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模电课设报告
《电路与模拟电子技术》
课程设计报告
题目低频功率放大器
学院(部)信息工程学院
专业计算机科学与技术
班级2012240201
学生姓名张璐
学号201224020102
12月30日至1月10日共2周
指导教师(签字)
《电路与模拟电子技术》课程设计任务书
低频功率放大器
一、任务
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。
其原理示意图如图1所示。
图1设计任务示意图
二、要求
1、在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5~700mV,负载电阻为8Ω条件下,放大通道应满足:
(1)额定输出功率POR≥10W;
(2)带宽BW≥50Hz~10kHz;
(3)在POR下和BW内的非线性失真≤3%;
(4)在POR下的效率≥55%;
(5)在前置放大级输入端交流短接地时,RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。
2、放大电路的时间响应
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1kHz、上升和下降时间≤1μs、电压峰-峰值为200mV。
用上述方波激励放大电路时,在负载电阻为8Ω条件下,放大通道应满足:
(1)额定输出功率POR≥10W;
(2)在POR下输出波形的上升和下降时间≤12μs;
(3)在POR下输出波形的平顶降落≤5%;
(4)在POR下输出波形的过冲量≤5%。
3、自行设计并制作满足本设计任务要求的直流稳压电源。
4、用Multisim对设计电路进行仿真。
低频功率放大器
摘要:
本次课程设计(低频功率放大器设计)由四部分组成:
波形转换电路、前置放大级、功率放大级和直流稳压电源。
波形转换电路负责将输入的正弦信号转变为方波信号;前置放大级的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;直流稳压电源为整个电路供电。
设计的电路结构简洁、实用,充分利用到了集成功放的优良性能。
关键词:
前置放大、波形转换、直流稳压、功率放大
1、总体方案论证与设计
(1)波形转换:
方案一:
利用运放在开环状态下的饱和特性,正弦波信号经过两级运放放大后,产生了正弦波饱和失真的方波信号,由于输出方波幅值远大于题目要求,于是采用开关三极管脚与脚短接当成两个二极管削波(用两个锗开关管也可以),便将电压钳制在700mv左右,然后通过电阻分压,最终得到题目要求的正负极性对称的200mVp-p的方波信号。
方案二:
直接采用施密特触发器进行变换与整形。
而施密特电路可用高精度、高速运算电路搭接而成,也可采用专用施密特触发器构成,还可以选用NE5532电路构成。
方案三:
利用运放的正反馈作用,使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡,利用稳压管将电压稳定在6.2V左右,然后利用电阻分压得到要求的正负对称的峰一峰值为200mV的方波信号。
运放选用NE5532。
本系统采用方案二,电路如图1所示。
(2)前置放大器:
弱信号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:
M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。
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。
电路如图2所示。
(3)功率放大:
方案一:
功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路,驱动级采用集成芯片,整个功放级采用大环电压负反馈。
这种方案的优点是:
由于反馈深度容易控制,故放大倍数容易控制。
且失真度可以做到很小,使音质很纯净。
但外围元器件较多,调试要困难一些。
方案二:
采用专用的功放集成芯片。
LM1875是一款功率放大集成块,体积小巧,外围电路简单,且输出功率较大。
该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。
根据题目设计要求,可供选择的功率放大器可由分立元件组成,也可由集成电路完成。
由分立元件组成的功放,如果电路选择得好,参数恰当,元件性能优越,且制作和调试得好,则性能很可能高过较好的集成功放。
许多优质功放均是分立功放。
但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当,则性能很可能低于一般集成功放,为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。
现在市场上有许多性能优异的集成功放芯片,如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。
集成功放具有工作可靠,外围电路简单,保护功能较完善,易制作调试等优点,虽不及顶级功放的性能,但满足并超过本设计的要求是没有问题的。
另外集成运放还有性价比高的特点。
故本系统设计选用方案二。
该方案的优点是:
技术成熟,外围元器件少,保护功能较完善,调试简单,便于扩功等。
电路如图3所示。
(4)稳压电源:
本系统设计采用三端集成稳压电源电路,选用LM7815、LM7915三端集成稳压器。
电路如图4所示。
2、设计方案的原理框图、总体电路图
(1)原理框图:
(2)总体线路图:
3、单元电路设计及说明、主要元器件选择与电路参数计算
(1)单元电路设计及说明:
图1
波形转换
说明:
将1KHZ的正弦波变为同频率的对称方波。
NE5532运放做隔离用。
图2
前置放大
说明:
前置放大由两级NE5532典型应用电路组成,各级均采用固定增益输出衰减组成。
要求当各级输出不衰减,输入Vp=5mV时,输出Va.pp>=2.53V。
图3
功率放大
说明:
功率放大器选择用集成功放LM1875,采用典型电路,此电路中R3,R2组成反馈网络,C1为直流反馈电容,R1为输入接地电阻,防止输入电路时引入感应噪声,C7为信号耦合电容,D1,D2为保护二极管,R4和C6组成退偶电路,防止功放产生高频自激,C5,C2,C3,C4是电源退耦电容。
图4
直流稳压
说明:
直流稳压电源部分为整个功放电路提供能量,根据设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求,仅需要稳压电源输出的一种直流电压即+15V。
因三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点,故本设计中采用三端稳压电路。
两组独立的20V交流,经过桥堆整流,大电容滤波,再加0.1uF小电容滤掉电源中的高频分量。
考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上1K大功率电阻。
另外还要给7815,7915来获得+15V、万一输入端短路,大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏,加两个二极管可使反相电流流向输入端起保护作用。
(2)主要元器件选择:
1)稳压电路中选用LM7815、LM7915三端集成稳压器
2)在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532,在功率放大级中采用运放LM1875。
(3)电路参数计算:
1 前置放大计算:
对于第一级放大,要求在信号最强时,输出不失真,即Vp=700mV时,输出Vom<11V(低于电源电压1V)。
所以
A1=Vom/Vp=11/0.7=15.7
取A1=15.
当输入信号最小,即Vpp=10mV,而输出不衰减时
V01.pp=A1*Vi.pp=15*10=150mA
第二级放大要求输出V02.pp>2.53V,考虑到元件误差的影响,取V02.pp=3V,而输入信号最小为150mV,则第二级放大倍数是
A2=V02.pp/V01.pp=20
2 功率放大计算:
LM1875开环增益为26dB,即放大倍数A=20
因为要求输出到8Ω电阻负载上的功率P0>10W。
而
Vom=
=12.65V
加上功率管管压降2V,则
V=Vom=12.65+2=14.65V
取电源电压为15V
Icm=
=1.518A
PV=2V*Icm/
=15.1W
效率为
4、给出Multisim仿真结果
图5
波形转换
图6
前置放大
图7
功率放大
图8
直流稳压
5、收获与体会,存在的问题等
时间总是过得很快,经过两周的课程设计的学习,我已经通过去图书馆查找资料和上网查找相关的设计,与同学共同完成了一个低频功率放大器,让我更好的把课本上的知识应用到实践中,更好的运用所学的知识来解决实际问题。
经过这段课程设计的日子,我发现从刚开始对其的一无所知,到现在已经能够基本的设计步骤。
虽然开始学得很费力,但到后来就好了。
在课程设计中,遇到问题,最好的办法就是问别人,因为每个人掌握情况不一样,不可能做到处处都懂,发挥群众的力量,复杂的事情就会变得很简单。
这一点我深有体会,在很多时候,我遇到的困难或许别人之前就已遇到,向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。
还有就是要感谢林老师对我们的辅导,在这段时间里正是她的督促和教诲,才使我们的课设能按时的完成。
参考文献:
[1]胡翔骏电路分析(第二版)北京:
高等教育出版社2007
[2]华成英、童诗白模拟电子学基础(第四版)北京:
高等教育出版社2006
[3]高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之模拟电子线路设计北京:
电子工业出版社2007
[4]黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计北京:
北京航空航天大学出版社2006
[5]谭博学、苗汇静集成电路原理及应用(第二版)北京:
电子工业出版社2008
[6]夏路易、石宗义电路原理图与电路板设计教程PROTEL99SE北京希望电子出版社2002
[7]谷丽华、辛晓宁、么旭东实用低频功率放大器的设计沈阳化工学院学报2005年01期
附件:
NE5532的极限参数
参数
符号
NE5532
单位
电源电压
Vcc
±22
V
差分输入电压
Vdif
±13
V
输入电压
Vi
提供电压
V
功耗,TA=25℃
PD
1100
mW
工作温度
TOPR
0~70
℃
LM1875的参数
电压范围:
单电压15~60V,或±30V
静态电流:
50mA
输出功率:
30W
谐波失真:
<0.015%,当f=1kHz,RL=8Ω,P0=20W时
额定增益:
26dB,当f=1kHz时
工作电压:
±25V
转换速率:
18V/μS(9V/μS)
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