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1、精选优质文档-倾情为你奉上实用低频功率放大器一、 系统功能及性能指标1、基本要求:输入电压幅度5700mV 负载 额定输出功率 带宽 在和的内的非线性失真系数在下的效率 在的负载上的交流声功率2、发挥部分:产生HZ、上升和下降时间、的对称方波在下输出波形上升和下降时间、输出波形顶部斜降在下输出波形过冲量二、实验目的理解低频功率放大电路的工作原理,掌握功率、效率的测量方法,学会设计比较器,将正弦波转换为方波信号,学习集成功率放大器基本技术指标的测试,巩固和加深对电子电路基础知识的理解,提高综合运用所学知识的能力。三、实验要求1.基本要求设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器. 在放大通道的
2、正弦信号输入电压幅度为5700 mV , 等效负载电阻RL为8下,放大通道应满足:(1)额定输出功率POR 10 W;(2)带宽BW 5010 000 Hz; (3)在POR下和BW内的非线性失真系数3 %;(4)在POR下的效率55 %.;(5)在前置放大级输入端交流短接到地时,RL = 8 上的交流声功率10 mW. 2.发挥部分(1)由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波,频率为1 000 Hz ,上升时间1 s ,峰2峰值电压为200mV. 用上述方波激励放大通道时,在RL = 8 下,放大通道应满足.(2)额定输出功率POR 10 W;(3)在POR下输出波形上升时间和下
3、降时间12s ;(4)在POR下输出波形顶部斜降2 %;(5)在POR下输出波形过冲量5 %四、方案论证前置放大:本实验由弱信号前置放大级、交换电路、功率放大级等部分组成。前置放大级用来放大输入的信号,以推动后面的功率放大器。放大电路有很多,但是弱信号的前置放大电路必须要由低噪声、高保真、高增益的集成电路。符合运放有NE5532、OP07、LM318等。这个实验中,采用的是NE5532和LM318,NE5532具有高精度、低噪声、高阻抗、宽频带等优良的性能,能使电路的指标大大的提高。功率放大:功率放大有两种的方式,一种是用分立元件构成OCL电路,一种是用专用的功放集成芯片。其中,集成功放具有工
4、作可靠,外围电路简单保护功能比较完善等有点,分立元件比较复杂,只有有一个环节出现问题,则性能就会低于集成功放,所以本实验采用的是用集成功率芯片做功率放大电路。波型转换:正弦波型转换为一般用比较器或运放做成的比较器电路实现。常用的比较器有过零比较器,任意电平比较器,滞回比较器。过零比较器和任意电平比较器都属于单限比较器,但输入电压在在阈值电压附近任何微小的变化,都将引起输出电压的跃变,因此单线比较器抗干扰能力差,不予采用。在这里我们用滞回比较器,因为它有惯性,具有一定的抗干扰能力;且若两个阈值时,就可以输出占空比接近于50%的方波信号,可以达到题目要求。下面是滞回比较器的电路图和传输特性方案一
5、用运放做比较器电路,利用正反馈电路,将小的交流信号转化为峰峰值比较大的方波信号,再经过电阻的分压,可以得到信号比较小的方波信号;将分压电阻换成滑动变阻器,可以通过调节滑动变阻器,得到峰峰值为200mv的方波信号;运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管,用来控制输出电压的幅值,使输出信号稳定在一定范围内。另外,为达到输出方波的上升下降时间小于1us和双极性方波,要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放方案二 用比较器做成的比较器电路,比较器的功能是比较两个电压的大小,从而输出电压的高或低电平。电压比较器结构简单,高,压摆率比较大,容易达到实验要求。这里我们用电压比较器LM311仿真后,发
6、现LM311只能输出单极性,若用其他高速比较器,性价比较低,市场上也很难买到,所以此方案不采纳。五、芯片手册NE5532芯片手册LM318芯片手册LM1875芯片手册五、系统硬件电路设计弱信号前置放大级设计:(1)、电路的组成:因为实验要求,前置放大电路的输入端接地时,在8的负载上的噪声功率要小于10mV,所以要尽量减小噪声。为了选用低噪声芯片,所以用用NE5532构成前置放大电路,为了提高前置放大电路的输入电阻和共模抑制比,必须采用同相比例放大电路。(2)、测量放大器原路图: (3)、工作原理:为了阻抗匹配,增大输入电阻,在前置放大电路的前面设计了电压跟随器,由题目可知,在功率放大的8负载上
7、要获得额定输出功率,根据:-(1)-(2)-(3)-(4)由(1)(2)(3)(4)可知,整个电路的放大倍数要介于182530倍之间,即在25dB68dB之间手动可调,有因为单级的放大倍数大概在20dB左右,因此要采用两级前置放大,再加上一级功率放大来达到实验的要求。(4)电路仿真的原理图:(5)、各电阻阻值的确定:前置放大电路由NE5532用电压跟随器和两级同相比例放大电路组成。其中电压跟随器,实现了阻抗匹配,增大输入电阻。-(1)-(2)由(1)(2)可知,电压的放大倍数要达到182530倍,又因为NE5532采用正负12V电压供电,题目要求峰峰值10mV1.4V输入,电路放大的电压超过2
8、0V会失真,所以第一级设计放大13倍,这样1.4V输入的时候,放大13倍,约为18V不超过20V,就不会失真。由于第一级放大13倍,则:-(3)电阻的取值不宜过大,取=1K,由(3)可知,=12K。其中,-(4)由(4)可知,所以平衡电阻约为1K。为了使输出电压放大倍数可调,所以在第一级和第二级之间加了电位器进行分压,取电位器。第二级同相比例放大电路中,和第一级的差不多,因为要实现最大放大倍数为2630,假设功率放大部分放大10倍,第一级放大13倍,为了提高输出功率,第二级放大倍数设为21倍。-(5)电阻的取值不宜过大,取=1K,由(5)可知,=20K。-(6)由(6)可知,平衡电阻约为1K(
9、6)、PCB板设计:前置放大电路原理图前置放大电路PCB变换电路设计:(1)、电路的组成:用运放做比较器电路,利用正反馈电路,将小的交流信号转化为峰峰值比较大的方波信号,再经过电阻的分压,可以得到信号比较小的方波信号;将分压电阻换成滑动变阻器,可以通过调节滑动变阻器,得到峰峰值为200mv的方波信号;运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管,用来控制输出电压的幅值,使输出信号稳定在一定范围内。另外,为达到输出方波的上升下降时间小于1us和双极性方波,要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放。(2)、变换电路原路图:(3)、电路的原理:上图中,R1和R2构成正反馈回路,R3对输出的波形具有
10、分压作用;Uz由两个相反极性的稳压二极管构成,用来限制输出信号的幅值;之后R4和R5电路为一个分压电路,最后由一个电压跟随器加在输出端,以提高带负载能力。(4)、各电阻和电容的确定:若设电阻R1=100,题目中输入信号为1KHZ,幅值没有要求,,经过第一级正反馈,输出电压的幅值达到电源电压Uo1=5V,但由于稳压管的存在, ,(电路中所用的稳压二极管是反向稳压幅度为2.2V,正向为0.7V)假定输入电压为ui=100mv,为了保证输出的信号为方波信号,则+ui+,即28K,因此取R2=33K,R3阻值任意,可取100;R4 R5为分压电路,取值分别为10K和5K。(5)电路仿真的原理图:电路仿
11、真的原理图:(6)、PCB板设计变换电路PCB原理图变换电路PCB图功率放大电路设计:(1)、电路的组成:功率放大的芯片有TDA2040A、TDA1514,但TDA2040A的功率裕量不大,TDA1514的外围电路比较复杂,又容易自激。而LM1875是一款功率放大集成块,它的优点是外围电路简单,输出的功率大,芯片内部有感性负载反向电势安全工作保护,又容易制作和调试,所以本实验选用LM1875芯片作为功率放大的芯片。(2)、测量放大器原路图:(3)、各电阻和电容的确定:为了阻抗匹配,同相输入端=1M,和组成了高通滤波器,令=100K,=4.7uF,则截止频率10W 所以达到了实验的要求。(2)当
12、输入的幅值为700mV时:图(2)分析:从上图(2)可以看出,当输入幅值为700mV时,输出电压的峰峰值为34.8V,根据=18.9W 10W 所以达到了实验的要求。2、带宽分析:(1)当输入的幅值为5mV,频率为50HZ时:图(3)分析:从上图(3)可以看出,当输入幅值为5mV,频率为50HZ时,输出电压的峰峰值为33.4V,根据=17.4W 10W 所以达到了实验的要求。(2)当输入的幅值为5mV,频率为10KHZ时:图(4)分析:从上图(4)可以看出,当输入幅值为5mV,频率为10KHZ时,输出电压的峰峰值为33.4V,根据=17.4W 10W 所以达到了实验的要求。3、效率分析:图(5
13、)分析: 如上图(5)所示:输出电压的峰峰值为34.8V,所以输出的功率为W-(1)又因为:-(2)其中=12.3-(3)由(2)(3)得,A-(4) 又因为功率放大级用正负U=18V的电压供电,所以1.54*18=27.66W-(5)所以, 55%,所以符合实验的要求。4、输出噪声功率分析:图(6)分析: 如上图(6)所示,当输入端接地时,在输出端8负载上,输出的电压为352pV,输出的噪声功率远远小于10mV,所以符合本实验。变换电路和功率放大测试:(1)输入信号为大于200mv,频率为1KHZ时:分析:在输入端加1KHZ,幅值为200mv的正弦信号,通过滑动变阻器的调试,可以输出200的
14、方波,由仿真图可以看出,输出的方波为200mv,上升下降时间分别为831ns和824ns,可以达到题目要求。(2)用方波激励放大通道时,在RL=8的情况下:分析:由上图可以看出,信号经过放大之后,输出的电压峰峰值为Uom=35.8V,所以输出的额定功率10W可以达到题目要求。(3)将方波与功率放大连在一起时的上升和下降时间:分析:由上图可以看出,当方波输入到功率放大电路中时,上升的时间为1.64us12us,下降时间为1,61us10W 所以达到了实验的要求。(2)当输入的峰峰值为1.4V时:图(2)分析:从上图(2)可以看出,当输入峰峰值为1.4V时,输出电压的峰峰值为34.4V,根据=18
15、.5W 10W 所以达到了实验的要求。2、带宽分析:(1)当输入的峰峰值10mV,频率为50HZ时:图(3)分析:从上图(3)可以看出,当输入峰峰值10mV,频率为50HZ时,输出电压的峰峰值为32V,根据=16W 10W 所以达到了实验的要求。(2)当输入的峰峰值10mV,频率为10KHZ时:图(4)分析:从上图(4)可以看出,当输入峰峰值为10mV,频率为10KHZ时,输出电压的峰峰值为32.8V,根据=16.8W 10W 所以达到了实验的要求。3、非线性失真系数分析:图(5)分析:如上图(5)所示:上图是用示波器的频谱分析得到的基波与各谐波的图片,图中的基波频率与正弦波1KHZ的频率相同
16、,其峰峰值,即有效值为=11.8V。其中,二次、三次、四次、五次谐波分别是2KHZ,、3KHZ、4KHZ、5KHZ,大于五次的谐波太小,可以忽略不计,所以本实验只测试到五次谐波。上图中纵轴每格代表20dB,从图中可以看出,二次、三次、四次、五次谐波,与基波相差45dB、55dB、60dB、55dB,又因为基波有效值为=11.8V,所以的各二次谐波有效值、三次谐波有效值、四次谐波有效值、五次谐波有效值。又根据:所以:又因为 55%,所以符合实验的要求。5、输出噪声功率分析:图(7)分析: 如上图(7)所示,当输入端接地时,在8的负载上测得输出电压的峰峰值为=39.2mV,根据=0.024mW10
17、W可以达到题目要求(2)上升时间和下降时间测量:上升时间分析:由上图可以看出,信号经过放大之后,上升时间为4.008us10us,可以达到实验的要求。下降时间分析:由上图可以看出,信号经过放大之后,下降时间为2.808us10us,可以达到实验的要求。(3)在下,顶部斜降测量:分析:由上图可知,顶部斜降公式为,其中Uo为输出方波的纹波间的峰峰值,Um为输出脉冲幅值。由上图可以知道,Uo=120mv,Um=Vpp=34.4V,则顶部斜降2%,可以达到题目要求(4)在下,过冲量测量:分析:上图可以知道 所以输出波形过冲量,可以达到题目要求(3)、实物图片:前置放大电路实物变换电路实物功率放大电路实
18、物八、方案总结(1)、从上面的实验现象可以看出,额定输出功率、带宽、非线性失真系数、效率、交流噪声功率、方波的频率、上升和下降时间等都达到了实验的要求。(2)、对于功率放大器,有不同的方法来做,可以有分立的元件做,也可以用集成的功率芯片来做,功放芯片也有很多不同的种类,对于不同的功率芯片要合理的选中,有的功率比较小,达不到实验的要求,有的外围的电路比较复杂,所以也要舍去。本实验选用的是LM1875,它是一种比较好的功率芯片,但是也有它的缺点,它是美国国半公司生产的,可是它两年前就停产了,所以现在市场上买到的大多是假的,这是这款芯片的不足之处。(3)1kHz正弦波经过比较器输出的方波抖动比较厉害
19、,抖动较多的话,可以减小Rf2/Rf1。电容消抖不能加在输出端,否则,输出方波的边沿会变得较平坦后,后续测量电路又会产生抖动。 如果调节Rf2/Rf1还不能解决问题,可以在滞回比较器的输入前加一个无源的RC低通滤波器。(4)对于波型转换而言,通过改变电阻的阻值来减小阈值电压,可以实现更小信号的输入而输出方波信号,但是上升下降时间就会随之增大,这个问题尚未得到解决?(5)、通过本次的实验,熟悉了NE5532和LM1875芯片,懂得了音频功率放大器的基本工作原理,对于前置放大部分,我用的是一个电压跟随器和两级的同相比例放大构成的,在实验过程中,通过一步一步的调试,以达到了实验的要求,在这过程中学到
20、了很多的东西,增添了对电子的兴趣。(6)、本次的实验基本达到了实验的要求,但由于自身的知识还比较局限,学到的知识还没有那么完善,实验的结果存在少许误差,以后我会在这方面多花时间,培养自学能力和解决实际问题的能力,以后我会做的更好。九、改进与提高1.就波型转换而言,可以尝试用其他高速比较器实现,可以达到输入最小电压幅值更小且上升下降时间更低,但目前还尚未找到。2.就波型转换而言,输入端可以加一个比例放大电路模块,可以提高输出电压的带宽,可达到5-700mv的正弦波输入,实现200的方波输出。3.功率放大模块可采用分离元件实现,如甲类、乙类、甲乙类等功率放大电路,可以达到输出更好地的波形。专心-专注-专业