低频功率放大器.doc

电子系统设计报告

湖北民族学院科技学院
信息工程学院

电子系统设计报告

设计名称：低频功率放大器

专业班级 K0312418
学 号 K031241817
姓 名 刘海
指导教师 谭建军
电子系统设计报告
实验一：设计低频功率放大器
1、 设计低频功率放大器，带宽：20HZ-20KHZ，输出功率0.5W，效率：65%，无明显失真。
2、 用EWB仿真。
3、 搭建电路系统，测试设计主要参数。
4、写出设计报告。

重点:功率放大器设计方法；电路参数测试。

摘要 功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。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，例如更好的声音效果，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又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、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。
 1 系统概述
本次设计（低频功率放大器设计）由两部分组成：前置放大级、功率放大级。前置放大级的主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂；功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高；通过资料查询和方案论证后，我选择通过集成运放NE5532、TDA2030的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。
 2. 模块电路设计
n 2.1 前置放大器设计
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构成的前置放大器电路,从经济方面考虑本设计采用的是集成运算放大器方案,设计前置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、NE5534等。主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、转换速率、噪声和电流消耗等。(b)
弱信号前置放大级：

方案一:
采用分立元件组成放大电路。用小功率三极管组成差分放大电路作为输入3 级。该电路的优点是：共模抑制比高、性价比高。
方案二：弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。

本系统设计选用方案二的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。
为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用运算放大器构成前置放大器电路时,应该采用同相放大电路结构,电路如图3所示。但在该设计中，为简化电路结构降低成本，我们直接采用NE5532反相比例放大电路来实现对输入电压的放大。NE5532特点：
•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。电路图如下所示图（1）：

图（1）
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。图中的各种仪表是为了检验电路的运行情况，在最后的完整电路图中，仍将会看到这些仪表。
电路参数：VCC= +12V； VEE= -12V； R1=R2= 10 KW； R3= 200 KW。 由于本设计中主体放大电路（前置放大器和功率放大电路）的电压总增益为50dB,所以前置放大器的电压增益设置为20dB是比较合适的。在该放大电路中，电压增益取决于R1与R2，具体计算如下：
电压增益Au=-(R3¸R1)=20；
输入阻抗Ri=Uo¸Ui=10KW；输出阻抗为0:；
仿真调试结果如下图图（2）所示：
图（2）
可以看见此时再输入频率10HZ振幅5mvp时无明显失真，增益为20dB.
下图图（3）为输入最大频率时无特别明显失真时的波形以及参数
图（3）
n 2.2 功率放大器设计
方案一.前面已经说过功率放大电路可由分立元件组成也可以由集成功放组成。分立元件组成的功率放大电路，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.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。如LM324.LM1875.TDA2030.TDA2040等等。以下介绍采用集成芯片构成的的功率放大器。
比较一下我们决定采用TDA2030来作为功率放大部分
采用集成功放TDA2O30构成的低频功率放大器电路如图(4)所示。
TDA2030是一个输出功率最大可达到35W（双电源BTI接法）的音频功率放大器，Avo为90dB,失真率为0.015%(1KHz,20W)，带宽为70 KHz，具有AC和DC短路保护电路和热保护电路，电源电压范围为6—40V，元件封装采用高密度（TO—220）。下图是功率放大部分的电路图：
图（4）
电路详解：上图所示的电路是TDA2030的最典型用法，一般在实际的音响功放中，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（R5，8W负载）电路整体可以理解为采用集成件的OCL电路。

输入10HZ,1mVP时的输出波形如下图（5）

下图为输入20KHZ,300mVP时的波形如图（5）
n 2.3. 整体连接
整个设计中最复杂的部分就是电路的整体连接与测试。分步检验测试中，各部分电路均处于空载状态，而整体连接后，会出现很多问题。电路整体连结后效果如下图（6）所示：下图为整体连接后在10HZ,5mVP下的仿真波形，可以看见仿真无失真效果可以下图为40KHZ,5mvp时的仿真波形，
仿真的功率为2.344*2.344=0.687W。经过测量输入的总电阻为50K总电压为500uv，而输出的电压为2.344v，负载为8.所以用测量的数据计算可得效率约为75%。综上可知本设计完全满足条件。另附数据测量图如下图所示3.总结
 时间总是过得很快，经过一周的课程设计的学习，我已经通过去图书馆查找资料和上网查找相关的设计，自己完成了一个低频功率放大器，让我更好的把课本上的知识应用到实践中，更好的运用所学的知识来解决实际问题，这也为我大四的毕业设计打下了一定的基础。
 经过这段课程设计的日子，我发现从刚开始对其的一无所知，到现在已经能够基本的设计步骤。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人因为每个人掌握情况不一样， 不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。