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毕业论文-低噪声超低频功率放大器设计 毕业论文低噪声超低频功率放大器设计摘要本文主要描述了一个具有低噪声性能的前置放大器和一个频率范围在0100Hz的功率放大器的设计，并要求整个电路的放大功率达300W以上。本文介绍了音响中超低频功率放大器及低噪声前置放大器的根本原理、电路设计等内容。整个电路主要由稳压电源、前置放大器、低通滤波器、功率放大器4 局部构成。稳压电源主要任务是为前置放大器、低通滤波器、功率放大器提供稳定的直流电压。前置放大器主要任务是完成小信号电压放大，同时要求低噪音。低通滤波器主要任务是实现频率的选择。功率放大器的主要任务是实现电压的放大，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。本设计采用集成电路NE5532、UA741及D-200W实现设计要求，并用Multisim软件仿真。设计的电路结构简洁、实用，充分利用了集成功放的优良性能。实验结果说明该前置放大器及功率放大器等组成的音响系统在带宽、功率、噪声等方面具有较好的指标、较高的实用性，为音响的设计提供了广阔的思路。关键词： 前置放大器、功率放大器、低通滤波器、低噪声、低频ABSTRACTThis paper mainly describes the design of a preamplifier with low noise performanceand the power amplifier with a frequency range from 0 to 100Hz. And the power of the whole circuit should be 300W above.This paper introduces the basic principles and circuit designs of the super low frequency power amplifier and low noise preamplifier, etc. The entire circuit is composed of 4 parts, namely, power supply, preamplifier, low-pass filter, power amplifier.The power supply provides a stable DC power for preamplifier, low-pass filter and power amplifier. The preamplifiers main task is to complete the small-signal voltage amplification, and it also requires low noise. The low-pass filters main task is to realize the frequency selection. The power amplifier's main task is to realize the voltage amplification and as efficiency as possible to provide a large power to the load. This design uses the integrated circuits NE5532, UA741 and D-200W realize the design requirements, and simulation with Multisim software. The design of the circuit structure which takes full advantage of the excellent performance of the integrated amplifier is simple and practical.The experimental results show that the power amplifier and preamplifier have good index, higher practicability and provide a broad idea for power amplifier design in bandwidth, distortion degree and noise.Keywords: preamplifier, power amplifier, low pass filter, low noise, low frequency目录1 绪论11.1 音频功率放大器简介11.2 前置放大器及功率放大器的开展现状31.3 本课题的研究内容及总体设计方案42 根底知识介绍52.1 放大器常见名词52.2 前置放大器及功率放大器的相关知识62.3 前置放大器的噪声92.4 低通滤波器简介113 芯片及软件介绍143.1 UA741集成运放简介143.2 NE5532集成运放简介163.3 Protel 99 简介193.4 Multisim10.0简介234 放大器设计264.1 系统设计根本要求264.2 系统设计总体方案及框图264.3 低噪声前置放大器设计284.4 低通滤波器设计304.5 功率放大器设计344.6 总体电路原理图405 测试结果415.1 前置放大器测试结果415.2 低通滤波器测试结果445.3 噪声测试结果486 结论50参考文献52致谢54附录56附录一 英文文献及翻译56附录二 总体电路原理图731 绪论功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活的联系越来越密切。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，如更好的声音效果，是促使消费者购置产品的一个重要因素。前置放大器处于处理系统的最前端，用于放大信号、降低噪声干扰、提高信号灵敏度，使系统获得所需的处理数据。低频功率放大器作为音响等电子设备的后级即放大电路，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。此外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局部，因此设计出低价格、低噪声、高保真、简洁实用的前置放大器和低频功率放大器是一个开展方向。1.1 音频功率放大器简介在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。1。所以，1。音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。功率放大器2随着科技的进步是不断开展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的开展阶段：电子管功放、 晶体管功放 、集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器包括场效应管功率放大器和集成电路功率放大器包括厚膜集成功率放大器，目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比拟简单，其缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真很容易减少到0.05%以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断开展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。由于集成电路技术的迅速开展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多 , 典型的有LM1875、TDA1521、TDA15143等。1.2 前置放大器及功率放大器的开展现状由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。现今功率放大器不仅仅是消费产品 音响 中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。然而低频功率放大器已经是一个技术相当成熟的领域，几十年来,人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识上都取得了长足的进步。目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多，典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514等。这些优质功放模块体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作易调试。最近，一种应用砷化钾MESFET制成的功率放大器MMIC，在移动 和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.5×3.48平方毫米的MMIC输出功率可达1.1W，工作频率达950MHz。前置放大器4是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音调控制。前置放大器在音频系统中的作用至关重要。如今人们对前置放大器的要求越来越高，不仅要高保真、高增益、宽频响，而且要快响应，最好还要低噪声。符合上述条件的集成电路有：LM5212、LM5213、TDA1514、NE5532等。低噪声放大器被广泛应用于视频放大器中，是数字电视和超宽频信号处理器必不可少的一局部5。1.3 本课题的研究内容及总体设计方案本课题主要研究低噪声前置放大器和超低频功率放大器。本文给出一种简单实用、制作本钱低廉的低噪声前置放大器和超低频功率放大器的设计方案，并给出仿真测试结果。本设计可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成放大器，如果进行精心的设计，那么在效率和失真方面更优于集成的，价格方面廉价一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时，元件性能就不能很好的表现出来,制作调试比拟困难。从电路的简单性和易调性考虑，集成电路更好些。所以，本次设计前置放大器采用集成电路实现，功率放大器采用模块完成。本超低频功率放大器及低噪声前置放大器系统总体设计框图如图1.1所示，共由四局部组成：前置放大器、低通滤波器、功率放大器和稳压电源。前置放大器主要任务是完成小信号的电压放大，同时要求低噪声。低通滤波器主要实现频率的选择，到达通带为0100Hz的要求。功率放大器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，最少到达300W以上。稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源。通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、UA741及D-200W模块的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且到达大功率、低噪声、高增益、高保真、高效率、宽频带、快响应的指标。总体设计框图如下：2 根底知识介绍2.1 放大器常见名词一、灵敏度对放大器来说，灵敏度一般指到达额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音箱施加1W的输入功率，在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的声压值。二、阻尼系数阻尼系数是指放大器的额定负载 扬声器 阻抗与功率放大器实际阻抗的比值。, 使系统获得所需的数据信息。前置电路的噪声干扰, 对后级的影响极大4。1、低噪声前置放大电路的影响因素4 1 电导体内电流的电子能量不规那么波动产生的具有宽带特性的热噪声； 2 由于晶体外表不断产生或整合载流子而产生的闪烁噪声； 3 由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生肖特基噪声。2、低噪声放大电路的设计要求4为保证微弱的接受信号不被环境和电路内部固有噪声所淹没7-9，所以必须要求： 1 足够的增益和频带宽度； 2 良好的增益线性，较小的失真； 3 较低的输入阻抗； 4 降低电路元件内部噪声； 5 降低输入电阻的热噪声。二、功率放大器10 功率放大器的任务是实现对信号的电压和电流放大；功率放大器随着科技的进步是不断开展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的开展阶段：电子管功放 晶体管功放 集成功放。低频、超低频放大器的工作频率范围是: 10 300 kHz。1、此频段放大器具有广泛的用途, 主要应用有： 1 军事通信，用于国家军事指挥系统，将指挥命令调制到载波信号上，用功率放大器放大到所需要的等级，再传输到天线上发射出去； 2 导航，用于罗兰C 等远程精确定位导航； 3 低频时码授时发送， 用于国家标准时间的发布， 将标准原子钟产生的标准时间信息，如： 年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等经编码、调制到载波信号上，再用功率放大器放大到一定功率，传输送到天线上发射出去； 4 高频加热，用于各种工业加热，如钢管、铅管的高频焊接，将载波放大到较大功率，经匹配器送给焊枪进行各种焊接； 5 海洋探测，将一定功率的低频、超低频放大器定向发送至海水中，接收反射回波，像雷达一样，对海洋进行探测，如深海探矿等。对于了解、利用海洋资源具有深远的意义，从而被推广使用。 6 医疗设备，低频、超低频波段的放大器由于其波长特性，对人身有较好的作用，目前有许多低频、超低频医疗设备应用，如肌肉拉伤后的恢复治疗、肿瘤加热治疗等。低频、超低频放大器随着应用的开展，所需要的功率等级越来越大，从20 世纪50 60 年代的几十千瓦到现在的几百千瓦、几兆瓦，尤其是军事和高频加热领域，几兆瓦的需求比比皆是，放大器的功率从小到大，到超大功率在迅猛地开展。2、低频、超低频放大器的实现途径超大功率等级的低频、超低频放大器，由末级功率器件及放大电路决定的，可以有下述4 种途径实现： 1 用电子管为功率放大器件的模拟放大器； 2 用电子管为功率放大器件的开关放大器； 3 用充氢闸流管为功率放大器件的开关放大器； 4 用固态晶体管为功率放大器件的开关放大器。3、 4 种大功率放大器 1 用电子管为功率放大器的模拟放大器用电子管作为末级放大器件，采用模拟放大技术被广为应用多年，是经典、成熟的技术，被世界各国使用至今。 2 用电子管作为功率放大器件的开关放大器近几年，俄罗斯成功研制了电子管开关放大器，并已投入使用，美国也有相关产品的介绍，而我国还是空白。 3 用充氢闸流管为功率器件的开关放大器在俄罗斯，俄罗斯专家采用原本应用于雷达设备领域的大功率充氢闸流管作为功率器件的放大器，用作无线电发送设备。我国也引进了这种技术，研制出兆瓦级设备， 现已投入使用。已投入使用的兆瓦级设备采用了俄罗斯2- 1000/ 30型充氢闸流管。其特点是：脉冲电流大，板级电压高，重复频率低，平均电流小。无法直接像三极管、四极管模拟或开关放大器应用。采用多单元轮流工作的方法可以有效提升工作频率；采用正负双极性电源，可降低板级电压； 采用每臂2 只管子并联使用，可保障阳极平均电流控制在合理范围；采用内接交叉限幅二极管，保障充氢闸流管板级及充放电电容电压平安工作，又可使放大器更好地适应负载变化。 4 用固态晶体管为功率器件的开关放大器随着半导体器件的开展，尤其是电力电子器件的开展，固态器件的耐压、电流以至工作频率均有增加，为固态大功率放大器提供了极好的条件，故近年来，固态放大器有了长足的开展，兆瓦级的放大器和加热设备都有产品出现。2.3 前置放大器的噪声在设计低噪声前置放大器之前，我们必须仔细审视源自放大器的噪声，一般来说，运算放大器的噪声主要来自四个方面：1. 热噪声 Johnson ：由于电导体内电流的电子能量不规那么波动产生的具有宽带特性的热噪声，其电压均方根值的正方与带宽、电导体电阻及绝对温度有直接的关系。对于电阻及晶体管 例如双极及场效应晶体管 来说，由于其电阻值并非为零，因此这类噪声影响不能无视。2. 闪烁噪声 低频 ：由于晶体外表不断产生或整合载流子而产生的噪声。在低频范围内，这类闪烁以低频噪声的形态出现，一旦进入高频范围，这些噪声便会变成“白噪声。闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大。3. 射击噪声 肖特基 ：肖特基噪声由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生，其电流的均方根值正方与芯片的平均偏压电流及带宽有直接的关系。这种噪声具有宽带的特性。4. 爆玉米噪声 popcorn frequency ：半导体的外表假设受到污染便会产生这种噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。生产半导体时假设采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。此外，由于不同运算放大器的输入级采用不同的结构，因此晶体管结构上的差异令不同放大器的噪声量也大不相同。下面是两个具体例子。双极输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由电阻的热噪声以及输入基极电流的高频区射击噪声所造成，低频噪声电平大小取决于流入电阻的输入晶体管基极电流产生的低频噪声；噪声电流主要由输入基极电流的射击噪声及电阻的低频噪声所产生。表2.1供电电压Spec5V，TJ 25C1KHz1KHz最低V最高V增益带宽积GBWF补偿电压Vos最高nV/p/LMV7512.75.05MHz1mV1nV0.01LMV721/22.25.010 MHz3 mV3 nV0.2LMV7712.75.53.5 MHz0.85 mV0.85 mV0.001CMOS 输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪声及低频区的低频噪声所造成，CMOS 放大器的转角频率 corner frequency 比双极放大器高，而宽带噪声也远比双极放大器高；噪声电流主要由输入门极漏电的射击噪声所产生，CMOS 放大器的噪声电流远比双极放大器低，但温度每升高10C，其噪声电流便会增加约40%。2.4 低通滤波器简介 低通滤波器的介绍滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。而低通滤波器又可以分为无源低通滤波器和有源低通滤波器。无源低通滤波器仅由无源元件电阻、电容、电感组成，而有源滤波器那么由无源元件和有源元件双极型管、单极性管、集成运放共同组成。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能到达理想要求。为了寻找最正确的近似理想特性，本文主要着眼于幅频响应，而不考虑相频响应。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高6，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由 n-1 /2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的根底。一、滤波器的性能参数通带截止频率fp、通带增益Avp。1、通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数根本为零。通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同，通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。简单一阶低通有源滤波器一阶低通滤波器的电路，特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。当f 0时，电容可视为开路一阶低通滤波器的传递函数一RC低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益Avp这一项。简单二阶低通有源滤波器为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：1根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。2选择具体的电路形式。3根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。4解方程组求出电路中元件的具体数值。5安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。3 芯片及软件介绍3.1 UA741集成运放简介图3.1 UA741管脚图UA741管脚图为图3.1。UA741芯片是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用。为提高运算精度3.1所示。表3.1 T 25oC，U+ +15V，U+ -15V参数名称测试条件最小典型最大单位输入失调电压Rs10k1.05.0mV输入失调电流20200nA输入偏置电流80500nA输入电阻0.32.0M输入电容1.4pF大信号电压增益RL2 k，UO±10V50k200k输出电阻75输出短路电流25mA电源电流1.72.8mA功耗5085mW转换速率RL2k0.5V/?s共模抑制比Rs10k，UCM ±12V7090dB增益带宽乘积1MHz在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器，用直流电压表测量输出电压Uo，细心调节，使Uo为零即失调电压为零。如果一个运放如不能调零，大致有如下原因：组件正常，接线有错误。组件正常，但负反应不够强，为此可将短路，观察是否能调零。组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，那么属于这种情况。组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。组件内部损坏，应更换好的集成块。图3.2 NE5532集成运放管脚图 NE5532是高性能低噪声双运放，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。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。1小信号带宽：10MHz； 2输出驱动能力：600?，10V； 3输入噪声电压：5nV/HZ典型值 ； 4DC 电压增益：50000； 5AC 电压增益：10KHz 时 2200； 6电源带宽：140KHz； 7转换速率：9V/S； 8大电源电压范围：±3±20V。NE5532极限参数：电源电压：Vs ±22V 输入电压：VIN ±V电源 V 差分输入电压：VDIFF ±5V 工作温度范围：TA 070 存贮温度：TSTG -65150 结温：Tj 150 功耗5532FE ：PD 1000mW 引线温度焊接，10S 300直流电气参数：如表 所示。 交流电气参数：如表 所示。表 直流电气参数假设无特别说明，Vs ±15V TA 25参数名称测试条件SE5532/5532ANE5532/5532A单位最小值典型值最大值最小值典型值最大值失调电压VOS VOS/T 过温0.520.54mV35mV55V/失调电流IB IOS/T 过温?10010150nA200200nA200200PA/输入电流IB IB/T 过温200400200800nA7001000nA55mA/电源电流ICC过温816mA13mA共模输入范围VCM±12±13±12±13V共模抑制比CMRR8010070100dB电源抑制比PSRR1010100V/V大信号电压增益AVOLRL2K,Vo ±10V5025100V/mV过温2515V/mVRL600,Vo ±10V401550V/mV过温2010V/mV输出摆动电压VOUTRL600±12±13V过温±10±12VRL600,Vs ±18V±15±16V过温±12±14VRL2K,过温±12±13±10±13V输入阻抗RIN3030030300K输出电流ISC103860103860mA表 交流电气参数假设无特别说明，Vs ±15V TA 25参数名称测试条件NE/SE5532/5532A单位?最小值典型值最大值输出阻抗ROUTAV 30dB，闭环f 10KHz，RL 6000.3过调电压跟随器VIN 100mVP-PCL 100pF，RL 60010增益f 10KHz2.2V/mV增益带宽CL 100pF，RL 60010MHz转换速率9V/S电源带宽VOUT ±10V140KHzVOUT ±10V，RL 600100KHzVCC ±18VPROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。alt+tab在翻开的各个应用程序之间切换 3.4 Multisim10.0简介Multisim是美国国家仪器NI推出的以Windows为根底的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。一、multisim 10概述1、通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 2、通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为 3、借助高级电路分析, 理解根本设计特征 4、通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 5、通过改良、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间 二、直观的捕捉和功能强大的仿真：NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创立具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比拟具有模拟数据的实现建模测量。4 放大器设计4.1 系统设计根本要求设计要求：1、输出功率：300W以上。2、负载阻抗：4。3、通频带fs: 0Hz100Hz。4、灵敏度：话筒输入：5mV5、低噪声。4.2 系统设计总体方案及框图本文以音响设计为例，通过对音响中前置放大器和功率放大器的设计来实现本课题的设计要求。由于要求低噪声，所以设计前置放大器时不仅要从电路设计来减少噪声，而且还要从电阻、电容、集成运算放大器等器件的选取来减小噪声的影响。又由于通频带为0Hz100Hz，所以可以采用低通滤波器来实现。要求尽可能的放大功率，所以放大局部采用“超级功放王D-200W模块。系统分为左右两声道，且相互对称。稳压电源直接采用相应的直流电源。通过对设计要求和设计方案的分析，系统框图如下所示。图4.1 系统框图 在开始进行实践时，首先先确定系统电路的级数分配，在根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路的参数。确定各级的增益分配：因为本设计的输出功率为400W，那么只考虑一个声道可得负载上的电压为 ： 又话筒输入为5mV，那么整个电路的增益为20lg28.2/0.005 75dB。令低通滤波器的放大倍数为1，那么各级的增益如下：功率放大器：40 dB模块规定。低通滤波器：0dB。前置放大器：35dB。那么可知各级的增益分配如下所示：图4.2 系统增益分配图4.3 低噪声前置放大器设计 由于信号源输入的信号幅度较小，缺乏以推动以后的功放电路，因此要用电压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大。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，低噪声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：LF347、LF353、LF357、LF356、0P-16、OP-37、NE5532、M5212、LM5213、LM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。主要考虑的技术指标是带宽、电压增益、噪声和转换速率等。一、电路形式的选择本系统设计选用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，减小输出噪声，提高带负载能力，采用集成运算放大器构成前置放大器电路时，必须采用同相比例放大电路结构，电路如图4.3所示。对于信号源，其负载约为47K，所以选用电压串联负反应方式的同相比例放大器，它可以使输入电阻增大，输出电阻减小，且输入输出电压同相。又因为前置放大级的增益为35dB，即56倍，前置放大级电路采用二级，第一级与第二级采用电容耦合方式，总的电压放大倍数为Auf 56，设计中选用Auf1 1，Auf2 56。图4.3 前置放大器电路图其中第一级实际上是一个电压跟随器，具有输入电阻大，输出电阻小的特点，可以做多级放大器的中间级，即缓冲级。说得通俗一点，就是做阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配。它提高了带负载的能力。当输入信号时，此时第二个NE5532为放大器，信号将放大56倍后到低通滤波器的输入端。 二、集成运放的选择 因为Auf2 56，根据通频带0Hz100Hz，其上线频率为100Hz，那么集成运放的放大倍数带宽积应满足以下关系： GBAuf2*fh 56*100Hz 5.6KHz从运放的资料手册中可查出NE5532的单位放大倍数带宽GB 10MHz，满足要求。三、各元件的参数选择和计算电路中电容C11是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容或普通电解电容，一般选为10F，R11可选用较大的电阻，取1M，电阻R12取10K，第二个NE5532构成的是放大倍数为56的电压放大电路，同相交流放大电路的平衡电阻可尽量选得大一些，一般为10K以上，这样有利于提高放大电路的输入电阻，由于输入电阻为47K，应选RP2的阻值为47K，R21取1K，耦合电容C12为10F。由Auf2 1+R23/R22 及R21 R23/R22，Auf2 56，可得R21 R22 1K，R23 56K。C21、C22、C23、C24主要用于电源旁路滤波，一般C21，C23用电解电容，其值为220F，C22，C24用普通的电容，一般取值为22F。NE5532的电源为±15V的直流稳压电源。又由于要求低噪声，所以选用高性能低噪声金属薄膜电阻5。4.4 低通滤波器设计 设计思路低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。根据设计要求，选择巴特沃斯低通滤波器。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。由于一阶低通滤波器过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频6。三阶及以上低通滤波器的设计计算复杂，所以选择二阶有源低通滤波器电路，即n 2。有源2阶低通滤波器电路如图4.4所示，电路中既引入了负反应，又引入了正反应。当信号频率趋于零时，由于C的电抗趋于无穷大，因而正反应很弱；当信号频率趋于无穷大时，