低频功率放大器.docx
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低频功率放大器
低频功率放大器
学号:
姓名:
专业:
电子信息科学与技术
摘要:
本设计采用集成放大电路来完成功率放大。
组成:
阻抗匹配+前级放大级+功率放大级。
阻抗匹配主要完成输入信号与放大电路之间的阻抗匹配。
前级放大级主要任务是完成小信号电压放大任务,功率放大放大电流电压。
关键字:
低频功放阻抗匹配前级放大NE5532
设计要求:
1.设计低频功率放大器,要求贷款20Hz—20kHz,输出功率大于0.5W,效率大于65%,无明显失真;
2.用multisim仿真;
3.搭建电路系统,测试主要参数
1.总体方案设计
1.1总体方案论证
系统原理方框图如图1所示。
根据题目任务,设计有三个电路:
输入————阻抗匹配————前级放大————功率放大————输出
整个电路主要由阻抗匹配电路、前置弱信号放大电路、功率放大电路组成。
阻抗匹配电路,即电压跟随器,完成输入信号与放大电路之间的阻抗匹配;前置放大电路主要是对输入信号进行电压放大;功率放大电路完成对电压、电流的放大,为负载提供能量,增加带负载的能力。
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。
仿真实验结果表明该低频功率放大器在带宽、失真度、效率等方面具有较好的指标。
对15HZ—149KHZ的弱信号都具有放大能力,通过调整,可严格控制在20Hz—20kHz
1.1.1阻抗匹配电路
阻抗匹配电路,即阻抗变换。
在本电路中,由于输入阻抗可能很小,故采用电压跟随器来作阻抗变换。
由于考虑到带宽、噪声等的影响,采用前置放大电路中的运放作为放大器。
1.1.2前置放大电路
前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成放大器构成。
符合上述条件的集成电路有:
LM324、NE5532等。
本系统设计选用NE5532,NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器,具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能。
1.1.3功率放大电路
采用专用的集成功放芯片,TDA2030集成芯片,外围电路简单,且输出功率较大。
2.单元模块设计
2.1阻抗匹配电路
跟随电路具有输入电阻大,输出电阻小的特点,可以做多级放大器的中间级,即缓冲级。
即作阻抗变换,使前后级之间实现阻抗匹配。
所以两级放大电路前加了跟随电路实现阻抗匹配。
图1阻抗匹配电路
2.2前置放大电路
本设计采用的是集成运算放大器方案,设计前置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有LF347、OP-37、NE5532等。
。
为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用集成运算放大器构成前置放大器电路时,必须采用同相放大电路结构,电路如图3所示。
图2前级放大电路
为了尽可能保证不失真放大,图3只采用一级运算放大器电路U2A,该级放大器的增益取决于
和
即
。
为保证前级有较大的电压放大能力,因此可取相应的电阻值,即
。
由上述分析可知,低频功率放大器的放大倍数理论上为11倍,能保证充分发挥线性放大性能并满足带宽要求,从而可保证不失真,即达到保真放大质量。
C2为耦合电容,为保证低频响应,要求其容抗远小于放大器的输入电阻。
R5各级运放输入端的平衡电阻,对静态工作点具有调节作用。
而实际测得当输入
时,频率为1kHz时,输出
。
鉴于以上情形,可取前级放大
10
对于前置放大器,要求信号最强时,输出不失真,即在
时,
当输入信号
=0.1V,而输出不衰减时
=
=0.10V*10=1.00V。
功率放大要求输出
2V,,考虑到元件误差的影响,取
=3V,,而输入信号最小为0.1V,则第二级放大器倍数为
取
。
要求TDA2030具有4倍以上的放大电压的能力。
2.3功率放大电路
本设计采用集成功率放大电路,该电路具有低频性能好,内部设计具有复合保护电路,可以增加其工作的可靠性,还可外加散热片解决散热问题。
以下介绍采用集成芯片TDA2030构成的的功率放大器。
图3功率放大电路
TDA2030A是德律风根生产的音频功放芯片,采用V型5脚单列直插式塑料封装结构,其主要特点有;
外接元件非常少。
输出功率大,Po=18W(RL=4Ω)。
内含各种保护电路,因此工作安全可靠。
TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率。
无疑,用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。
在图4电路中,,功率放大后从4脚输出加到扬声器R3。
R9、C7串联接在输出端用以抑制高频噪声。
R1、R2和电位器R5组成增益可调的反馈网络;C2为直流负反馈电容;直流负反馈的作用是稳定静态工作点,而对放大电路的各项动态性能没有影响,动态性能指放大倍数、通频带、输入及输出电阻等。
R4为输入接地电阻,防止输入时引起感应噪声;电源电压采用双电源
供电。
在此电路中,
。
而R4=100K,R5=20K,,电位器R6在0~50K之间可变,理论上A
可在2.5~6之间可调。
因为要求输出到8Ω电阻负载上的功率Po≥0.5W,而
而现测得实际输出电压为
输出功率为
3.仿真与分析
3.1功率与效率分析
总功率为电源提供的功率和信号源的功率,由于信号源的功率太小,固主要是电源提供的功率,测得前级电源的电流为1.776uA,功率放大时电源电流为51.23mA
因此可以认为后级电源提供功率就为总功率且
所以计算效率为
3.2输入输出波形:
此处取f=20Hz,1KHz,20KHz进行分析。
在20Hz(声音下限)情况下,输入0.10V,输出4.0V(峰峰值),功率能达到要求,但是从仿真图上可以看出,输入和输出之间有相位差,分析各部分,原因可能是耦合电容和放大器内部电容构成的高通网络,对于频率较低时产生了相移。
图420Hz输入输出波形
在1KHz情况下,输入0.10V,输出2.0V,功率能达到要求
图51kHz输入输出波形
在20KHz(声音上限)情况下,输入0.10V,输出2.0V,功率能达到要求,有一定的失真。
图620kHz输入输出波形
3.3频率响应分析
如图8所示,由波特图测得该系统的同频带为15Hz~149kHz,因此对于20Hz~20kHz的声音信号,有很好的放大能力。
15Hz下降3dB
图7通频带a
149kHz下降3dB
图7通频带b
通过仿真,该低频功率放大器能大致满足要求,对音频信号能不失真地放大。
在仿真调试过程中可以看到,影响通频带下边频为C3,C3越小,下边频越大;影响上边频的有TDA2030固有的上边频的限制外,还有由R3、C5组成的抑制高频噪声的RC串联电路。
4.设计总结及心得体会:
从仿真实验的各项数据分析,本电路具有很好的频率响应特性,从测得的带宽可以看出,该功率放大器可以很好地实现对低频信号的放大作用,并在规定范围内可实现增益调节,能较好地达到实际要求,也符合理论上的要求。
设计的过程中会遇到各种各样的问题,特别是在参数的设定时,只要抱着各个击破就能学到东西的心态,坚持下去,自己实在是无法找到问题所在了就找人帮忙也是必要的。
当然,我们的目标不是把题目做出来,而是通过做题解决自己不懂的地方,巩固会的知识,“知识来不得半点虚假”。
电路图
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