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数字音量控制的功率放大器的设计1 绪 论1.1 课题背景功率放大器在家电、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级放大电路，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失真度小、效率高、功率足够大的功放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以驱动负载，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本文给出一种简单实用、制作成本低廉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发挥出来,制作调试比较困难但是，为了更好的了解功放的基本原理，本着实用和成本的考虑，本设计采用的是由分立元件设计的功率放大器本实用低频功率放大器设计最主要的两部分为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和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、LM339的配套使用来使本电路系统设计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1.2 选题的意义及目的随着时代的发展，人们对扬声设备的要求越来越高，而扬声设备中的功率放大电路起着最关键的作用，如果没有功率放大器扬声器就不能扩声一个完整的电路，必然在最后的输出部分涉及到驱动各类负载的问题作为电路的前级，基本上采用的是小信号处理电路，其电路由小功率器件或小功率的集成电路构成，工作电压比较低，属于弱点范围而驱动各类负载往往是进行大信号的处理，要求器件的耗散功率比较大，供电电压也比较高，这就在使用的器件上、电路上的设计方法和设计要求等方面注意很多功率放大器的作用是给负载RL提供足够的输出功率当负载一定时，希望功率放大器的输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片由于集成功率放大器具有性能稳定，工作可靠，安装与调试简单等优点，因此在音响设备中普遍采用集成功率放大器现代社会电子科技的飞速发展，要求我们能把理论用于实际，所以此次该设计主要是用分立元件来设计的，以便更好的来理解功放的基本结构及工作原理。

一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器、功率放大器及电源部分组成本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用电路的内部结构，从而为以后的学习和工作做好知识保障另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础1.3 本课题主要研究内容本设计主要研究的是功率放大器的四个模块的基本结构的设计及其各部分的工作原理用Protel 99se绘制好各部分电路后，用仿真软件对每个模块的电路进行单独调试以及对整机进行调试在整个设计过称中，尤其是对前置放大电路和功率放大电路这两部分的设计进行了多个电路的论证最后，选择了用NE5532双运放集成运算放大器构成的二级放大电路作为了前置放大级电路，而功率级放大级电路由一个差分放大器电路和一个输出端互补对称的OCL电路构成一般而言，单级放大器电路有三种，分别为共射级、共集电极、共基极。

除此之外，还有这几种基本电路构成的多级放大电路在此次设计中，前置放大电路用的是由运放构成的两级放大电路，功率放大级电路用到了差分放大器，而差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，所以对差分放大电路的研究很要在实用电路中，往往要求放大电路的末级输出一定的功率，以驱动负载，而向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路对于功放电路而言，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是研究它的重要问题低频功放有变压器耦合乙类推挽电路、OTL、OCL、BTL等电路，本文中的末级功放电路中用的是输出端为互补对称的OCL电路 OCL电路的优点是省去了体积较大的的输出电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求较高因此，本设计中的电源设计也至关重要2 功率放大电路的分析2.1 基本原理低频功率放大器是一种能够为功率负载，如音响设备的扬声器、电视机的扫描偏转线圈、电动机控制绕组等提供输出功率的装置与电压放大器不同的是，功率放大器在负载上要求获得一定程度的不失真（或失真较小）输出功率，而电压放大器在负载上要求获得一定程度的不失真电压一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器和功率放大器等电路组成，如一些集成功率放大器芯片，内部就集成有电压放大器和功率放大器等电路。

2.1.1 基本组成原理图所示的为一个使用的低频功率放大器的基本组成原理框图图实用低频功率放大器的组成原理框图该功率放大器的功能是：将信号源提供的正弦波弱电压信号通过开关转换，一路先进行电压放大，再进行功率放大，为等效负载电阻提供一定的输出功率；另一路进行波形变换，使之变成脉冲波，再进行电压和功率放大，为等效负载提供一定的脉冲功率2.1.2 主要技术指标l 额定输出功率POR：在输出信号失真度小于某一规定值时，额定负载电阻上获得的最大功率l 带宽BW ：功率放大器的工作频率范围l 非线性失真系数：在额定输出功率POR下和一定的带宽BW内，输出信号的非线性失真程度通常用%表示l 噪声电压：在功率放大器大的输入为零时输出负载上的电压l 效率η：负载上输出的额定功率POR与消耗的电源功率PC之比 2.2 设计任务及方案分析2.2.1 设计要求1. 基本要求 在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5mV～7mV，等效负载电阻为=8Ω时，放大通道应满足：⑴ 额定输出功率≥10W；⑵ 带宽BW≥50Hz--10KHz；⑶ 在和BW内的非线性失真系数不大于3%；⑷ 在下的效率不小于55%；⑸ 在前置放大级输入端交流对地短路时，=8Ω上的交流声功率不大于10mW；⑹ 根据整体电路的设计选择合适的稳压电源。

2. 发挥部分⑴ 放大器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1000Hz、上升和下降时间不超过1、峰--峰值电压为200mV用上述方法激励放大通道时，在=8Ω下，放大通道应满足：额定输出功率≥10W；在下输出波形上升和下降时间不超过12；在下输出波形顶部斜降不超过2%；在下输出波形过冲量不超过5%⑵ 放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如，提高效率、减小非线性失真等）2.2.2 主要技术指标分析⑴ 基本要求部分的技术指标分析①　 功率放大器的输入电压信号由信号源提供幅度为5mV～700mV的正弦波，输出电压信号从8Ω的等效负载电阻上获得额定输出功率≥10W，这项指标说明在输入信号5mV～700mV的范围内，均以≥10W的满功率不失真的输出，即小信号输入时，要求满功率不失真输出；大信号输入时，也要求满功率不失真输出，因此，要求放大器的增益是可以调节的②　 功率放大器的带宽BW≥50Hz～10KH这项指标指出了功率放大器的工作频率范围，通常用3dB带宽来表示，是指放大器的电压增益下降3dB时对应的频率，即最低频率≤50Hz，最高频率≥10KHz③　 功率放大器在额定输出功率和BW内，非线性失真系数≤3%。

这项指标指出经过功率放大器放大后的正弦波的非线性失真所容许的范围，只要信号是经过线性放大，一般都能够满足≤3%的要求否则，要对信号的非线性失真进行改善④　 在下的效率≥55%这项指标说明功率放大器输出功率的转换效率，通常用输出功率与电源消耗的总功率之比值来表示，即η=/ η≥55%，说明功率放大器的功率输出级只能工作在甲乙类或者乙类，不能工作在甲类，因为甲类功率放大的效率最高也不能超过50%⑤　 当前置放大级的输入端交流短接到地时，=8Ω上的交流声功率≤10mW这项指标是指在没有信号输入端时，放大器输出的噪声功率，即要求前置放大级的输入端引入的噪声越小越好⑵ 发挥部分的技术指标分析①　 设计制作满足本设计要求的稳压电源这需要根据所设计的具体电路来决定稳压电源的输出电压和输出功率②　 放大器的时间响应：因为方波的上升和下降时间可以反映放大器的时间响应，故要求方波产生电路能将正弦波变换成正、负极性对称的方波，且电压峰--峰值为200mV这项指标说明方波产生电路的电源电压要正、负极性对称，且方波的输出端还要进行限幅，使其电压峰--峰值为200mV2.3 功率放大器的性能指标无论AV放大器还是H。