1、目 录1 系统方案选择和总体方案设计 12 理论分析与设计 22.1 信号放大器电路设计 22.2 输出级功率放大电路设计 32.3 带阻滤波器设计 42.4 功率检测及显示电路设计 52.5 自制稳压电源电路设计 63 电路与程序设计 64 测试方案与测试结果 64.1 调试方法与仪器 64.2 测试数据完整性 64.3 测试结果分析 6http:/ 系统方案选择和总体方案设计为 满 足 题 目 规 定 指 标 要 求 ， 减 小 非 线 性 失 真 ， 增 大 输 入 阻 抗 ， 降 低 输 出 噪 声 电压 ， 提 高 整 机 效 率 ， 拟 定 两 套 方 案 。（ 1） 方 案 一
2、前 置 放 大 采 用 集 成 芯 片 NE5532， NE5532 是 一 个 双 运 放 集 成运 算 放 大 器 ， 末 级 功 放 管 采 用 分 立 大 功 率 MOS 晶 体 管 ， 自 制 稳 压 电 源 ， 控 制 部分 与 驱 动 部 分 分 开 供 电 ， 保 证 元 件 安 全 ， 系 统 可 靠 。（ 2） 方 案 二 各 环 节 均 选 用 集 成 芯 片 ， 具 有 很 高 的 效 率 ， 通 常 能 够 达 到 85%以上 ； 体 积 小 ， 可 以 比 模 拟 的 放 大 电 路 节 省 很 大 的 空 间 ； 低 失 真 ， 频 率 响 应 曲 线 好 ；外
3、围 元 器 件 少 ， 便 于 设 计 调 试 。如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，制作调试得好，则性能要高于较好的集成功放，同时为满足题目要求，本次设计功放采用分立元件组成。根据题目任务，设计制作了一个低频功率放大器，整个系统由运算放大器、功率放大电路、输出功率测量显示电路、 输 入 功 率 检 测 显 示 电 路 、 效 率 显 示 电 路 和工频滤波器电路等 部 分 组 成 ，系统组成结构框图如图 1。正弦信号源信号放大功率测量及显示电路功率放大 工频带阻滤波器自制稳压电源8 欧姆扬声器220V 50Hz图 1 系统原理方框图2 理论分析与设计2.1 信号放大器电路设计信 号 放
4、 大 器 由 两 级 组 成 ， 它 的 任 务 是 完 成 小 信 号 的 电 压 放 大 ， 其 失 真 度 和 噪 声对 系 统 影 响 最 大 ， 故 采 用 低 噪 声 、 高 保 真 的 双 通 道 专 用 音 响 可 置 集 成 放 大 器NE5532， 均 采 用 电 压 并 联 负 反 馈 ， 电 压 并 联 负 反 馈 具 有 良 好 的 抗 共 模 干 扰 能 力 ，且 具 有 改 善 波 形 失 真 的 作 用 。 放 大 电 路 如 图 2 所 示 。根 据 题 意 ， 输 出 功 率 ， ,负 载 欧 姆 ， 则 ，OP5W=8LR2OPLUR于是 ，故 ，OP86
5、.3(V)LUROmax6.3(V)UO(P-)max8.9(V)http:/ 输出级功率放大电路设计功 率 放 大 器 和 电 压 放 大 器 是 有 区 别 的 ， 电 压 放 大 器 的 主 要 任 务 是 把 微 弱 的 信 号电 压 进 行 放 大 ， 一 般 输 入 及 输 出 的 电 压 的 电 流 都 比 较 小 ， 是 小 信 号 放 大 器 。 它 消 耗能 量 少 ， 信 号 失 真 小 ， 输 出 信 号 的 功 率 小 。 功 率 放 大 器 的 主 要 任 务 是 输 出 大 的 信 号功 率 ， 它 的 输 入 、 输 出 电 压 和 电 流 都 较 大 ， 是
6、大 信 号 放 大 器 。 它 消 耗 能 量 多 ， 信 号容 易 失 真 ， 输 出 信 号 的 功 率 大 。 这 就 决 定 了 一 个 性 能 良 好 的 功 率 放 大 器 应 满 足 下 列几 点 基 本 要 求 ：1.具 有 足 够 大 的 输 出 功 率为 了 得 到 足 够 大 的 输 出 功 率 ， 三 极 管 工 作 时 的 电 压 和 电 流 应 尽 可 能 接 近 极 限 参数 。2.效 率 要 高功 率 放 大 器 是 利 用 晶 体 管 的 电 流 控 制 作 用 ， 把 电 源 的 直 流 功 率 转 换 成 交 流 信 号功 率 输 出 ， 由 于 晶 体
7、管 有 一 定 的 内 阻 ， 所 以 它 会 有 一 定 的 功 率 损 耗 。 我 们 把 负 载 获得 的 功 率 Po 与 电 源 提 供 的 功 率 PE 之 比 定 义 为 功 率 放 大 电 路 的 转 换 效 率 ， 用 公式 表 示 为 ： 100%PoPE显 然 ， 功 率 放 大 电 路 的 转 换 效 率 越 高 越 好 。3.非 线 性 失 真 要 小功 率 大 、 动 态 范 围 大 ， 由 晶 体 管 的 非 线 性 引 起 的 失 真 也 大 。 因 此 提 高 输 出 功 率与 减 少 非 线 性 失 真 是 有 矛 盾 的 ， 但 是 依 然 要 设 法 尽
8、 可 能 减 小 非 线 性 失 真 。4.散 热 性 能 好功 率 放 大 电 路 采 用 型 号 为 IRF640 和 IRF9640 的 晶 体 管 ， 属 于 分 立 的 大 功 率MOS 管 ， 带 负 载 能 力 强 ， 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 ,制 作 调 试 得 好 ， 性 能 要 高 于 较 好 的 集 成 功 放 。 设 计 电 路 如 图 3 所 示 。图 2 信号放大器电路设计http:/ 带阻滤波器设计采 用 集 成 芯 片 opA335， 用 有 源 带 通 与 相 加
9、 器 组 成 有 源 带 阻 滤 波 器 ， 前 级 为 带通 滤 波 器 ， 中 心 频 率 ， 通 过 调 节 X1 可 调 节 中 心 频 率 ， 中 心 频 率012fCRX增 益 ， 再 与 后 级 相 加 器 组 成 带 阻 滤 波 器 。 滤 除 带 宽 为 40-60H 在 的21RA工 频 干 扰 信 号 ， 设 计 的 带 阻 滤 波 器 如 图 4 所 示 。图 3 功率放大电路设计http:/ 4 带阻滤波器设计2.4 功率检测及显示电路设计方 案 一 使 用 模 拟 电 路 ， 将 电 压 值 变 换 为 功 率 值 。 将 信 号 变 换 电 路 输 出 电 压 经
10、乘 法 器 产 生 平 方 值 ， 取 相 应 比 例 后 电 压 值 恰 好 与 功 率 值 相 等 , 再 将 此 电 压 值 送 至三 位 半 表 头 显 示 ， 即 形 成 了 功 率 测 量 装 置 。 但 此 方 案 只 能 显 示 一 种 功 率 。方 案 二 使 用 单 片 机 系 统 。 系 统 采 集 信 号 变 换 电 路 输 出 的 单 端 信 号 的 模 拟 量 , 经 A/D 转 换 为 数 字 量 ， 送 LED 显 示 ， 此 方 案 主 要 靠 软 件 实 现 ， 计 算 方 便 、 灵 活 、显 示 精 度 高 ， 同 时 可 以 显 示 输 入 功 率 、
11、 输 出 功 率 和 效 率 等 。根 据 题 目 要 求 采 纳 方 案 二 ， 功 率 检 测 及 显 示 电 路 ， 主 要 由 有 效 值 /直 流 转 换 电路 和 单 片 机 系 统 组 成 ， 选 用 高 精 度 的 AD637 芯 片 ， 其 外 围 元 件 少 ， 频 带 宽 ， 精 度高 于 0.5%。 经 AD637 进 行 有 效 值 /直 流 变 换 后 的 模 拟 电 压 信 号 送 A/D 转 换 器AD0809， 由 89C51 控 制 AD0809 进 行 模 数 转 换 ， 并 对 转 换 结 果 进 行 运 算 处 理 ，最 后 送 显 示 电 路 完 成
12、 功 率 LED 显 示 ， 功 率 检 测 及 显 示 电 路 如 图 5 所 示 。图 5 功率检测及显示电路设计http:/ 自制稳压电源电路设计根 据 题 目 要 求 ， 计 算 得 输 出 正 弦 波 电 压 有 效 值 最 低 为 6.4V( )， 从 提 高 效 率2OPLUR的 角 度 ， 功 放 级 电 源 电 压 越 接 近 6.4V 越 好 ， 但 考 虑 到 管 压 降 、 内 部 消 耗 等 因 素 ，自 制 一 个 双 24V 变 压 器 ， 集 成 稳 压 块 选 用 可 调 稳 压 块 LM337 和 LM317 调 出 给 MOSFET 供 电 的 电 源 ，
13、 然 后 选 用 7815、 7915 和 7805 三 端 集 成 稳 压 块 分 别 给 集 成运 放 和 单 片 机 供 电 。 根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求，需要稳压电源输出的三种直流电压，即前置放大级的1 5V、功率放大级的1 8V 和 单 片机 供 电 的 +5V。电源可选用集成稳压电源芯片 LM7815、LM7915 和 LM7805，也可以选用电压可以调节的集成稳压电源电路芯片 LM317、LM337。3 工作流程图系统工作流程如图 6 所示。5mv 输入信号单片机5W/8扬 声 器功率放大电路输入、输出功率测量电路A/D 转换效率显示信号放大输出功率显示
14、测量工频带阻滤波器输入功率显示测量图 6 工作流程图4 测试方案与测试结果4.1 调试方法与仪器仿 真 机 数 字 式 万 用 表 失 真 度 测 试 仪电 源 双 踪 示 波 器信 号 发 生 器 晶 体 管 毫 伏 表4.2 测试数据最 大 不 失 真 输 出 功 率 测 试 数 据 如 表 所 示Vi 2.2V 2.8V 3.6V 4.0 V 4.8V 5.2V 6.2V 7.1VPO 0.6W 1.0W 1.6W 2.0W 2.9W 3.4W 4.8W 6.3W通 频 带 的 测 量 测 试 数 据 如 表 所 示http:/ 100 300 500 1K 10K 15K 20KPOV
15、i 5mv 5mv 5mv 5mv 5mv 5mv 5mv 5mv输 入 、 出 功 率 和 整 机 效 率 的 测 量 测 试 数 据 如 表 所 示输 出 功 率 PO 6.3w输 入 功 率 Pi 28.5w整 机 效 率 22.5%实测数据达到或超过所要求指标测试对象 题目指标 实测数据输出功率 PO/W 5W6.3W通频带/Hz 20Hz20k Hz 5Hz48kHz 输入电阻 Ri/ 6060输出噪声电压 VON/mV mV5mV整机效率 PO/Pi 22.5%4.3 测试结果分析由 测 试 结 果 可 见 ， 本 设 计 电 路 具 有 较 宽 的 通 频 带 ， 尤 其 在 1
16、00Hz-10K 之 间时 具 有 非 常 平 坦 的 幅 频 特 性 ， 这 主 要 得 益 于 整 个 电 路 简 洁 、 实 用 的 设 计 ， 前 置 放 大和 功 率 放 大 内 部 均 为 直 接 耦 合 ， 功 率 放 大 级 采 取 交 直 流 负 反 馈 ， 使 得 系 统 的 非 线 性失 真 和 不 稳 定 度 大 为 减 小 。 对 功 放 电 路 的 了 解 或 评 价 ， 主 要 从 输 出 功 率 、 效 率 和 失 真 这 三方 面 考 虑 。 1、 为 得 到 需 要 的 输 出 功 率 ， 电 路 须 选 集 电 极 功 耗 足 够 大 的 场 效 应 管
17、， 功 放 管 的 工 作 电 流和 集 电 极 电 压 也 较 高 。 电 路 设 计 使 用 中 首 先 要 考 虑 怎 样 充 分 地 发 挥 三 极 管 功 能 而 又 不 损 坏 三 极管 。 由 于 电 路 中 功 放 管 工 作 状 态 常 接 近 极 限 值 ， 所 以 功 放 电 流 调 整 和 使 用 时 要 小 心 ， 不 宜 超 限使 用 。 2、 从 能 耗 方 面 考 虑 ， 功 放 输 出 的 功 率 最 终 是 由 电 源 提 供 的 ， 例 如 收 音 机 中 功 放 耗 电 要 占整 机 的 2/3， 因 此 要 十 分 注 意 提 高 电 路 效 率 ，
18、即 输 出 功 率 与 耗 电 功 率 的 比 值 。 3、 功 放 电 路 的 输 入 信 号 已 经 几 级 放 大 ， 有 足 够 强 度 ， 这 会 使 功 放 管 工 作 点 大 幅 度 移 动 ，所 以 要 求 功 放 电 路 有 较 大 的 动 态 范 围 。 功 放 管 的 工 作 点 选 择 不 当 ， 输 出 会 有 严 重 失 真 。经 过 插 接 测 试 ， 焊 接 与 整 机 装 配 调 试 ， 信 号 输 入 前 置 放 大 部 分 ， 容 易 受 到 噪 声 干 扰 。参 考 文 献1董尚斌，等。电子线路（1 ）.北京：清华大学出版社，20062黄根春，等。电子设计教程.北京：电子工业出版社，2007.83 高吉祥,高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007.54高吉祥,全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，北京：电子工业出版社，2007.8
