低频功率放大器设计大学论文.doc

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1、河南工程学院毕业设计 河南工程学院毕业设计（论文）低频功率放大器学生姓名： 系 （部）： 电气信息工程系 专 业： 电气自动化技术指导教师： 2010年 6月10 日摘 要低频功率放大器是目前普遍应用于音频放大上的一种放大器，本方案采用分立MOS管IRF640和IRF9640组成，分立元件功放的优点是可以对工作状态和性能进行逐级调整，具有通频带宽，负载能力强，高保真等优点。本设计的低频功率放大器同时还具有测量显示功率输出、电源供给功率和整机效率的功能。 本文首先对功率放大器的课题背景作简要的说明，随后对功率放大器的一些基础知识进行介绍。此外，相应的介绍低频功率放大器的各单元电路前置放大、音调控

2、制电路、音量控制电路和功率放大部分及功率测量的组成与工作原理，详细叙述了前置放大、功率测量电路部分。最后，本文具体叙述实用低频功率放大器的安装与调试，并对电路在工作中易出现的失真情况做了细致的分析。关键词： 低频功率放大器 功率输出 音调控制电路 音量控制电路 Abstract Low-frequency power amplifier is widely used in the audio amplification on an amplifier, the program using discrete MOS tube IRF640 and IRF9640 component, discr

3、ete power amplifier has the advantage of the condition and performance can be adjusted step by step, with the pass-band bandwidth, load ability, fidelity and so on. The design of low-frequency power amplifier is also shown with measured power output, power supply, power and efficiency of the unit fu

4、nctions. This paper first a brief background of the subject PA instructions, followed by some basic knowledge of the power amplifier are described. In addition, the corresponding low-frequency power amplifiers introduce each unit - preamplifier circuit, tone control circuit, the volume control circu

5、it and power amplifier section and power measurement of the composition and working principle, detailed description of the preamplifier, power measurement circuit part . Finally, this paper describes the utility of specific low-frequency power amplifier installation and commissioning, and the circui

6、t in the work situation, and so prone to distortion in the detailed analysis.Key words:Low-frequency power Amplifier output Volume control, Tone control circuit circuit提供更好的翻译建议感谢您为 Google 翻译提供翻译建议。目 录摘 要1目 录3前 言4第一章 功率放大器技术指标概述6第一节 功率放大器参数第一节6第二节 功率放大器分类6第三节 功率放大器在实际的应用6第二章 理论分析与设计方案选择7第一节 系统方案选择7第

7、二节 总体设计思路8第三章 各模块具体实现原理分析和说明9第一节 带阻滤波电路9 第二节 前置放大及滤波电路11 第三节 功率放大电路11第四节 采样电路12第五节 信号处理13第六节 显示部分13第七节 电源部分14第八节 单片机最小系统电路原理14第四章 测试方案与测试结果14第一节 用到的仪器仪表14第二节 测试方法15第三节 测试数据15第五章 软件设计16第一节 软件流程16第二节 整体程序17参考文献26致 谢27前言功率放大器在家电、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。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声

8、音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后即放大电路，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。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主要部分。因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。功率放大器随着科技的进步是不断发展的，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发展阶段：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

9、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、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、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

10、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发展，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发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。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

11、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。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，在移动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.53.48平方毫米的MMIC输出功率可达1.1W，工作频率达950MHZ。本文给出一种简单实用、制作成本低廉

12、的实用低频功率放大器的设计方案,并给出实际测试结果。功率放大可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成功率放大器，如果进行精心的设计，则在效率和失真方面更优于集成的，价格方面便宜一点，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,制作调试比较困难。从电路的简单性和易调性，集成电路更好些。本次设计功放采用集成电路完成。本实用低频功率放大器设计有两部分组成前置放大级和功率放大级。前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大级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，要求是输出功率要大、效率要高。通过详尽的资料查询

13、和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、LM1875、LF357的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。第一章功率放大器技术指标概述第一节 功率放大器参数功率放大是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载，对功率放大要求如下：1、输出功率要大：要增加放大器的输出功率，必须使晶体管运行在极限的工作区域附近，由ICM.UCM和PCM决定。2、效率要高：放大器的效率定义为：=交流输出功率/直流输入功率。3、非线性失真在允许范围内：由于功率放大器在大信号下工作，所以非

14、线性失真是难免的，问题是要把失真控制在允许范围内。 第二节 功率放大器分类功率放大器按工作状态和电路形式可分成以下几种： 1、甲类功率放大器：在整个信号周期内，存在集电极电流； 2、乙类功率放大器：只有半个信号周期内，存在集电极电流，按电路形式它又可分为： 1)双端推挽电路(DEPP) 2)单端推挽电路(SEPP) 3)平衡无变压器电路(BTL)第三节 功率放大器在实际的应用在实际中，为了克服交越失真，推挽式昌体管电路是工作于甲、乙类状态的。一。甲类功率放大器 甲类功率放大器，负载RL通过阻抗变换器B变成集电极负载RL=n)(IcM/)=(IcM/)(UcM/)=(1/8)IcMUcM-（式1

15、）；工作点Q的集电极电流ICQ和电压UceQ分别为：ICQ=ICM/2, UceQ=Ec=UCM/2-（式2）所以，直流电源的输入功率：PD=IcQUceQ=(ICM/2)(UCM/2)=1/4IcMUcm-（式3）甲类功率放大器的效率为：=PL/PD=50%-（式4）可见：(1)晶体管的最大集射电压为电源电压EC的两倍。(2)晶体管静态时耗功率为输出功率的两倍。(3)甲类放大器的效率最高只有50%。二。乙类推挽电路图由于输出端使用变压器，因而晶体管对地有两个输出端，设电路完全对称，当输入信号Us为正半波时，BG1截止。BG2导通，输出电压UL为负半波，因此，两管轮流导通，一推一挽地工作，故称

16、为推挽电路。由于两管轮流地工作，所以把两管的输出特性按相反方向叠在一起，两管的交流负载线正好连成直线ab,工作点Q处于直线ab的中点。第二章理论分析与设计方案选择第一节 系统方案选择低频功率放大电路主要可以分为两部分，一是前置放大电路，另外一个是功率放大输出电路。其中前级放大部分基本上都是一样的，功率放大部分目前有以下三种方案可供选择：方案一：功率放大部分采用专用的集成MOS芯片功率放大器，采用专用的集成MOS功率放大器可以达到要求但是它的参数都是固定的，一旦使用便不可改变各级的参数和工作，不够灵活，成本较高。方案二：采用三极管为核心做功率放大电路，这种功放电路输出小，效率低，功耗大，很难满足

17、题目要求。方案三：采用分立的MOS管做功率放大电路，分立元件低频功率放大器虽快被淘汰，但是由于分立元件低频功率放大器可对每级工作状态和性能逐级调整有很大灵活性和自由度，输出波形稳定性好，效率高，成本较低。功率放大器实现方法有几类，低频的有甲、乙、甲乙、丁等几种。甲类效率很低，约20%左右，但是其失真度可以做的非常小，如0.1%，效率没做评分要点，只是适当考虑，所以可以采用；乙类的只能有半周输出，失真度太大所以不能采用。丙类肯定不用了，那是高频功率放大器专用的类型，这里是低频的（10Hz50KHz），所以不能采用；丁类的（就是所谓的D类）采用H桥的开关方式工作，输入的信号要进行PWM（PWM是脉

18、冲宽度调制），H桥输出后是一个开关量，要经过LC滤波转变为模拟量，再传送给扬声器。这种方法效率极高，但是电路复杂，调试困难，且效率不做评分的主要依据，建议舍弃这种方案。经过综合权衡考虑，宜采用方案三比较合适。第二节 总体设计思路该课题有三个主要部分构成，1：功率传输部分；2：电压放大部分（1265倍以上）；3：信号测量部分。课题已经规定了，一定得用场效应管，最好是P沟道和N沟道互补，这么大功率的场效应管要用V-MOS的，需要查场效应管资料来选型，尤其注意其源极电阻要小，这样才能发挥出优秀的转换效率，此外就是电压和电流的选型。电压为双12V，几乎所有的V-MOS管都能满足，电流要大于2A，内阻选

19、8毫欧的便可。电压放大器选择很重要，频带要求是50KHz，放大倍数是1265倍，则增益带宽积要大于1265 X 50=63.25M，选100M以上的。，经过仔细分析，本设计题目按题意主要有三部分组成：前置放大器、功率放大器和功率测量显示。如何实现题目中要求的指标，关键在于对两级放大的设计和制作。另外还有测量显示功放输出功率和电源供给功率的电路。系统总框图如图2.1：图-2.1 系统框图第三章各模块具体实现原理分析和说明第一节 带阻滤波电路 85326741UA741MNU11UC12.2C21UC31UC43.1KRes2R110KR31.6Res2R41KRes2R51KRes2R63.1K

20、R5+15-1512Header 2IN12Header 2OUT图-3.1.1 带阻滤波本系统设计的带阻滤波器用的芯片是UA741高增益运算放大器，功耗小，成本低。是一种普遍使用的高精度运放。输出端交流分析的数据参数的仿真图形如图-3.1.2所示：图-3.1.2 分析得到中心频率为50Hz，阻带频率范围为4060Hz，4555Hz时输出功率衰减大于6dB。电路中元件选择要通过计算实现,其中500KR11K C1=C3200PFR4=0.5R1 C1=C3 C2=2C1 品质因数 当 时 因为 所以第二节 前置放大及滤波电路图-3.2.1集成运放的Vcc采用15V。对第一级A1要求在信号最强时

21、，保证输出不失真。即要求输入最大为5mV，所以Av1 500/5100，取Av1100。第二级要求输出大于等于5V，在输入信号最小为500mV时，曾以为Av22.5/0.0735.7，取Av236。根据前面计算可确定各个电阻的值。电容C3和C4为耦合电容，由于运放同向放大器输入阻抗很高，所以可选用1-10uF电容。上面电路中包含了带通滤波电路，通频带可以达到8Hz60KHz，满足了题目要求。经过改进后已经大大降低了输入幅值达到了2mV输入，输出波形不失真。第三节 功率放大电路题目要求在8电阻负载上，输出功率5W，本方案采用的是MOSFET功率管，具有激励功率小，输出功率大，输出漏极电流具有温度

22、系数，安全可靠无需加保护措施，而且还具有工作频率高、偏置简单等优点。因此我们用MOSFET功率管设计功放电路既简单又方便。 图-3.3.1本方案采用的MOS管是大功率的对管IRF640和IRF9640组成的低频功率放大。调整电位器使两管的静态电流为15mA-20mA左右，即为正常工作状态。电路图如图-3.3.1所示。对参数做了一些改进后，最大输出功率达到了7.6W 。第四节 采样电路图-3.4.1采样部分共有4处，电流采样用的是霍尔传感器TBC25C04,它可以采集直流电流，功耗低，精度高。另外两路采集分是别对功率输出端的电压电流进行采样，其中电流用普通的交流互感器采集就行，电压直接采集功率电

23、阻两端的电压。第五节 信号处理一、信号处理部分框图如图3.5.1图-3.5.1二、主要是处理两路信号，一路是从电源采集出来的电压电流信号，用于计算电源总输出功率；另一路是对功率放大器输出端采集的电压和电流进行处理，用于计算低频功率放大器的输出功率。题目要求的是还要显示整机效率，整机效率就是用测出的功率放大器输出功率与电源供给功率的比值，经单片机计算可得出。这部分电路图如图3.5.2。图3.5.2第六节 显示部分显示模块有很多种，像LED数码管显示、LED点阵显示、LCD1602液晶显示等等，但是考虑到本题目要求显示有三部分，用数码管显示的话需要来回切换档位，而且数码管不能显示字符功耗也很大，综

24、合考虑我们选用LCD12864显示，功耗小，单片机易控制，可同时显示供给功率、输出功率和整机效率，显示界面简单直观。方案选用AT89S52作为控制显示和计算数据的单片机，AT89S52一个低功耗，低成本，高性能CMOS 8位单片机。第七节 电源部分题目要求测量并显示电源的供给功率，而总体电路需要用双15V和5V电源，如果用常规的稳压电源就需要对四路电源输出进行电流采样，这样很浪费霍尔传感器，成本高，电路复杂。所以设计了一种串联式直流稳压电源，其5V输出串接在15V的稳压管后面，这样只需对15V电源进行采样就可以实现测量电源供给功率的目的，从而大大节省了成本，降低的整机的功耗。 第八节 单片机最

25、小系统电路原理图单片机最小系统电路原理图图3.8.1图3.8.1第四章 测试方案与测试结果第一节 用到的仪器仪表：A、双踪示波器：YB4360 B、频率计： YB3371C、高精度万用表：Agilent 34401AD、多功能标准功率表（可测波形失真度）：WT-3020第二节 测试方法：用万用表直接测量电源输出的电流和电压，然后计算出电源供给功率, 与液晶显示的电源供给功率进行比较求出误差。同样的方法可以测量出低频功率放大器的输出功率，从而求出误差。整机效率. 第三节 测试数据：功率测量误差及波形失真度测试如下表：输入频率(KHz )输出功率(W)供给功率(W)整机效率波形失真度(%)显示值（

26、W）实际值（W）误差%供给功率(W)实际值（W）误差%显示值实际值误差104.90 5.00 3.00 14.90 14.23.40 0.3 0.34 0.05 0.11 5004.90 5.00 2.00 14.70 14.23.60 0.3 0.33 0.04 0.11 5K5.40 5.60 5.00 14.30 14.93.90 0.4 0.38 0.00 0.25 15K5.90 6.00 3.00 14.70 15.34.20 0.4 0.39 0.02 0.27 20K6.80 6.90 2.00 16.60 16.22.60 0.4 0.43 0.04 0.33 25K7.30

27、 7.60 4.00 17.50 17.22.00 0.4 0.41 0.03 0.41 30K7.10 7.40 4.00 17.00 16.81.40 0.4 0.44 0.05 0.44 40K5.80 6.00 4.50 15.80 16.43.80 0.4 0.37 0.00 0.55 50K4.90 5.10 4.70 16.80 16.14.20 0.3 0.29 0.04 0.87 55K4.70 4.90 5.10 16.00 15.44.10 0.3 0.29 0.04 1.10 经测量分析以上数据可以看出功放输出功率、电源供给功率和整机效率的测量误差均小于5%,在允许误差

28、范围内。功率放大器在10Hz50KHz的通频带中波形基本上不失真，失真度小于1%。满足题目扩展部分的要求。第五章 软件设计第一节 软件流程图如图一、软件流程图如图5.1图-5.1 第二节整体程序28;5DH,5EH,5FH显示缓存区 DATA1 EQU P0 RS EQU P2.2 RW EQU P2.3 E EQU P2.4 PSB EQU P2.1 RST EQU P2.0 CS EQU P2.6 OL EQU 54H OM EQU 55H OH EQU 56H IL EQU 57H IM EQU 58H IH EQU 59H EL EQU 5AH EML EQU 5BH EMH EQU

29、5CH EH EQU 5DH ORG 00H LJMP START ORG 030H START:MOV SP,#6FH MOV PSW,#00H MOV P0,#0FFH LCALL LCDINT ;LCD初始化程序 LCALL YDELAY LCALL DISP_0 ;主屏显示,初始化显示 SETB PSB SETB RST MOV 50H,#0E8H MOV 51H,#03H ;F X 1000显示 MOV 52H,#01H MOV 53H,#00H ;OUT 的乘数 MOV 40H,#01H MOV 41H,#00H ;OUT 的除数 MOV 42H,#01H MOV 43H,#00H

30、 ;IN 的乘数 MOV 44H,#01H MOV 45H,#00H ;IN 的除数 STA: MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H MOV 36H,#00H MOV 35H,#00H CLR CS ;选择OUT功率通道 ; LCALL DELAY LCALL JISHU MOV A,TL1 MOV 30H,A ;将TL1存入固定地址 MOV A,TH1 MOV 31H,A ;将TH1存入固定地址 SETB CS ;选择IN功率通道 LCALL JISHU MOV A,TL1 MOV 35H,A ;将TL1存入固定地址 MOV A,TH1 MOV 36H,A ;将TH1存入固定地

31、址;=; O,I,F显示;= LCALL OJISUAN LCALL ODISP LCALL IJISUAN LCALL IDISP ; LJMP $ LCALL EJISUAN LCALL EDISP LJMP STA ;* ;T1计数 压频;=JISHU: MOV R2,#14H ;定时20个0.05秒 MOV TMOD,#51H ;设置T0定时T1计数 MOV TH0,#3CH;置定时器初值 MOV TL0,#0B0H MOV TH1,#00H;置计数器初值 MOV TL1,#00H SETB TR0 ;启动定时 SETB TR1 ;启动计数XX: JBC TF0,LOOP ;定时溢出则

32、转移 SJMP XX ;否则继续查询LOOP: MOV TH0,#3CH ;置定时初值 MOV TL0,#0B0H DJNZ R2,XX ;R2不等于0则转移 CLR TR1 ;停止计数 RETOJISUAN: MOV R0,#30H MOV R2,#02H MOV R1,#52H MOV R3,#02H LCALL MMUL MOV R0,#30H MOV R1,#40H MOV R3,#2 LCALL MDIV MOV 46H,#00H MOV 47H,#00H MOV 48H,#00H MOV R0,#30H MOV R1,#46HODTB5: MOV A,R0 MOV R1,A INC

33、 R0 INC R1 DJNZ R2,ODTB5 MOV R4,46H MOV R3,47H MOV R2,48H MOV R6,#03H MOV R0,#54H LCALL MBTD RETIJISUAN: MOV R0,#35H MOV R2,#02H MOV R1,#42H MOV R3,#02H LCALL MMUL MOV R0,#35H MOV R1,#44H MOV R3,#2 LCALL MDIV MOV 60H,#00H MOV 61H,#00H MOV 62H,#00H MOV R0,#35H MOV R1,#60HIDTB5: MOV A,R0 MOV R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,IDTB5 MOV R4,60H MOV R3,61H MOV R2,62H MOV R6,#03H MOV R0,#57H LCALL MBTD RETEJISUAN: MOV R0,#46H MOV R2,#2 MOV R1,#50H MOV R3,#2 LCALL MMUL ; LJMP $ MOV R0,#46H MOV R1,#60H MOV R3,#2 LCALL MDIV ; LJMP