1、河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計論文論文題目： 實用低頻功率放大器系 部： 電子通信工程系 專 業(yè)： 通信技術(shù) 班 級： 2004級 041 班學(xué)生姓名： 陳申 學(xué) 號： 0445102 指導(dǎo)教師： 董蘊華 2007 年6 摘要本論文主要介紹了自頂向下設(shè)計制作實用低頻功率放大器方法，采用分低頻功率放大器、波形變換電路、支流穩(wěn)壓電源電路三個獨立功能模塊的措施來實現(xiàn)各技術(shù)指標(biāo)，分析討論制定的各個方案、選擇最優(yōu)方案。此外還介紹了波形變換電路和穩(wěn)壓電源電路的目的、功能及技術(shù)要求。針對具體自頂向下的設(shè)計特點，首要重點是運用概念，即抽象的區(qū)描述和分析設(shè)計對象，后考慮實現(xiàn)該設(shè)計的具體電路、元器件和工藝。本設(shè)計題

2、目按題意由三個功能塊電路組成：低頻功率放大器包括前置放大器和功率輸立放大器、波形變換電路、直流穩(wěn)壓供電電路等。如何實現(xiàn)題目中要求的指標(biāo)，關(guān)鍵在于對兩級放大器的設(shè)計和制作。波形變換電路的目的是將正弦信號電壓變換成規(guī)定要求的方波信號電壓，用來測試放大器的時域特性指標(biāo)。穩(wěn)壓電源的功能是給功放電路和變換電路等提供穩(wěn)定的直流電源。關(guān)鍵詞 低頻 功率放大器 設(shè)計制作AbstractAbstract This paper introduces a top-down design of the production of low-frequency power amplifier practical meth

3、od adopt a low-frequency power amplifier, waveform conversion circuits, Regulators tributaries power circuit three independent modules of measures to achieve the technical indicators, discussed the development of the various options, choose the best programs. It also introduced the waveform conversi

4、on circuit and power supply circuit purpose, function and technical requirements. Specific top-down design features, the primary focus is to use the notion that the district abstract description and analysis design objects, After the consideration of the design of specific circuits, components and t

5、echnology.Design by the topic that Italy by three functional block circuit : Low-frequency power amplifier (including the preamplifier and power amplifier lose up), the waveform conversion circuits, DC power supply circuit. How to achieve the requirements of the title indicators, the key lies in the

6、 two amplifier design and production. Waveform Converter is designed to transform sinusoidal signal voltage requirements into the square wave signal voltage, Amplifiers used to test the time-domain indexes. Regulators power function is to transform power amplifier circuit and the circuit to provide

7、a stable DC power supply. Keywords: Low Frequency Power Amplifier Design 緒論 當(dāng)前，無論是播送界還是電視界都在為全面數(shù)字化而努力著。而談到音頻數(shù)字化時，都只在數(shù)字錄音機(jī)和數(shù)字調(diào)音臺方面打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。然而，一個完全不符合數(shù)字化時代的、很不環(huán)保的器材卻是人們并不注意的音頻功率放大器。這類放大器在播送電臺、電視臺、電影制片廠、錄音公司、音樂廳、重要社會活動場所、體育運動場館、文藝演出場所、會堂、會議廳等等場合作為監(jiān)聽和擴(kuò)聲之用，這些都是需要大量專業(yè)級音頻設(shè)備的地方。而現(xiàn)在的功率放大器，如果是甲乙類，其轉(zhuǎn)換效率一般都只在50%以下，如

8、果是純甲類放大器，效率就更低。為了散熱，需要巨大的散熱片、熱管和風(fēng)扇。為了保證氣流暢通，機(jī)器里面要留出充分的空間。這些無疑又增加了設(shè)備的體積、重量和能耗?？墒牵瑪?shù)字化并沒有涉及這個領(lǐng)域，這確實是個盲點。放大器一般由放大電路、反應(yīng)電路、供電電路、濾波網(wǎng)絡(luò)和功率放大等組成，其性能主要取決與前置放大和功率放大的優(yōu)良，效率與失真度主要取決于電路形式。目前汽車、 、MP3等受電源限制的電器用品，根本上都采用D類或者丙類數(shù)字功率放大器。雖然因失真導(dǎo)致保真度不夠卓越，但其以90%以上的高效率而牢牢的占據(jù)著市場。但是在家庭影院及大型音樂演奏會這些電源能量條件比擬充足的場所，還大多采用著效率在50%一下的甲類、

9、甲乙類、乙類等保真度優(yōu)越的電路形式。我們知道電信號的放大器至今仍是模擬放大器占統(tǒng)治地位，它包括正弦波信號的線性放大器和脈沖信號的脈沖放大器。后者盡管不是線性放大器，但仍然屬于模擬領(lǐng)域，這是電子學(xué)的根本常識。確實，可能許多人不清楚這個事實，就是無線電技術(shù)就是從脈沖技術(shù)開始的，而不是線性技術(shù)。當(dāng)俄國的波波夫開始發(fā)現(xiàn)電極打火產(chǎn)生的電磁信號可以傳播很遠(yuǎn)，這就是脈沖信號和無線電電子學(xué)的開端。拿現(xiàn)代某些人的時髦用語來說，波波夫不就成了0和1的純“數(shù)字技術(shù)創(chuàng)始人。推理下去也不就可以說無線電電子學(xué)是從數(shù)字技術(shù)開始的。定義么，本來就是人類自己想出來的。我想，如果一開始人們就稱煤球為白，粉筆為黑，幾千年下來大概也

10、不會有什么異議。 雖然現(xiàn)在數(shù)字功放，及許多集成功放芯片有較多應(yīng)用，但其起數(shù)字功放還不夠成熟、集成功放芯片參數(shù)的不可整性等等因素而采用原始的別離元件電路。通常，前置放大器采用集成運放設(shè)計較理想，因為外圍元件較少，設(shè)計較為簡單。本設(shè)計就前級就是采用兩級集成運放電路形式。而后級功率放大電路那么由于集成功放芯片的參數(shù)設(shè)計靈活性問題采用別離元件電路設(shè)計方式。目前，在專業(yè)單位里，功率放大器絕大多數(shù)是國外品牌機(jī)。我國的播送器材廠應(yīng)該抓住這一大好時機(jī)，乘“數(shù)字放大器的東風(fēng)，為我國的播送電視事業(yè)做出新奉獻(xiàn)。做OEM也不乏是個好主意。Dolby、DTS、桑塔拿、別克、Windows不都是人家的嗎？我們只要尊重知識

11、產(chǎn)權(quán)，不搞盜版，不搞仿冒，有什么見不得人的。中國理應(yīng)能開發(fā)出自己的數(shù)字放大器或功率型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，我只是希望這個新概念產(chǎn)品的參與者能抱著科學(xué)的態(tài)度，實實在在地造出技術(shù)指標(biāo)最好、聲音最正確、效率最高、性價比最好、最為可靠，符合專業(yè)使用的產(chǎn)品。讓音頻放大器這個被人遺忘的領(lǐng)域也能迅速進(jìn)入數(shù)字化的軌道。第1章 工程背景 功放的開展和類別近代音響技術(shù)的開展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應(yīng)管四個階段。1.1 低頻功率放大器的開展歷史1906年美國人德福雷斯特創(chuàng)造了真空三極管，開創(chuàng)了人類電聲技術(shù)的先河。1927年貝爾實驗室創(chuàng)造了負(fù)反應(yīng)技術(shù)后，使音響技術(shù)的開展進(jìn)入了一個嶄新的時代，比擬有代表性的如威

12、廉遜放大器，較成功地運用了負(fù)反應(yīng)技術(shù)，使放大器的失真度大大降低，至50年代電子管放大器的開展到達(dá)了一個高潮時期，各種電子管放大器層出不窮。由于電子管放大器音色甜美、圓潤，至今仍為發(fā)燒友所偏愛。 60年代晶體管的出現(xiàn)，使廣闊音響愛好者進(jìn)入了一個更為廣闊的音響天地。晶體管放大器具有細(xì)膩動人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動態(tài)范圍等特點。在60年代初，美國首先推出音響技術(shù)中的新成員-集成電路，到了70年代初，集成電路以其質(zhì)優(yōu)價廉、體積小、功能多等特點，逐步被音響界所認(rèn)識。開展至今，厚膜音響集成電路、運算放大集成電路被廣泛用于音響電路。 70年代的中期，日本生產(chǎn)出第一只場效應(yīng)功率管。由于場效應(yīng)功率管同

13、時具有電子管純厚、甜美的音色，以及動態(tài)范圍達(dá)90dB、THD0.2=3w(為最大輸出功率，并假設(shè)=15W)、月30、。為減少失真，輸出級采用甲乙類工作狀態(tài)，圖2 . 12 中的T8 、Rl0、Rw 、是為消除交叉失真而加的甲乙類偏置電路。交流狀態(tài)下流過Tl1、T13 的交流電流最大峰值，即為流過負(fù)載的最大峰值?？捎萌缦玛P(guān)系式估算 因此，要求大功率管Tl1、T13 的。甲乙類工作的兩管偏置電流可選取為50Ma，那么R14 和R15 上的壓降為V。相對于偏置電壓VcE8 來講VR可以不計，那么T8的VcE8可估算為3x0.7=2.1V，因為其中=0.7V，并取，由上式求得?？蛇x取的可調(diào)電阻。題目中

14、低頻功放總增益為GV=68dB，已經(jīng)設(shè)計前置放大級增益為50dB，假設(shè)考慮留有一定余量那么本級功放增益可設(shè)計成28dB，即25倍左右。假設(shè)取R9=R1=2.2k不難計算得R13=53k，可取R13=5lk。 電路按圖中元件值裝配好后，只須調(diào)整RW使輸出靜態(tài)電流在60 mA 左右，就可正常工作。這樣，電路裝配調(diào)試極為方便，就能節(jié)省了大量時間，減小難度。第五章 波形變換電路和穩(wěn)壓電源設(shè)計5.1波形變換電路設(shè)計在發(fā)揮局部提出了測試放大器的時間響應(yīng)的要求，因此要求設(shè)計者自行設(shè)計一個波形變換電路。由正弦信號經(jīng)該變換電路產(chǎn)生一個滿足中指標(biāo)要求的正、負(fù)極性對稱的方波，作為測試信號。任務(wù)書中所提出的脈沖波形的

15、參數(shù)一上升時間tr、下降時間tf，以及頂部斜降和波形過沖量a等，可以用如圖2.9所示的脈沖波形圖來定義參閱康華光主編的? 電子技術(shù)根底“模擬局部第四版? ，高等教育出版社1999 年6 月版，顧德仁等編的?脈沖與數(shù)字電路?) ，人民教育出版社1979 年7 月版圖5.1 波形變換電路圖5.1中脈沖上升時間tr 和下降時間tf 是以脈沖幅度的10 90 的時間為測量點的。即從0.1Vm上升到0.9Vm的時間為tr,由0.9Vm下降到0.1Vm的時間為tf。由頻譜特性可知，脈沖前后沿越陡，tr和tf越小，那么其頻譜所占的帶寬愈寬。如果要一個網(wǎng)絡(luò)不失真地傳輸這個脈沖，它就必須要有足夠的帶寬。理論析和

16、實踐證明，脈沖的tr或tf與帶寬Bw的關(guān)系可近似地表示為trBW=0.350.45式中如果脈沖的過沖量。較小例如a5%)，那么trBW0.35。a5時，trBW0.45。過沖量a可定義為脈沖過沖幅值Vs 與脈沖幅值Vm 之差和脈沖幅值的比的百分?jǐn)?shù)，即如圖5.1 中所示,a也與Bw有關(guān)，Bw越大a 越小。由上述分析可知，為盡可能降低上升、下降時間tr、tf,以及過沖量a，必須選用頻帶足夠?qū)挼姆糯笃鱽磉M(jìn)行波形變換。脈沖波形的頂部斜降占和波形的低頻特性有關(guān)，可以用下式表示式中tp。為脈沖寬度，通常用0.5Vm處的脈沖時間表示，fL為系統(tǒng)的低頻下限頻率。一般集成運放的人可以到直流，所以用集成運放構(gòu)成波

17、形變換電路時，可做得很小。波形變換電路可采用施密特觸發(fā)器電路，即電壓比擬器結(jié)構(gòu)，如圖5.2所示。圖中集成運放可采用轉(zhuǎn)換速率sR10V/s，增益帶寬積GBW10 MHz的運放芯片。例如LF357、OP-16、OP-37、NE5534等。圖.5.2波形變換電路電路接成遲滯電壓比擬器結(jié)構(gòu)，為保證輸出方波幅度穩(wěn)定，輸出接二只穩(wěn)壓二極管Dl 、D2穩(wěn)定電壓值Vz=3V。R4 為穩(wěn)壓二極管的限流電阻，把流過D1、D2的電流限定在6mA左右。C1、C2為脈沖加速電容，它可以進(jìn)一步減少方波脈沖上升和下降時間。圖5.2波形變換電路假設(shè)遲滯比擬器的遲滯寬度V =0.7V，那么R3可用下式來確定取R3=75k。該電

18、路假設(shè)采用LF357 集成運放，輸出方波的上升和下降時間可做到小于0.5S。調(diào)節(jié)Rw輸出幅度可調(diào)節(jié)到200mv，就滿足了題目中指標(biāo)要求。5.2穩(wěn)壓電源設(shè)計前面討論已經(jīng)指出，末級ocL 功放要求直流供電電源為價Vcc15V，而前置放大級和皮形變換電路的集成運放供電均為Vcc12V。因此，直流穩(wěn)壓電源只需設(shè)計成15V的穩(wěn)定直流輸出電源就可以了。輸出電流末級為2A 左右，而前置級和變換電路那么電流很小，考慮100mA就足夠了?？梢?，考慮了余量，穩(wěn)壓電源輸出直流電流設(shè)計在2.2A 就足足有余了。穩(wěn)壓電源電路方案應(yīng)在滿足上述性能要求的條件下盡可能簡單些。電源交流輸人變壓器采用次級繞組為2.5A、2xl8

19、V交流輸出的交流變壓器，整流電路采用50V /3A 的橋式整流塊，經(jīng)濾波電容濾除雜波后送人集成三端穩(wěn)壓塊LM7815和LM7915穩(wěn)壓輸出15V。電路結(jié)構(gòu)如圖5.3 中所示。圖5.3穩(wěn)壓電源電路圖中三端穩(wěn)壓集成塊LM7815 和LM7915均為2.5A 的可帶散熱片的金屬殼封裝的集成電路塊。二極管DlD4為穩(wěn)壓塊的保護(hù)二極管，是為防止輸人或輸出突然開路而加的放電通路。輸出的15V、2.2A 直流電源供應(yīng)功放電路級。經(jīng)Rl、R2 、D5、D6 后輸出的12V 、120mA 電源供應(yīng)前置放大級和波形變換電路，D5、D6 為12V 穩(wěn)壓二極管。電路裝配時，大電流的地線應(yīng)盡量粗而短，以減少損耗和防止寄

20、生藕合。5.3保護(hù)電路為防止功放電路在開、關(guān)電源時，因瞬間電壓建立不平衡而引起的瞬間電沖擊損壞負(fù)載和功放電路，必須考慮設(shè)計一個保護(hù)電路。 圖5.4所示為低功放功率放大級的功率保護(hù)電路，該電路還具有開、關(guān)延遲保護(hù)功能。圖中繼電器J1、J2控制功率放大級15V 電源的開和關(guān)即接通與斷開。開關(guān)延遲時間ts 由R3和C2決定，即圖5.4 功率保護(hù)電路保護(hù)電路工作過程如下：電源剛接通時，T1 截止、C2兩端無壓降，因而T2導(dǎo)通、T3截止，J1、J2斷開，15V 不給功率級供電。這時12V 電源通過R3 向C2充電，充電結(jié)果迫使T2截止、T3導(dǎo)通，J1、J2繼電器吸合15V 向功率級供電。從電源剛接通到1

21、5V向功率級供電延遲3.79s 。假設(shè)功率輸出過載，即輸出平均電壓值超過保護(hù)設(shè)定值。那么通過R1、Rw，分壓后使二極管D1導(dǎo)通，從而促使三極管Tl、T2導(dǎo)通C2通過T1放電，T3截止，J1、J2繼電器釋放15V停止對功率級供電，起到保護(hù)作用。輸出電平降低后，Dl 截止，Tl也截止。12V電源通過R2重新向C2充電，迫使T2截止、T3 導(dǎo)通，繼電器J1、J2 重新吸合，15V 重新向功率級供電，使輸出級恢復(fù)正常工作。第六章 指標(biāo)測試方法測試儀器：低頻信號發(fā)生器、晶體管毫伏表、20MHz 雙蹤示波器、失真度測量儀、電流表等。6.1低功放輸人、輸出電阻測量1 輸入電阻的測量。方法：測量框圖如圖6.1

22、a中所示。將低頻信號發(fā)生器對功放渝入f=1 kHz 的正弦信號，并在輸人端先串人一個電阻Rs 阻值應(yīng)為精確的。用毫伏表測出Vs和Vi,因為Vi由Vs經(jīng)Rs和Ri、分壓而得，所以有圖6.1 輸入、輸出電阻測量假設(shè)測得Vs100mv，Vi= 51.7 mv ，且Rs= 20k，那么由上式可計算得Ri = 16 . 68 k 。2輸出電阻的測量。方法：測量框圖如圖6.1b所示。用低頻信號發(fā)生器給功放輸入f = 1kHz 的正弦信號，然后測輸出空載和有載時的輸出電壓：VO1、VO2，和有載時的輸出電流IO2，那么輸出電阻為假設(shè)測得= 3V 、= 2.98v, RL =8 。那么計算得RO0.054。6

23、.2輸出功率的測量 最大輸出功率Pomax的測量。方法：輸入f=1kHz的正弦信號，在輸出波形失真系數(shù)3 的情況下，測出輸出負(fù)載RL=8上的最大電壓幅度那么最大輸出功率為假設(shè)在監(jiān)視失真極小，0.03%，測得=13.5V，RL =8，那么計算得PoMAX = 22.78W。 噪聲功率的測量。方法：將低功放輸人端短路，用毫伏表測出輸出負(fù)載上交流噪聲電壓有效值Vn，那么噪聲功率為假設(shè)測得：Vn2.2mV；那么計算得6.3效率的測量方法：在不失真0.3 最大輸出功率情況下，測出流進(jìn)15v 電源的電流Icc ，計算電源供應(yīng)功率。那么效率為調(diào)整電路或調(diào)節(jié)輸人信號電壓，使不失真輸出功率Por =10W ，測

24、出電源電流Ioc，那么,效率為假設(shè)時測得，那么。Por =10W時，測得那么=60.6%6.4頻響的測量方法：保持輸入不變，改變信號頻率，測出不同頻率點的輸出電壓值。并記錄列表，觀察表中電壓值下降0.707倍的頻率范圍即為低功放的帶寬BW。一般BW=5Hz50Hzs hen 容易做到的。6.5失真系數(shù)的及發(fā)揮局部的時間響應(yīng)測量方法：在額定輸出功率下，直接用失真度測量儀測量。時間響應(yīng)測量發(fā)揮局部 輸入f=1KHz的正弦波給波形變換電路，變換電路輸出、重復(fù)頻率為1KHz 的方波。用雙蹤示波器掃描時間5s/div觀察功放輸出方波的上升時間和下降時間。 再將雙綜示波器的幅度置于1V/div,觀察功放輸

25、出方波的頂部斜降和波形過沖量。一般情況下即按上述設(shè)計的電路波形變換電路輸出方波的上升和下降時間均應(yīng)小于1s，而功放輸出的方波上升時間和下降時間均應(yīng)小于10s，方波波形頂部斜降應(yīng)小于0.1%，而且無過沖，即便有過沖量，也小于0.05%。第七章 展望幾乎現(xiàn)階段每個完整的電子產(chǎn)品中都離不開放大器,而放大器性能的提高對電子產(chǎn)品的功能起著重要的決定作用。說不清是放大器的開展決定了電子產(chǎn)品的開展進(jìn)程還是電子產(chǎn)品的開展需求推動了放大器的開展空間,從電子產(chǎn)品的開展需求和放大器的開展趨勢分析中我們或許可以尋找到答案。 運算放大器歷經(jīng)數(shù)十年的開展,從早期的真空管演變?yōu)楝F(xiàn)在的集成電路,根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分化出通

26、用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運放產(chǎn)品。一般而言,高速運放主要用于通信設(shè)備、視頻系統(tǒng)以及測試與測量儀表等產(chǎn)品;低電壓/低功耗運放主要面向 、PDA等以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品;高精度運放主要針對測試測量儀表、汽車電子以及工業(yè)控制系統(tǒng)等。通用運算放大器應(yīng)用最廣,幾乎任何需要添加簡單信號增益或信號調(diào)理功能的電子系統(tǒng)都可采用通用運放。信息家電、 、PDA、網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用的興起,為運算放大器提供了活潑的舞臺,同時也對其提出新的技術(shù)要求。未來放大器市場增長的驅(qū)動力主要有三方面：其一,便攜式應(yīng)用的低功耗要求將推動具有低操作電源電壓/電流的放大器增長;其二,高分辨率應(yīng)用需要能降低噪聲和失真度

27、的放大器;其三,由于性能和價格壓力持續(xù)上揚,因此能夠集成其他功能的放大器前景樂觀。測試和測量、通信、醫(yī)療影像等領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用是提升放大器性能的主要驅(qū)動力;DSL和消費類視頻應(yīng)用是最大的市場,而且未來將繼續(xù)此趨勢。其中,DSL運放的增長點主要在于線路驅(qū)動器。而整合了濾波、多路技術(shù)以及DC恢復(fù)等功能的消費類視頻放大器也被看好。從應(yīng)用的角度講,不同的系統(tǒng)對運放有不同要求,選擇適宜的運放對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。對于通信、高速測量儀表及超聲波設(shè)備等高速應(yīng)用,交流特性極為重要。但對于低速的高精度系統(tǒng),直流方面的特性那么通常更為重要。衡量系統(tǒng)在交流特性方面的參數(shù)有信號帶寬、失真率、噪聲等;而衡量系統(tǒng)在直流特性方面的參數(shù)有輸入補(bǔ)償電壓、開環(huán)增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。 總體來說開展趨勢可概