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1、-第 1 页电电设设95年年A题实题实用低频功率放大用低频功率放大器器(不错不错)-第 2 页实用低频功率放大器实用低频功率放大器一、一、系统功能及性能指标系统功能及性能指标1 1、基本要求：、基本要求：输入电压幅度 5700mV负载8LR额定输出功率WPOR10带宽000HZ 1050BW在ORP和BW的内的非线性失真系数%3在ORP下的效率%55在8LR的负载上的交流声功率mV102 2、发挥部分：、发挥部分：产生1000fHZ、上升和下降时间us1、mVVPP200的对称方波在ORP下输出波形上升和下降时间us12、输出波形顶部斜降%2在ORP下输出波形过冲量%5二、实验目的二、实验目的
2、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;-第 3 页（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
3、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、方案论证四、方案论证前置放大前置放大: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
4、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：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-第 4 页一个环节出现问题，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
5、，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21THTHUU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方案一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
6、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，灵敏度高，压摆率比较大，容易达到实验要求。这里我们用电压比较器-第 5 页LM311 仿真后，发现 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、芯片手册五、芯片手册NE5532 芯片手册芯片手册LM318 芯片手册芯片手册LM1875 芯片手册芯
7、片手册五、系统硬件电路设计五、系统硬件电路设计弱信号前置放大级设计：弱信号前置放大级设计：（1 1）、电路的组成：、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 2）、测量放大器原路图：、测量放大器原路图：（3 3）、工作原理：、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负载上要获得额定输出功率WPOR10，根据：2530565
8、.12)in(mVVmUUINOM-（1）1870065.12)max(mVVUUINOM-（2）dB25)18log(20-（3）-第 6 页dB68)2530log(20-（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 4）电路仿真的原理图：）电路仿真的原理图：（5 5）、各电阻阻值的确定：、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
9、配，增大输入电阻。2530565.12)in(mVVmUUINOM-（1）1870065.12)max(mVVUUINOM-（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 20V 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：13123RR-（3）电阻的取值不宜过大，取2R=1K，由（3）可知，3R=12K。其中，324/RRR-（4）由（4）可知，所以平衡电阻4R
10、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-第 7 页电位器进行分压，取电位器KR105。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。21167RR-（5）电阻的取值不宜过大，取6R=1K，由（5）可知，7R=20K。768/RRR-（6）由（6）可知，平衡电阻8R约为 1K（6 6）、PCBPCB 板设计：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：变换电路设计：（1 1）、电路的组成：、电路的组成：用运放做比较器电
11、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 2）、变换电路原路图：、变换电路原路图：（3 3）、电路的原理：、电路的原理：-第 8 页上图中，R1 和 R2 构成正反馈回路，R3 对输出的波形具有分压作用；Uz 由两个相反极性的稳压二
12、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 4）、各电阻和电容的确定：、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，2.9Vz UUO，(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+THU,即THU28K,因此取 R2=33K，R3 阻值任意，可取 100；R4 R5 为分压电路，取值分别
13、为 10K 和 5K。（5 5）电路仿真的原理图：）电路仿真的原理图：电路仿真的原理图：（6 6）、PCBPCB 板设计板设计变换电路 PCB 原理图变换电路 PCB 图-第 9 页功率放大电路设计：功率放大电路设计：（1 1）、电路的组成：、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 2）、测量放
14、大器原路图：、测量放大器原路图：（3 3）、各电阻和电容的确定：、各电阻和电容的确定：为了阻抗匹配，同相输入端10R=1M，2C和11R组成了高通滤波器，令11R=100K，2C=4.7uF，则截止频率HZCRf39.3107.41010014.321216321110W 所以达到了实验的要求。（2）当输入的幅值为 700mV 时：图（2）分析：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LPPRU2)22(=8)228.34(218.9W 10W 所以达到了实验的要求。2、带宽分析：、带宽分析：（1）当输入的幅值为 5mV，频率为 50HZ
15、时：图（3）分析分析：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LPPRU2)22(=8)224.33(217.4W 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：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LPPRU2)22(=8)224.33(217.4W10W 所以达到了实验的要求。-第 12 页3、效率分析：、效率分析：图（5）分析分析：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9.1882
16、28.34)22(22）（LPPORRUPW-（1）又因为：IUPOMOR-（2）其中22PPOMUU=228.34=12.3-（3）由（2）（3）得，54.13.129.18OMORUPIA-（4）又因为功率放大级用正负 U=18V 的电压供电，所以OMUIP电源1.54*18=27.66W-（5）所以，%3.68%10066.279.18电源效率PPOR 55%，所以符合实验的要求。4、输出噪声功率分析：、输出噪声功率分析：图（6）分析分析：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
17、试：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：分析：在输入端加 1KHZ，幅值为 200mv 的正弦信号，通过滑动变阻器-第 13 页的调试，可以输出 200 的方波，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：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WRUPLPPOR05.40828.35)2(22）（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
18、：分析：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：-第 14 页图（2）分析：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LPPRU2)22(=8)224.34(218.5W 10W 所以达到了实验的要求。2、带宽分析：、带宽分析：（1）当输入的峰峰值 10mV，频率为 50HZ 时：图（3）分析：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LPPR
19、U2)22(=8)2232(216W 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LPPRU2)22(=8)228.32(216.8W10W 所以达到了实验的要求。3、非线性失真系数分析：、非线性失真系数分析：图（5）分析：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-第 15 页各谐波的图片，图中的基波频率与正弦波 1KHZ 的频率相同，其峰峰值VVPP4.33，即有效值为1PV=11.8V。其中，二次、三次、四次
20、、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1PV=11.8V，所 以 的 各 二 次 谐 波 有 效 值VVP065.02、三次谐波有效值VVP021.03、四次谐波有效值VVP0118.04、五次谐波有效值VVP021.05。又根据：%100基波信号有效值总谐波信号有效值非线性失真系数所以：%61.08.11021.00118.0021.0065.0.2222
21、12252423220PPnPPPPVVVVVVr又因为0r 55%，所以符合实验的要求。5、输出噪声功率分析：、输出噪声功率分析：图（7）分析分析：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噪声U=39.2mV，根据LRUP222）（噪声噪声=8)22102.39(23=0.024mW10W 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ORP下，
22、顶部斜降测量：分析：分析：由上图可知，顶部斜降公式为mUUO，其中Uo 为输出方波的-第 18 页纹波间的峰峰值，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%35.0%100104.34120%1003mUUO2%,可以达到题目要求（4）在ORP下，过冲量测量：分 析：分 析：上 图 可 以 知 道mV200mOU所 以 输 出 波 形 过 冲 量%5%17.0%100104.3460%100a3mOmUU,可以达到题目要求（3 3）、实物图片：、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物八、方案总结八、方案总结（1）、从上面的实验
23、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。-第 19 页（3）1kHz 正弦波经过比较器输出的方波抖动比较厉害,抖动较多的话，可
24、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，在这过程中学到了很多的东西，
25、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-第 20 页出。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。