推挽式功率放大电路的设计课程设计.docx
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推挽式功率放大电路的设计课程设计
推挽式功率放大电路的设计
第一部分
课程设计
摘要
桥式推挽功率放大器是一种在较低的电源电压下能得到较大输出功率的功放,它由前置放大电路、BTL功率放大电路、电源电路三部分所构成。
前置放大电路采用了集成运放NE5532将小信号电压放大,使其能够驱动功率放大器;功率放大电路由倒相电路和BTL电路两部分组成,前者负责为后者转换两个大小相等、方向相反的激励信号,后者则是在信号不失真的前提下,尽可能地放大电流,从而提高输出功率;电源电路通过降压、整流、滤波、稳压产生±12V直流电压。
运用Protel软件对所设计的电路图进行建库、绘图、制板;再借助Multisim仿真软件对各个单元电路进行了性能与功能仿真,通过仿真分析验证了设计的正确性,整体电路也基本达到了设计的预期目的。
关键词:
推挽功放;集成运放;前置放大;倒相
Abstract
Thepush-pullcircuitoccupiesanimportantpositionintheamplifiercircuitandswitchingpowersupplyareas.Bridgepush-pullamplifiercircuitisconstitutedbythreepartsofthepowersupplycircuit,thepreamplifiercircuit,BTLpoweramplifiercircuit.ThepreamplifiercircuitusestheintegratedoperationalamplifierNE5532smallsignalvoltageamplification,sothatthepoweramplifierinputsensitivitytomatch.ThepoweramplifiercircuitconsistsoftwopartsoftheinvertingcircuitandBTLcircuit.Theformerisresponsiblefortheconversionforthelattertwoofequalsize,intheoppositedirectionoftheexcitationsignal.Thelatteristhesignalundistortedunderthepremise,asfaraspossibletoenlargethecurrent,increasingtheoutputpower.±12VDCvoltagepowercircuitthroughthebuck,rectifier,filterandregulator.WithofMultisimsimulationsoftwareoneachunitcircuitperformanceandfunctionalsimulation.Verifythecorrectnessofthedesignthroughsimulationanalysis,theresultsaretoachievetheintendedpurposeofthedesign.ThenuseProtelsoftwareforbuildingadatabase,drawingandboardschematicdesign.
Keywords:
Push-pullamplifier,Integratedoperationalamplifier,Preamplifier,Inverting
目录
摘要I
AbstractII
第一章推挽式功率放大器方案设计1
1.1绪论1
1.2功率放大器的性能指标1
1.3推挽式功率放大器设计方案2
1.3.1变压器耦合式推挽功放2
1.3.2桥式推挽功放2
1.3.3方案分析3
第二章推挽式功放电路设计4
2.1前置放大电路4
2.1.1反相比例放大电路4
2.1.2同相比例放大电路5
2.1.3前置放大电路5
2.2BTL功放输出电路6
2.2.1倒相电路6
2.2.2BTL电路7
2.3电源电路7
2.4整体电路8
第三章推挽式功放电路仿真与实验10
3.1前置放大电路仿真10
3.2倒相电路仿真11
3.2整体电路仿真11
总结13
参考文献14
致谢15
附录1推挽式功放电路图16
附录2推挽式功放元件明细表17
第一章推挽式功率放大器方案设计
在音响世界中往往需要将低频信号放大后加以利用,一般处理频率较低的信号采用音频功率放大电路来实现。
它的作用是对音频信号进行不失真的功率放大,以足够的电功率去推动扬声器,故而音频功率放大电路在音响产品中得到广泛使用。
1.1绪论
功率放大器的作用是放大来自前放大器的音频信号,产生足够的不失真输出功率,以推动扬声器发声。
功率放大器的种类繁多,其中推挽式功放有利于改善宽带能力和提高增益,对偶次谐波滤波度好。
传统的推挽电路总需要输出变压器和输入变压器,这种变压器耦合的电路存在一些缺点,诸如:
由于变压器铁心的磁化曲线是非线性的,它会使放大电路产生非线性失真,特别是由于变压器的存在,严重地影响了电路的频率特性。
为了克服这些缺点,出现了一类电路叫“无输出变压器电路”。
这类无变压器功放电路舍去了级间耦合用的输入、输出变压器,改用直接耦合。
虽然这样电路结构复杂些,但是便于加负反馈电路,使频响宽、失真小,易满足大功率和小型化的要求。
无输出变压器电路的种类很多,按输出级与扬声器的连接方式分OTL电路(电容耦合)、OCL电路(直接耦合)、BTL(电桥形式连接)。
如表1.1所示是根据功放级输出电路形式来分类的音频功率放大器。
表1.1音频功率放大器
名称
定义
优点与缺点
应用领域
变压器耦合功放
将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上。
便于实现阻抗变换;但体积大、笨重、消耗有色金属、效率低,在高低频时都会产生相位移,引入负反馈后易形成自激振荡。
输出功率较大的电子管放大器。
OTL功放
一种输出级与扬声器之间采用电容耦合的无输出变压器器的功放电路。
采用单电源供电方式,克服了频率失真和非线性失真,传输效率高;但需要用大容量的输出电容耦合,低频响应不理想,有谐波失真。
输出功率较小的放大器和高保真功率放大器的基本电路。
OCL功放
一种输出级与扬声器之间无电容而直接耦合的功放电路。
频响范围宽、失真小、保真度高,具有恒压输出特性;但采用双电源供电方式,输出端必须设置保护电路。
输出功率要求较大的功率放大器中和高保真功率放大器的基本电路。
BTL功放
一种平衡无输出变压器功放电路,其输出级与负载之间以电桥方式直接耦合,因而又称为桥式推挽功放。
在较低的电源电压下能得到较大的输出功率即电源利用率高。
低电压系统、电池供电系统、要求输出功率更大的场合。
1.2功率放大器的性能指标
在放大通道的正弦信号输入电压幅度10~100mV,等效负载电阻RL为8Ω时,放大通道应满足以下条件:
(1)额定输出功率P≥10W;
(2)通频带BW:
30Hz~20kHz;
(3)在额定输出功率下和通频带内的非线性失真系数γ≤3%;
(4)在额定输出功率下的效率η≥55%。
1.3推挽式功率放大器设计方案
功率放大器按照其输出特点分为变压器耦合功放、OTL(OutputTransformerLess)功放、OCL(OutputCapacitorLess)功放和BTL(BalancedTransformerLess)功放。
根据此分类标准和本设计的要求提出两种推挽式功放设计方案,分别是变压器耦合推挽功放和桥式推挽功放。
1.3.1变压器耦合式推挽功放
变压器耦合式是一种传统的电路结构形式,采用该结构形式设计的推挽功放,它的优点是便于实现阻抗匹配。
其设计方案如图1.1所示。
推动级单元的输入端采用变压器进行阻抗变换,同时使激励输出两个幅度大小相等、相位差为180°的信号,进而使推动级晶体管满足推挽工作,实现推动级输入阻抗匹配;然后通过级间变压器耦合单元将前级的输出信号尽可能多的传递到后一级;最后耦合输出单元利用传输线阻抗变换器来实现负载与输出端之间的阻抗匹配。
偏置电路是为了调节偏置电压和防止产生大电流时损坏元器件。
1.3.2桥式推挽功放
桥接推挽功率放大电路简称BTL(BalancedTransformerLess)功放电路。
它的优点是在较低的电源电压下能得到较大的输出功率。
其设计方案如图1.2所示。
前置放大单元主要是把输入的小信号放大到一定标准的电平;再输送到倒相单元产生两个大小相等、方向相反的激励信号;然后在允许的失真限度内,通过BTL单元进一步放大电流,从而尽可能高效率地向负载提供足够大的功率;电源单元为整个电路提供稳定的直流电源做保证。
1.3.3方案分析
在设计过程中,方案的选择必须结合实际情况,要从各个方面考虑设计的可行性,不仅要考虑其先进性,还要考虑其现实性,要从多方面综合寻求最佳方案。
由于方案一中用到多个变压器,不仅体积大、笨重、消耗有色金属,还严重地影响了电路的频率特性,能使放大电路产生非线性失真,另外引入负反馈后易形成自激振荡。
而由方案二设计出的电路便于加负反馈电路,使频响宽、失真小,易满足大功率和小型化的要求。
故选择方案二。
第二章推挽式功放电路设计
桥式推挽功放电路由前置放大电路、BTL功率放大电路、电源电路三部分所构成。
前置放大电路采用了集成运放NE5532将小信号电压放大,使其能够驱动功率放大器;功率放大电路由倒相电路和BTL电路两部分组成,前者负责为后者转换两个大小相等、方向相反的激励信号,后者则是在信号不失真的前提下,尽可能地放大电流,从而提高输出功率;电源电路为前置放大电路和BTL功率放大电路提供能源。
2.1前置放大电路
前置放大电路(亦称电压放大电路)作为输入功率放大器之前的处理电路,利用前置放大电路把输入信号放大或进行阻抗变换,使其能够驱动功率放大器。
由于许多基于运放组成的功能电路都是在同相比例放大电路和反相比例放大电路的基础上组合或演变来的,本节先讨论这两种电路,再根据需要选择适当的集成运放。
2.1.1反相比例放大电路
反相比例放大电路如图2.1所示,由反馈分析可知,其引入的是电压并联负反馈。
电压信号
通过
作用于运放的反相端,且反相端为虚地点即
,由虚断可知:
………(2-1)
则有
………(2-2)
其闭环增益为:
………(2-3)
由式(2-2)可知:
、
相位相反,输出与输入成比例。
尽管理想运放的输入电阻无穷大,但电路引入电压并联负反馈后,电路的输入电阻
并不大。
若要增大电路的放大倍数,需增大
的值。
当阻值与集成运放的输入等数量级时,比例系数产生较大变化,即不再由反馈网络的阻值所决定。
2.1.2同相比例放大电路
同相比例放大电路如图2.2所示,由反馈分析可知,其引入的是电压串联负反馈。
电压信号
通过
作用于运放的同相端,由虚短和虚断可知:
………(2-4)
………(2-5)
………(2-6)
………(2-7)
由(2-6)式可知:
、
相位相同,输出与输入也成比例。
综上:
反相比例放大电路中输入阻抗
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