低频功率放大器设计.doc

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1、 学 士 学 位 论 文系 别： 物理与电子工程系 学科专业： 电子科学与技术 姓 名： 薛笑 运 城 学 院 2014年06月低频功率放大器 系 别： 物理与电子工程系 学科专业： 电子科学与技术 姓 名： 薛笑 指导教师： 贺静 运 城 学 院 2014年06月低频功率放大器的设计摘要：低频功率放大器是一款将弱源信号尽可能放大的模块，主要用于音源信号设备、控制系统和测量系统中，将无法识别的信号放大，再经过外围设备仿真，达到轻易识别。该系统主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路四部分组成。实验结果表明该功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有良好的指标、较高的实用性。关键词:

2、弱信号前置放大级电路 功率放大电路 稳压电源电路 Low Frequency Power AmplifierAbstract:The weak low-frequency power amplifier is a possible source signal amplification modules, mainly for audio signal equipment, control systems and measurement systems will not recognize the signal amplification, and then through a peripher

3、al device emulation, to be easily identified. The system consists of power supply, preamplifiers, power amplifiers, waveform conversion circuit composed of four parts. Experimental results show that the amplifier has a good indicator in terms of bandwidth, distortion, efficiency, higher usability.Ke

4、ywords: Weak signal preamplifier stage circuit； Power amplifier; Power supply circuit;目 录引 言（1）第一章 主要芯片简要介绍（1）1.1 LM317（1）1.2 LM1875（1）1.4 LF357（3）1.5 AD637（3）第二章 系统方案设计（4）2.1 方案论证（4）2.2 整体设计方案（5）2.3 模块电路设计（6）2.3.1 稳压电源设计（6）2.3.2 前置放大级设计（9）2.3.3 功率放大电路设计（10）2.3.4 波形变换电路设计（12）2.3.5 显示电路设计（14）2.3.6 功率

5、测量电路设计（15）2.3.7 保护电路设计（16）2.4 软件部分（17）第三章 电路板的设计安装及调试（17）3.1 Protel 99 SE简介（17）3.2 原理图的绘制（18）3.3 PCB的绘制（19）3.4 打印电路板（20）3.5 元器件的装配与布局（21）3.6 焊接与整机装配调试（21）3.7 功能测试及结果分析（22）结束语（23）致 谢（23）参考文献（24）引 言功率放大器在家电、数码产品中得到了越来越广泛的应用，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。现在我们只有通过增强系统性能，如更好的声音效果，才能促使消费者购买产品。低频

6、功率放大器是音响等电子设备的后级放大电路，它的主要作用是把前级的音频信号进行功率放大以此来推动负载正常工作，以获得良好的声音效果1。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最主要部分。因此，设计出实用、简单、价格低廉的低频功放是最主要的目的。本系统低频功率放大器的设计主要有两部分组成：前置放大级和功率放大级。前置放大级主要是完成小信号电压的放大，同时要保证低噪声、低温漂。功率放大级主要是在失真允许的范围内，尽可能高效率地向负载提供大功率且能提高效率。通过多方面的资料查询和严密的方案论证后，我选择了集成运放NE5532、LM1875、LF357的配套使用来使电路系统简洁、实用并且达到高

7、效益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。第一章 主要芯片简要介绍1.1 LM317 LM117/LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。 LM117/LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。 LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线

8、超过6英寸（约15厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。 LM117/LM317能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117/LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出2。1.2 LM1875 LM1875功放板由一个高低音分别控制的衰减式音调控制电路和LM1875放大电路以及电源供电电路三大部分组成，音调部分采用的是高低音分别控制的衰减式音调电路，其中的R02，R03，C02，C01，W02组成低音控

9、制电路；C03，C04，W03组成高音控制电路；R04为隔离电阻，W01为音量控制器，调节放大器的音量大小，C05为隔直电容，防止后级的LM1875直流电位对前级音调电路的影响。放大电路主要采用LM1875，由1875，R08，R09，C06等组成，电路的放大倍数由R08与R09的比值决定，C06用于稳定LM1875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C07，R10的作用是防止放大器产生低频自激。本放大器的负载阻抗为416。为了保证功放板的音质，电源变压器的输出功率不得低于80W，输出电压为2*25V，滤波电容采用2个2200UF/25V电解电容并联，正负电源共用4个2200UF

10、/25V的电容，两个104的独石电容是高频滤波电容，有利于放大器的音质。1.3 NE5532NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。1.4 LF357LF357同LF355/356都是输入型运算放大器，这三种运放是第一个合成的JFET输入的运算放大器，它把匹配的高电压的JFE

11、T晶体管和标准的双极性晶体管放到了一块芯片上（双极FET技术）。这些运放的特征是低输入失调和偏置电流、低偏置电压和偏置电压漂移、可以进行偏置调节而不会降低漂移和共模抑制比。这些运放也设计有高压摆率、宽带宽、极快的建立时间、低电压电流噪声。1.5 AD637 AD637的精度高，具有扩展的频率响应性能，-3dB带宽可高达8MHz。这款转换器（图下）利用一个反相低通滤波器级来提供缓冲电压输出，其求平均值时间常数与输入信号电平无关。 除了总体性能改进之外，AD637还具有两个独特的特性：第一个特性是提供分母输入，使该器件可用作平方器、均方器或平方根求和器（向量求和），同时还有助于低频( 10V/uS

12、，增益带宽积GBW 10MHZ的运放芯片，如LF357、OP-16、OP-37、NE5534等。电路接成迟滞电压比较器结构，为保证输出方波幅度稳定输出使用2只稳压二极管D1、D2，稳压值为Vz=3V。R4为稳压二极管的限流电阻，把流过D1、D2的电流限定在6mA左右。C1、C2为脉冲加速电容，它可以进一步减少方波脉冲时间上升和下降时间。假设迟滞比较器的迟滞宽度V=EmH-EmL=0.7V，则R3可用下式来确定R3=（2Vz/V - 1）R2=（2*3/0.7-1）*10=75.71 K 取R3=75 K如电路采用LF357集成运放，则输出方波的上升时间和下降时间可做到小于0.5uS。调节RW，

13、输出幅度可调节到200mV，满足题目指标要求。2.3.5 显示电路设计 利用单片机计算功率，在电源一端加一个放大可调的电路，来计算电源的功率。在负载上采集电压，通过单片机计算，再用液晶显示，再在电源输出级采集电压，可提高采集的稳定性，使单片机在计算更加的精确。利用液晶显示可降低功耗。 显示电路如图7： 图7 显示电路2.3.6 功率测量电路设计 功率测量不仅在工业领域受到关注，在监控商业和住宅负载方面也是如此。不管从成本还是从环境保护方面来考虑，节约能源在全球日益成为公众关注的话题。 关键问题是如何实现能源消耗实质性的持续降低。最可靠的解决方案是要了解用户如何消耗他们的能量以及如何使其对这些能

14、量负责。锁定该领域仍然是一个工业课题，而且日益成为政府机构的关注重点。许多国家正在开展各种减少能源消耗的运动并且制定各种激励预算6。这些激励措施的启用要求各种机构开发各种精确的测量性能。本系统采用高精度的AD637芯片，其外围元件少、频带宽，精度高于0.5。电路如图8：图8 功率测量电路2.3.7 保护电路设计 1、被保护的功放主电路采用的是准互补桥式推挽电路, 不加激励信号时, 功放管处于截止状态。因此, 当功放工作发生故障时, 保护电路要能立即撤除激励信号, 同时切断供电电源通路, 使功放立即停止工作。 2、功率放大器处于脉冲工作状态, 在工作期间如果有某处某一瞬间发生故障而退出工作, 不

15、应给整个功放性能带来明显影响。为可靠起见, 保护时间设计可大于一个发射宽度，在下一个脉冲到来之前自动恢复。 3、电路简单可靠, 保护速度快, 抗干扰能力强。电路如图9：图9 保护电路2.4 软件部分 本设计软件部分主要功能是对功率进行计算，对数据的扫描处理过后通过LCD显示出来。设计框图如图10：开始扫描输出数据处理 图10 显示框图第三章 电路板的设计安装及调试3.1 Protel 99 SE简介 Protel 99 SE是基于Windows95/98/2000/XP环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路板设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路

16、图模拟/仿真等到。它是集电路设计与开发环境于一体的软件7。各模块具有丰富的功能，可以实现电路设计与分析的目的。1 电路设计的主要部分：l 用于原理图设计的Schematic模块。 该模块主要包括设计原理图的原理图编辑器，用于修改、生成零件库编辑器以及各种报表的生成器8。l 用于电路板设计的PCB设计模块。 该模块主要包括用于设计电路板的电路板编辑器，用于修改、生成零件封装编辑器以及电路板组件管理器10。l 用于PCB自动布线的Route模块。l 用于可编辑逻辑器件设计的PLD模块。该模块主要包括具有语法意识的文本编辑器、用于编译和仿真设计结果的PLD经及仿真波形观察窗口9。l 用于电路仿真的S

17、imulate模块。 该模块主要包括一个能力强大的数/模混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。2 Protel 99 SE有如下特点： 支持层次化设计 丰富而灵活的编辑功能 强大的自动化功能 在线库编辑及完善的库管理3.2 原理图的绘制 1 加载元件库 在绘制电路图前，首先要添加几个常用的原理图库，这样查找元件就很方便。常用的原理图库有五个：MISCELLANEOUS DEVICE.LEB,INTER DATABOOK,NES DATABASE,TI DATABASE,SIM.DDB，其中很多元件都在杂元件库MISCELLANEOUS DEVICE.LEB中。 2 放置

18、元件 将电路原理图中需要的元件都从原理图库中添加到原理图中，并根据电需要将元器件排列好。 3 设置元器件的参数 双击元器件，在弹出的对话框中对元器件的封装、编号、管脚号等进行设置。 4 绘制电路原理图将元器件布好局后，执行画导线命令，将原理图连接成一个完整的电子数字钟电路图。此时记住，一定要在电路图的旁边放一个电源插件，以供以后为电路板提供电源。 5 生成网络报表 在绘制完原理图后，一定要为电路图生成一个网络报表。执行Design- Create Netlist菜单命令。绘制电路图的最主要的目的就是为了将设计电路转换成一个有效的网络表，经供其它后续处理程序使用。这样也可以检查出电路的连接网络是

19、否跟自己要制作的电路要求一致。网络表是联系原理图和PCB板中间的文件，PCB板布线需要网络文件（.net）。这样在PCB板中才能根据网络来连接线，所以一定要生成网络报表，并确保其没有空漏。3.3 PCB的绘制 Protel 99 SE会为印制电路板生成各种报表。这些报表可以给用户提供有关设计过程及设计内容的详细资料。这些资料主要包括设计过程中的电路板状态信息、引脚信息、元件封装信息、网络信息以及布线信息等。根据这些信息，我们可以清晰的了解电路中所用的元器件和一些相关信息。 1 生成引脚报表 引脚报表能提供电路板上选取的引脚信息。生成这些引脚的相关信息，可以让用户比较方便地检验网络上的连线。在电

20、路板上选取需要生成报表的引脚，然后执行Reportsselected Pins菜单命令即可。 2 生成电路板信息报表 电路板信息报表的作用是给用户提供一个电路板的完整信息，包括电路板的尺寸、电路板上的焊点，导孔的数量以及电路板上的元件标号等等。执行ReportsBoard Information菜单命令即可。对话框中还会显示各个内部层所接的网络和内部层间的连接方式。 3 生成网络状态报表 网络状态报表用列出电路板中每一条网络的长度。要生成网络状态报表，可以执行RportsNetlist Status菜单命令，系统将打开文本编辑器，产生相应的网络状态报表。 4 生成元件报表 元件报表功能可以用来

21、整理一个电路或一个项目中的元件，形成一个元件列表，以供用户查询。 电路特性报表用于提供一些有关元件的电特性资料。执行ReportsSignal Integrity菜单命令即可。3.4 打印电路板 设置好了以后，就可以打印PCB了，直接点击打印按钮即可。在打印好PCB后，就将图平敷在选好的铜板上，在这之前要将铜板用砂纸将铜板砂平。然后用印压机将图印到板上，注意的是，印压机的温度一定要高于140度。3.5 元器件的装配与布局在焊接元器件的时候一定要先根据板子尺寸的大小的排版的疏密程度来安排元器件在电路板上的装配方式。对二极管子、电阻、电容的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式三种。1、直立式：这种

22、安装电阻、电容、二极管等都是竖直安装在印刷电路板上的。这种方式的特点是：在一定的单位面积内可以容纳较多的电子组件，同时组件的排列也比较紧凑。缺点是：组件的引线过长，所占高度大，且由于组件的体积尺寸不一致，其高度不在一个平面上，欠美观，元器件引脚弯曲，且密度较大，元器件之间容易引脚碰触，可靠性欠佳，且不太适合频率较高的电路采用。2、俯卧式：二极管、电容、电阻等组件均是俯卧式安装在印刷电路板上的。这样可以明显地降低组件的排列高度，可实现薄形化，同时元器件的引线也最短，适合于较高工作频率的电路采用，也是目前采用得最广泛的一种安装方式。3、混合式：为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块

23、印刷电路板上，有的元器件采用直立式安装，也有的元器件则采用俯卧式安装。这受到电路结构各式以及机壳内空间尺寸的制约，同时也与所用元器件本身的尺寸和结构形式有关，可以灵活处理。3.6 焊接与整机装配调试信号输入前置放大部分，最容易感受到噪声干扰。因此，我们把转换电路安装在面板上，采用一点接地焊接，信号输入输出线均采用尽量短的屏蔽线。这样我们就有效的提高了放大器的干扰能力，使其达到系统指标要求。后级功放电路所需电源功率较大，为使大信号也能不失真输出，必须使电流畅通无阻的供给功放级。因而在电源焊接工艺上，我们采用出铜线将正负电源接地分别连上焊牢，以减少其接触电阻。整机调试时，用示波器逐级检查输入正弦信

24、号的输出波形。若有波形失真，则通过判断其是否为高频失真（表现为有过冲量），还是低频失真（表现为上升沿和下降沿变斜或出现圆圈）来改变电路中相应的阻、容元件参数，使之最终达到指标要求电路中各部分耦合电容均采用钽电容，电阻则采用金属膜电阻，使整机性能增加。制作功放的整天效果与焊接、布线关系密切，为防止噪声干扰，减少失真，机内各电路板装配非常讲究，本功率放大器电源部分和前置部分分别置于机箱相对的角上，以免前置级引入变压器干扰，同时，强弱信号也尽量分开，以免反馈自激。信号输入线采用屏蔽线，以减少外部干扰。整机内部装配图图下，同时，为使面板不致呆板，设计时，在面板上布置大接线柱数字显示，引出试点。整个面板

25、美观大方布局工整，便于测试。面板图如图11：前置及转换电路板自制稳压电源电路板功率放大电路板功率测量电路板保护 电路板数字显示电路板图11 整机装配图3.7 功能测试及结果分析 整个系统在调试时，分部分调试首先是电源的调试，其次是前置放大级和转换电路的调试，然后是功率级本身的调试，最后将整个电路连接起来调试：(1)额定功率P(：输入1 kHz正弦波，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。用示波器测到此时输出波形电压有效值为U=12.7 V，则PoR=U RL=12.7210=16.1W。(2)带宽BW ：通频带扩展为10Hz50kHz。

26、输入信号幅值不变，改变频率，用示波器测输出幅值，下限频率和上限频率对应的幅值。测得带宽为10 Hz40 kHz。(3)交流声功率：输入端短路时，用晶体管毫伏计测输出端交流电压有效值为1.38 mV。(4)噪声系数：断掉信号，电源为其它电路提供电源，正常工作，输出噪声电压有效值V0N5mV。(5)其它部分的测试完全正常，达到预期效果。结束语 本文详细的介绍了一种低频功率放大器的制作方法。 从实验的各项数据分析,系统电路具有很好的频率响应特性, 从测得的带宽可以看出,制作的功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用,能达到实际要求。致 谢 在论文完成之际，衷心的感谢我的指导老师贺静。贺老师对我的

27、课题研究和论文写作给予了悉心指导和严格要求，贺老师一丝不苟的治学态度和高尚的责任感，都将成为我今后工作和做人的榜样！在此，我再次向我的指导老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！同时，我要感谢给我授课的各位老师，他们渊博的学识、平易近人的作风给我留下深刻的记忆。谨在此表示衷心的感谢。我还要感谢我的家人在我完成学业期间对我的大力支持和关心！最后，感谢所有以各种方式关心与帮助我的人！谢谢！参考文献1张英莉 信息技术浅谈音频功率放大器功率传输及效率J.2003.2宋志刚 EPON物理层突发传送的设计D.电子科技大学.2004.3李亮 基于LabVIEW的CD/DVD双机芯参数测试系统研究D.武汉工程大学.2007.4郑芸 HDTV测试图案信号及其FPGA发生系统研究D.电子科技大学.2006.5朱伶 新型热超声倒装键合功率驱动