低频功率放大器的理论设计

摘要

实用低频功率放大器主要对音频信号进行功率放大，本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器原理、电子线路及应用。该电路由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路五部分构成。稳压电源是为前置放大器、功率放大器提供稳定的电源。前置放大器是进行电压的放大。功率放大器实现电流、电压的放大。波形变换电路将正弦信号电压变成要求的方波信号。设计的电路结构简洁、实用，充分体现了集成功放的优良性能。该功率放大器失真度较低、效率较高，为以后的功率放大器设计提供了广阔思路。

关键词：正弦波—方波转换；电路功率放大电路；自制稳压电源电路；弱信号前置放大级电路

Abstract

The utility of the low frequency power amplifier are mainly applied in the audio signal of power amplifier, this article introduces the weak signal amplifier ability has the low frequenc

y power amplifier, the principle of the content, the technical route. The main circuit manostat, preamplifier, power amplifiers, wave transform circuit and the protection circuit five parts. Voltage stabilizer for pre-amplifier, power amplifier provide stable dc power. The preamplifier is voltage scaling. Power amplifier realize current, voltage scaling. Wave transform circuit will sine signal voltage into requirements of the square wave signal. The design of the structure is simple, practical circuit, make full use of the good performance of the integrated amplifier. The power amplifier in bandwidth, distortion degree, have a high efficiency of solid, for the following power amplifier design to provide a broad ideas.

Key words ：Sine wave-square wave transform circuit ;Power amplifier; Circuit homemade manostat circuit ;Weak signal level preamplifier circuit

无线收发芯片

第1章绪论 1

第2章总体方案的设计 4

2.1总体方案的论证 4

2.2波形的变换电路 4

2.3弱信号前置放大级 5

2.4功率放大级 5

2.5自制稳压电源 6

2.6方案的选择 6

第3章单元模块设计 7

3.1波形变换电路 7

3.2弱信号前置放大级 8

3.3功率放大电路 10

3.4自制稳压电源电路 12

3.5特殊器件的介绍 12

第4章总结 14

参考文献 15

致谢 17

第1章绪论

低频孔刚玉功率放大器[1]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，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。随着科技进步在不断发展，一开始的是电子管功率放大器，发展到现在的是集成功率放大器，它经历了不同的发展阶段：电子管功放、晶体管功放、集成功放。

1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如"威廉逊"放大器，较成功地运用了负反馈术，使放大器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。

60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员--集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

70微型电磁泵年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音，以及动态范围达90dB、THD<0.01%（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。

功放有很多种分类方法，按所用放大器件来分类，可分为晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器），电子管式放大器，集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大

红外线测速仪器），目前是以集成电路式功率放大器和晶体管为主，但是电子管功率放大器也占一席之地，它通俗的称为胆机，功放的生产已经达到了一个很高的水平，离散性极小，产品的稳定性很高，并且特别是由于它的工作机理，所以它的音很温柔很有磁性，很富有人情味，从而成为重要的音响电路形式。当前伴随着高保真立体声普及，许多功放也应用到了高保真技术。它是指音频电声系统及设备以及部件保持声音信号原本面貌的能力。对普通家庭音响装置只要低音浑厚，丰满，中音要坚实有力，高音要清脆明亮，从而能够使听者感到满意就认为达到了高保真要求。然而，高保真包括对音高，音强，音以及临场感，混响感等复杂音质状态的保持能力，也不排除对声音进行加工美化。从而就对电路设计，元件性能提出了更高要求。

电子管电路设计、安装、调试比较简单，但缺点是电源变压器、输出变压器绕制工艺麻烦，耗电大、体积大、而且有一定使用期限。因而实际使用中有很多的局限性。如今大功率晶体管的种类很多，优质功放电路层出不穷，因此应用最广泛的形式是晶体管功率放大器。如今科研人员发明出很多优质新型电路使功放谐波失真，能够降低到0.05%，甚至更低[2]。场效应管很有发展前途，它有很多特性比如动态范围大，负温度，噪声小。音与电子管相似，保护电路很简单

[3]。场效应管的生产技术有很大的发展潜力，场效应管放大器有更为强大的生命力。因为集成电路技术快速发展，集成电路的功率放大器也大量出现，制作工艺以及各项指标都达到很高水平，它突出的特点是性能优越、电路简单、体积小、保护功能齐全等等。

因为很多时候主机额定输出功率不能够完全胜任带动整个音响系统的任务，所以就要在主机及播放设备之间安装功率放大器用来补充所需功率缺口，功率放大器在整个系统中起到了“组织、协调”的交通枢纽作用，在一定程度上决定着整个系统能不能提供优秀的音质输出。现如今功率放大器不仅是消费产品(音响) 中不可缺少的装置,并且还广泛应用于控制系统和测量系统中。然而目前已经是一个技术相当成熟的领域,近几十年来,人们为之付出了不懈的努力,不管从线路还是元器件方面,甚至思想认识都取得长足的进步[4]。当前市上集成功放产品价格很低并且种类很多,典型的有LM1875、TDA1514。此类低频功率放大器体积小、保护功能齐全、性能优越、易制作易调试、外围电路简单。目前，有种应用砷化钾制作的功率放大器MMIC，在电话以及个人数据终端方面应用越来越广泛，一块尺寸2.5×3.48平方毫米MMIC工作频率达950MHZ，输出的功率可达到1.1W[5]。

基于目前研究现状，本文章给出的是一种简单实用、制作成本比较低廉的实用低频功放的

设计方案。其功率放大由分立元件组成,亦可由集成电路完成。分立元件组成的功率放大器，如果能够进行精心设计，就会在效率和失真方面优于集成的，价格会便宜，但如果参数设置和电路选择不恰当,元件的很多性能就不会很好体现出来,甚至制作调试比较困难。从电路易调性和简单性，集成电路会显得更好些。此次论文功放采用的是集成电路完成的。

第2章
总体方案的设计

2.1总体方案的论证

系统的原理图如图2-1所示。根据题目任务, 我们的设计总共有五个基本的电路：

（1）波形变换电路

（2）弱信号前置放大级电路

（3）自制稳压电源电路

（4）功率放大电路

（5）保护电路

激光内雕机图2-1系统原理的框图[6]

前置级主要完成的是小信号电压放大的任务；而功率放大级则是实现对信号电压以及电流的放大任务；直流稳压电源为整个功放电路提供足够的能量。因为方波中含有丰富高次谐波分量，从而为波形变换电路提供方波，我们可通过对方波进行信号的测试来检验功放的转换速率、效率、失真度等指标，保护电路能够保护负载不过载，从而对功率放大器也有保护作用。

本文设计的系统是一个高保真、高增益、高效率、宽频带、快响应、低噪声的音响与脉冲传输、放大兼容的电路。下面是对每个单元电路进行的论证。2.2波形的变换电路

方案一：根据运放在开环情况下的饱和特性, 正弦波信号通过两级运放放大, 产生正弦波饱和失真方波信号, 因为输出方波的幅值远远大于题目的要求, 因而采用开关三极管脚和脚短接看成两个二极管削波，从而将电压钳制在700mv附近, 然后通过电阻的分压, 最后得到题目所要求的正负极性对称200mVp-p方波信号。

方案二：直接利用施密特触发器进行整形变换。其中施密特电路可用高速运算、高精度电路联接而成，亦可采用专用的施密特触发器构成，此外还可以用NE5532电路构成。

本文采用方案二，因为施密特电路是由高速、高精度运算放大器LF357组成。

2.3弱信号前置放大级

抽水控制器前置放大电路必须由快响应、高保真、低噪声、高增益、宽带音响集成电路组成。达到上述要求的集成电路是：M5212、LLM1875、NE5532等。