 设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管。 基本技术指标:（1）输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。 （2）通频带为20Hz20kHz。 （3）输入电阻为600. （4）输出噪声电压有效值Von5mV。 （5）尽可能提高功率放大器的整机效率 4、 系统方案分析及设计 设计分析：题目要求输出功率大于5W，本题是采用OCL电路。以三极管的推导为例：（1）放大倍数的确定：P0=Icm/*(Uom/) =1/2*(Icm*Uom) =1/2*(U2om/RL)因 P0=5W RL=8欧姆所以Uom=9V有效值Uo=9/=6.4V=6400mv Io=Uo/RL=6.4/8 =0.8A总的放大倍数不低于：Av=6400/5=1280（2）工作电源的确定： 峰峰值：Uomm=2*Uom =2*9 =18V Uomm=Vcc-2Uce(sat)Vcc=Uomm+2Uce(sat)=18+2*0.3=18.6V所以工作电源不低于 18.6V（3）变压器的选择： 输入电流 IinIo 变压器的次级电压 : V2=Vcc/ =18.6/1.414 =13.5V 变压器的输出功率不低于：P2=V2Io=13.50.8=10.6W 所以变压器选为输出功率为20W，输出双12V电压5、硬件电路设计 方案论证与比较 （1）功率放大器的方案论证与选择 方案一：采用D类功率放大器。D类放大器功耗小，使用寿命长，效率特别高，高达85%以上，该种电路采用阻值小的电子器件就可以制造出很大功率的音频放大器。 方案二：采用OCL类功率放大器。OCL功放电路定压式输出电路该电路采用两组电源供电，使用了正负电源，在电压不太高的情况下，也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。使放大器低频特性得到扩展。 方案三：采用AB类功率放大器。AB类放大器的晶体管的导通时间稍大于半周期,必须用两管推挽工作.可以避免交越失真.交替失真较大,可以抵消偶次谐波失真.有效率较高,晶体管功耗较小的特点.综合考虑，本设计采用OCL类功率放大器实现题目的要求，所以我们决定采用方案二。（2）采用OCL类功率放大器实现题目的要求的论证方案：a 低噪声问题设计要求输出噪声电压有效值低于5mv，因此前级放大电路要选用OP37型低噪声运放。并采用同相无对地电阻的反相放大电路，使电路中的噪声源电阻的数量达到最少，以最大限度地获得低噪声。b 灵敏度问题由于信号至少需要被放大一千多倍。考虑到运算放大器的放大倍数和通频带的关系，所以放大电路采用两级放大。c 高保真问题功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，有效克服了普通甲乙类推挽放大电路的交越失真问题。d 提高效率的问题运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压，最大限度地提高了电源电压的利用率，也就是功率放大器的效率。e 电源方案将稳压前的电压作为运算放大器的电源，稳压后的12V提供给功率输出级，这样就在获得两套对称电源输出的同时，最大限度地简化了电源结构。f 整机系统方框图我们设计的低频功率放大器主要由前级低噪声放大电路、中级信号放大电路、功率放大电路及电源电路.前级放大电器中间放大级功率放大电源g 提高功率放大器效率的措施、 大功率MOS场效应管具有很低的饱和压降，如2RF630场效应管在大电流(ID=2A)时的饱和压降UD=0.1V。所以用MOS场效应管组成的对称互补型功率输出电路，输出电压可以很接近电源电压，也就是可以很接近70%的理想输出效率，如下图c中场效应管组成的对称互补型型功率输出级的输出电压与电源电压之间的关系。、 但作为推动级的运算放大器TL084的输出电压明显不能达到轨到轨的水平(见图中运放的最大输出电压)，而且由于功率输出级存在内阻，使功率输出级的输出电压又明显小于推动级运放的输出电压(见图中a、a和c、c之间的关系)，从而使功率输出级的输出电压明显不能接近电源电压，功率输出级的效率因此不能得到充分发挥。若强制增大推动级运放的输出电压，将会出现失真(见图中b、b之间的关系)。、我们提高功率放大器效率的措施是：采用推动级运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压的方法，创造运算放大器TL084的输出电压可以显著大于功率输出级最大输出电压的条件。如上图所示推动级运放的输出电压与电源电压之间的关系，从而最大限度地提高了功率输出级对电源电压的利用率减小失真的措施、推动级运算放大器因纠正功率输出电路非线性失真的需要和功率输出电路自身输出阻抗的原因，推动级比例运算放大器在正常放大时，输出电压会明显大于功率输出的电压；从而使其阻碍功率输出效率的作用更加显著，如图A所示： 、我们提高功率放大器效率的措施是：采用运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压的方法，创造运算放大器TL084的输出电压可以显著大于功率输出级最大输出电压的条件。如上图B所示TL084的输出电压与电源电压之间的关系，从而最大限度地提高了功率输出级对电源电压的利用率。防自激的措施：由于本音频功放的电压放大倍数大，所以电路很容易自激。我们采取两套措施来解决自激问题：第一、 对前置放大器的电源进行滤波，以减小前后级放大器之间的交流耦合，如图所示两个1K的电阻和两个100uF的电容组成的滤波电路。由于前置放大器不会有大的输出电压，所以，该滤波电路虽然降低了前置放大器的电源电压，却不会影响整机的输出电压动态范围。第二、让负载的大电流完全不通过信号回路。 （3）稳压电源的方案论证与选择 方案一：采用二极管并联型稳压电源。本方案的核心器件是稳压二极管，其优点是稳压电路简单，成本低，但其输出电压不高，而且稳压管的稳定性受温度影响较大，稳压效果差，只适用于小功率的电路。 方案二：采用三极管串联调整型稳压电源。本方案的核心是基准源和大功率三极管，其优点比稳压二极管型稳压电源的输出功率大，电压、电流的调整率大；但其体积大，重量重，效率低，电压调整范围窄，电路较复杂。 方案三：采用三端集成稳压器。本方案的核心器件是三端集成稳压器，其优点是稳压性能非常好，稳压块内部还有设有过流保护和过热保护等电路，温度特性也非常好，使用安全可靠，电路简单，纹波系数小。而且价格低廉等特点。在市场上78xx系列稳压器容易购买到，在功率较小的电路得到广泛应用。 综上所述，经过论证，我们选择方案三制作低频功率放大器的电源电路，本设计的供电系统采用了自行设计的直流稳压电源，该稳压电源以最简单的结构为本设计提供了2套电源。6、电压放大电路的设计前级放大和中级放大电路均由同相放大电路组成 本设计电路前级放大31倍，中级放大电路为61倍，总的放大倍数为1891, 足够满足设计要求。各元件参数的确定：设R12为1K，则 Av1=(1+R15/R12)=31所以R12=30k平衡电阻 R2=R15=30K同理 设R5=3k, 则 R6=180K 平衡电阻 R14=R6=180K电容的参数： C4决定的下限频率是FL2FL2=1/(23.14*C4*R2) FL2=20Hz所以 C4=1/(23.142030103)=0.3uF 实际应用中C4取值为1uF C1决定的下限频率是 FL1 FL1=1/(23.14*C1*R12) FL1= FL2/10=2Hz 所以算出 C1=79uF 实际应用中C1取值为82uF 同理 C5=47nF C6=27uF 图中的电位器与R3串联分压，可调节整个电路的增益。7、功率放大电路的设计功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，末级功放管采用分立的大功率互补对称的场效应晶体管IRF523、IRF9131（实际应用中用2RF630、2RF9630），本设计给功放输出供双12的工作电源，基本都满足场效应管，电流要大于2A。如图所示一般电路的反馈采样点选在运放的输出端，而本设计中选取在功率输出端，负反馈功能来改善功率输出级的波形（克服交越失真）。末级功率放大电路工作在甲乙类状态，静态工作电流15mA到20mA左右，即工作正常。图中的两个电容（一般为几十个微法）和R7、R11构成了自举电路改善波形的平顶失真，两个电位器是调节两个MOS管的静态电流。因为负载是扬声器，也就是感性负载。电流滞后电压，故采用电阻与电容串联之后并接在负载上对负载起相位补偿的作用，R12的阻值要大于负载的阻值，但不能过大。8、低频功率放大器总图9、整体电路仿真测试结果（1）通频带的测试：U有效7.07Vf(Hz)2 6 11205K10K15K20K50K100K140K(V)457.077.077.077.077.077.076.85.85（2）输入电阻的测试：测量方法：不接负载，断开电源，在功率放大电路输入端之前串接一个600欧的电阻R，在此外接电阻之前输入电压有效值为5mV正弦信号，用示波器测量外接电阻端的信号电压有效值和原输入端的信号电压有效值。测量结果：测得5mV，2.5mV，根据可求得600（3）输出噪声电压的测试：测量方法：将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值测试结果：2.707PV5mV。（4）波形图：蓝色波形图为信号输入的波形（B通道），红色为功率放大级输出波形(A通道)。 福特表输出的是电压有效值为 7.707V（5）用瓦特表测试输出的功率为 6.262W。10、考文献（1）电子技术基本技能综合训练 王成安 人民邮电出版社 （2）电工与电子技术 汪临伟 廖芳 清华大学出版社（3）高保真影响设计制作 吴文波 电子工业出版社（4）数码影响产品单元电路应用与维修 韩光兴 人民邮电出版社（5）模拟电子技术 胡晏如 耿苏燕高等教育出版社（6）集成运放应用电路设计360例 王昊 李昕 电子工业出版社附加：带阻滤波器器设计实际电网产生的50Hz工频干扰是机械发电机产生的，其频率是不够精确和稳定的，会在49.550.5Hz范围内波动。常规陷波器对陷波频率衰减的幅频特性曲线很尖锐，不利于衰减50HZ附近的频率，如图3(a)中曲线A所示。针对这种缺陷，我们调整了陷波器的参数(将R3由典型值的16.5K改为22K)，使陷波器的幅频特性曲线改变成了如图3(a)中B所示的形状，使其对50HZ附近的频率的衰减特性大大改善。图3(a) 陷波器幅频特性曲线针对设计要求的阻带频率范围为4060Hz，且在50Hz频率点输出功率衰减6dB，我们设计了Q值可调、衰减幅度可调的功能，如图3(b)所示。经调试，电路的参数完全达到了理论设计要求。 图3(b) 阻带滤波器26