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功率放大电路

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广东海洋大学

模拟电子技术课程设计报告

题 目： 实用低频功率放大器
设计人员：林广海 （仿真与实验）
其他组员：李瑞龙、林天贵
学 号：201611911516
班 级：电科1165
指导教师： 徐国保
日 期：2017 12.11-12.15

一． 课题名称：
实用低频功率放大器
二．设计任务与要求
（一）基本要求
1、在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：
① 额定输出功率POR≥2W；
② 带宽BW≥（50～10000）Hz；
③ 在POR下的效率≥45%；
2、自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
（二）一般要求：
1．综合运用电子技术课程中所学的理论知识完成课程设计。
2．通过查阅手册和文献资料，提高独立分析和解决实际问题的能力。
3．熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。
4．学会电子电路的分析、调试及安装技能。
5．进一步熟悉电子仪器的正确使用。
三、方案选择与论证
本次实验的系统原理框图如下：
外供正弦
信号源
弱信号前置
放大电路
功率放大
电路
自制稳压
电源
8欧姆
负载

其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务；直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量．由于方波中含有丰富的高次谐波分量，波形变换电路提供方波，可通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标，保护电路可以有效地保护负载不过载，对功率放大器也有一定的保护作用。
该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。

1、 弱信号前置放大电路
方案:弱信号前置放大电路可以采用集成运算放大器构成的前置放大器,也可以采用专用前置放大器IC构成，从经济方面考虑本设计采用的是集成运算放大器方案，符合低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路的集成电路有：LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等很多。
本系统设计选用NE5532，因为同众多的运放相比, NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能, 被称为“ 运放之皇” 。这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能, 较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出, 使电路的整体指标大大提高。
在该实验中，为简化电路结构，我们采用NE5532反相比例放大电路来实现对输入电压的放大。

2、功率放大电路
方案一： 功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。如果电路选择得好，参数选择恰当，元件性能优良，设计和调试的好，则性能也很优良。 在分立元件组成功率放大电路中由三极管、二极管、电阻、电容等器件组成的核心电路，提供了自由调整的余地。但分立元件组成的功率放大电路只要其中一个环节出现问题，则性能会低于一般集成功率放大电路。而且为了不致过载、过流、过热等损坏元件，需要加以复杂的保护电路。
方案二：采用OTL 功率放大器，该放大器采用TDA2030音频放大器芯片，TDA2030音频放大器电路是最常用到的音频功率放大电路，TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为10~1400Hz,输出电流峰值最大可达3.5A，其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠，采用正输出单电源供电。

最终方案：
根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。集成功率放大电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。所以通过各方面的比较，本实验的功率放大部分决定采用方案二。

四．方案原理图
弱信号前端放大电路图：

电路详解：该电路的输入端是最左边的R1电阻，输出端是集成运放NE5532的①端口，反馈网络由R3和R1构成。在该放大电路中，电压增益取决于R1与R2。图中的信号发生器和示波器主要是用来检测

电路设计是否达到要求。
测试结果如下图所示：

经过Multisim仿真测试，电压增益Au=10，可以达到预期的设计效果。
功率放大电路图：

电路详解：如图所设计的电路，在一般实际的音响功放中，会有两个如上图所示的相同结构，它们构成镜像接法，即所谓的双声道结构，在本设计中，为方便模拟运行，只采用单声道模式。电路由正负12V直流电源供电，信号的输入端是最左边的（22uF电解电容），输出部分是最右边的（R5，8欧姆负载）电路整体可以理解为采用集成件的OCL电路）。
经测试相关的数据如下：

经Multisim仿真测试，带宽BW > (50-10000)Hz,电压幅度较低时效果良好，无失真现象，但电压幅度达到700mV时，信号稍微出现底部和顶部失真现象，未能达到理想效果；额定输出功率P=0.59A*4.73V=2.8W > 2W,符合要求。
自制稳压电源：

直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量，根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求，需要稳压电源输出的两种直流电压即±12V。因三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点，本设计中采用三端稳压电路，电源经4700uF电解并并上1uF电容依次滤掉各种频率干扰后输出, 输出电压直流性能好, 实测其纹波电压很小。
主要元件列表：
弱信号前置放大电路：
1、NE5532
•小信号带宽：10MHZ
 •输出驱动能力：600Ω，10V有效值
 •输入噪声电压：5nV/√Hz(典型值)
 •直流 电压增益：50000
 •交流电压增益：2200-10KHZ
 •功率带宽： 140KHZ
 •转换速率： 9V/μs
 •大的电源电压范围：±3V-±20V
 •单位增益补偿
功率放大电路：
1、TDA2030
•外接元件非常少。
•.输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。
•.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。
•开机冲击极小。
•内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路、过热、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）、负载泄放电压反冲等。

2、1N4001
自制稳压电源：TRANSFORMER_CT_RATED、1B4B42、LM7818、LM7812
五．电路调试
整个系统在调试时，分部分调试，首先是前置放大电路的调试，然后是功率放大器的调试，出现的问题解决后再进行稳压电路的调试。
经过日日夜夜的调试论证，由于各种的原因，我们所设计的这个方案还是有诸多的问题，在一些细节方面没能达到要求，遇到的问题有：
1、输入信号波形失真；
2、输入频率和输入电压过高出现仿真错误；
3、有些元件在Multisim没能找到；
4、地线的不当处理对实验结果影响很大；
六．收获体会
在没有经过期末洗礼的现在让我去设计调试一个功能比较完整的电路图真是太折磨人了。在我们的小组中，我是负责调试哪一块的，模电基础不好的我刚开始还真是没一点的头绪，自能按着同伴给出的电路图在Multisim把各个组件拼接在一起，然后运行进行模拟，然而发现行不通，还是得参考各种资料，把电路图中各个元件的作用琢磨个遍，然后边模拟，边和组员讨论如何解决遇到的问题。整套过程下来，起码对模电的基础知识有了比较清晰的了解，而却掌握了Multisim的基本操作。这些还使我发现了模电配合Multisim这类的仿真软件太有趣，估计把模电和电路这两门课学好，能模拟出一些有趣的实验，甚至是可以制作出成品来，总之好好学习吧！
七．参考文献
[1] 童诗白.模拟电子技术基础
[2] 王骥.模拟电路分析与设计
[3] 丘关源.电路
[4] 彭介华.电子技术课程设计指导
[5] 毕满清.电子技术实验与课程设计
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