超宽带低噪声低频功率放大器的设计与实现

分类：论文下载网    更新时间：08-23    来源：网络

 本论文介绍一款高指标的超宽带低噪声低频功率放大器的设计与制作。设计采用了通过集成运放NE5532、LM1875、LF357来降低噪声,提高效率，减少失真和展宽频带。整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路共五部分构成。稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源。前置放大器主要是电压的放大。功率放大器实现电流、电压的放大。波形变换电路是将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号，设计出的低频功率放大器各项指标能很好的达到设计要求，具有一定的实用性,为功率宽屏低噪声放大器的设计提供了参考

 

前言

低频功率放大器是模拟信号处理电路中的基单元，大量应用于各种电子产品和设备。低噪声失真、宽频带、高效率的低频放大器设计是业界直追求的目标，也是全国大学生电子设计竞赛经出现的题目，而且要求的指标逐年提高。近几年，功率放大器得到了很大的发展，成为Mp3/ Mp4笔记本计算机、便携式DVD播放器等不可或缺的部分。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来补充所需的功率缺口，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, 经历了几个不同的发展阶段：电子管功放 晶体管功放 集成功放等几个不同的时段，无论从线路技术还是元器件方面都取得了飞速的发展。如今市场上的功放产品主要以集成功放为主，规格不同而且种类也很多，典型的有NE5532、NE5534、LF357、LM1875。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。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表现出来，制作调试比较困难。从电路的简单性和易调性，集成电路更好些，本次设计功放采用集成电路完成。

本实用低频功率放大器设计有两部分组成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、LM1875、LF357的配套使用来使本电路系统设计简洁、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。

第二章  总体方案设计

2.1系统指标    

由于本设计不是对单一信号频率实施放大，而是对一个输入电压变化幅度大（5~700mV），频带范围宽（50~10000Hz ）的频带信号实施功率放大，所以不能只从简单的功率放大上考虑。至少应从以下几方面作较为全面的考虑：

1，解决本设计的电路对信号源，尤其是信号幅度小的影响。

2, 要求对整个频带内不同频率范围，不同电压幅值信号都能均匀放大。

因此，所设计的低频功率放大电路，既能有效实现隔离，完成电路阻抗匹配，又能在一个频率范围内进行信号均衡放大的实用性电路。

均衡部分，借鉴了音频放大电路的音调控制电路，将音调控制的输出信号送入功放，提升到所需的额定输出功率。作为信号电路，还有波形变换电路，来增加对称方波的输出功能，故得设计的方框原里图：

设计的整个电路有正弦信号源，放大通道，直流电源，负载部分组成。在放大通道的正弦信号输入幅值大约在5——700mv，在等效负载电阻RL为8欧姆的情况下，其放大通道的额定功率应大于或等于10W。通道带宽大于或等于50——10000Hz，在额定功率小剑侠非线性失真小于或等于3%。

2.2系统增益分配：

由于任务要求额定功率不小于10W，考虑流出50%的裕量，所以输出功率应该在15W以上，同时输出电阻负载为8Ω。    

系统的最大增益为  

系统的最小增益为  

所以在整个放大电路的增益应该在27.7dB~71dB范围内可调。为了保证放大器的性能，单级放大器的增益不宜过高，通常20~40dB（放大倍数在10~100倍之间）

则需整个放大电路的增益应在27.7 dB～71dB范围内可调。为保证放大器性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在20-40 dB(放大倍数10～100倍)之间。故整个放大器增益需通过三级放大实现。为方便增益调整，可使功放级的增益固定，且必须小于65dB ，故其增益取为21 dB．则前置级需要两级放大，且其总增益应在1～45dB之间可调。

2.3总体方案

系统原理方框图如图1所示。根据题目任务, 我们设计有四个基本电路：前置放大级电路、波形变换电路、稳压电源电路、功率放大电路。

 

图1系统原理框图

其中前置级主要完成信号源的电压放大任务，由于从信号源输出的小信号非常微弱, 只有经过放大之后, 这种信号才能激励功率放大器。为验证功放的性能 ,特设计正弦波- 方波转换电路 ,因为方波中含有丰富的高次谐波分量 ,可通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、 失真度、波形转换器电路的功能：一是要将信号源输的1000Hz正弦波变为正负极性对称的方波，且Vp-p=200mV；二是方波信号要经过放大通道进行放大，使输出达到额定功率≧10W。直流稳压电源部分给前置放大级、功率放大级、波形转换电路供电，且各个集成运放芯片的工作电压均为18V。因此选用W7818、W7819三端集成稳压器输出正、负18V电压。功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务。该系统是一个低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。

第三章  单元模块设计

3.1波形变换电路：

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。

直接采用施密特触发器进行波形变换与整形，选用高精度、高速运算放大器LF357构成施密特触发器。根据题目要求，变换后的方波要正、负对称，频率为1000Hz，上升和下降时间 ≤1us，电压的峰-峰值为200mV。因为LF357属于FET管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点，完全可以满足技术指标要求。

图2 波形变换电路

设计电路如图2所示，我们直接采用施密特触发器进行波形变换与整形，选用高精度、高速运算放大器LF357构成施密特触发器。根据题目要求，变换后的方波要正、负对称，频率为1000Hz，上升和下降时间 ≤1us，电压的峰-峰值为200mV。因为LF357属于FET管，具有良好的匹配性能，输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点，完全可以满足技术指标要求。

图2电路中，C1和C2为脉冲加速电容，可以减少方波脉冲上升时间和下降时间,可以取56pF和100pF。RW可以将输出幅度调整至200mV，可选用5.6K。R4为限流电阻，限制稳压二极管电流D1，D2保证输出方波幅度稳定。

 

在该低功率放大器的设计过程中，应注意以下几点：

1、当多级电路相连时，须注意地线的处理。应严格一点接地。接地是抑制噪声和干扰的重要手段。常用的接地方式有逐级串联接地法与并联一点接地法。应根据具体情况采用或同时采用。各级之间宜采用串联接地为主，输出地负载地电源地应采用并联一点接地，并接机壳，这样有利于抑制放大器的自激。

2、为保证充分发挥电路的性能，电源电压应使用推荐值，不可使用极限值，以免造成不可挽回的损失，但也不可降额使用，以免造成电路性能劣化或达不到标称指标。

3、各级的输入线，前置电路输入输线，出线最好采用屏蔽以极大地降低感应噪音，提高信噪比。

4、前置级宜独立供电最好采用前级伺服电源或可调电源板供电，如引自末级功放，须加电阻限流，三端集成稳压器应加退耦电路以杜绝通过电源产生的调制失真。