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高保真功率放大器的设计2.rar

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    高保真 功率放大器 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文高保真功率放大器的设计专 业: 电子信息工程 指导教师: 张勇 学生姓名: 元杰 学生学号: 072004110490 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ...........................................................................................................................................IIIAbstract.....................................................................................................................................IV第一章 绪论 .............................................................................................................................11.1 引言 ............................................................................................................................11.2 课题现状 ....................................................................................................................11.3 课题的研究目的和意义 ............................................................................................21.4 本文结构 ....................................................................................................................2第二章 功率放大器概述 .........................................................................................................32.1 功率放大器的基本概念 ............................................................................................32.2 功率放大器的分类 ....................................................................................................32.2.1 按所用的放大器件分 .....................................................................................32.2.2 按输出管的偏置和工作状态分 .....................................................................42.2.3 按功率放大器与负载之间的耦合方式分 .....................................................62.3 功率放大器的主要性能指标 ....................................................................................7第三章 主要集成功放的简介 ...............................................................................................103.1 LM1875 简介 ...........................................................................................................103.2 AD620 简介 .............................................................................................................113.3 NE5532 简介 ...........................................................................................................12第四章 高保真功率放大器的设计 .......................................................................................144.1 系统总体设计方案 ..................................................................................................144.2 单元模块方案设计 ..................................................................................................144.2.1 弱信号前置放大级 .......................................................................................144.2.2 音量控制级 ...................................................................................................154.2.3 功率放大级 ...................................................................................................19第五章 用 Protel 软件制作电路板 .......................................................................................215.1 Protel 简介 ...............................................................................................................21贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页5.2 LM1875 的双电源接法 ...........................................................................................215.3 音频功率放大器原理图 ..........................................................................................225.4 音频功率放大器 PCB 图 ........................................................................................25第六章 总结 ...........................................................................................................................27参考文献 ...................................................................................................................................28致谢 ...........................................................................................................................................29贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页高保真功率放大器的设计摘要随着近几十年的半导体技术的进步和新技术的应用,使功率放大器得到了飞速的发展和应用,各种实用性指标和可靠性指标都有了很大的提高,但随着时代的进步和人们物质生活水平的提高,现代人对听觉水平要求越来越高,对音响的音质真实性要求越来越多,这些要求不断推动新器件新电路的开发并促进整个电声技术的发展,尽可能采用最新技术并与现代化技术结合起来才能使得扬声设备不断发展和完善,才能有广泛的应用前景,才能在更多领域中发挥越来越大的作用,高保真音频功率放大技术就是为了克服这个缺点。本课题研究的对象就是高保真功率音质放大技术,本文主要介绍利用 LM1875、NE5532 等对音频放大器的设计,它们在音频应用场合能够提供非常低的失真度和高质量的音色,还具有高增益、快速转换速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性。关键字:功率放大器;LM1875;高保真 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页The Design of High Fidelity Power AmplifierAbstractAs the progress in semiconductor technology and application of new technology,the power amplifier obtained rapid development and wide application,and there were having the very big enhancement in practicability index and reliability index.However,with the era of progress and continuous improvement of people's living standard,the higher demands of hearing level and the sound quality of audio are being made by modern people. And all of this kind demands are pushing the development of new devices and new circuit,at same time improving the whole electro-acoustic technology.Only use,as far as possible,the latest technology and combining with modern technology can make to lift up the voice with equipment constantly developing and perfecting,to be able to apply widely,and to play an increasing role in more application.The high-fidelity audio power amplifier technique is born at the right moment.This thesis is to research power sound amplification technology.And the content include introducing the the design of some audio amplifier such as LM1875 and NE5532 that can provide very low distortion degree and high quality tone,but also has high gain,fast converting speed,wide power bandwidth,large output voltage swing,large current capacity and a wide range of power supply etc.Key words:Power amplifier,LM1875,High fidelity贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 引言随着现代电子技术和仿真技术的飞速发展,功率放大器已经进入一个技术相当成熟的领域。很多年以来,人们付出了不懈的努力使它无论是在线路技术方面还是在元器件方面乃至思想认识上都取得了长足的进步。功率放大器的种类繁多,但不外乎为分立电路、集成电路。随着科学技术的发展,各种半导体器件的质量和数量正在不断提高,应用日益广泛。由于集成功率放大器具有体积小、重量轻、成本低、安装调试简单等优点。集成功率放大器发挥的作用也越来越重,而音频功率放大器是集成功率放大器的重要组成部分。1.2 课题现状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和集成电路功率放大器,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,但缺点是输出变压器、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,而音频功率放大器作为功率集成电路中的重要组成部分,其广泛应用于消费电子厂品、多媒体、嵌入式系统等领域,由于音频功率放大器输出贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页功率、效率和非线性失真之间存在相互制约的关系,要想得到良好的输出效果在设计电路时应该给予足够的重视,本课题的设计充分利用到了集成功放的优良性能。1.3 课题的研究目的和意义随着现代电子技术的迅速发展,功率放大器也进入了一个崭新的时代,功率放大器在带宽、失真度、效率等指标方面都有了很大的提高。随着功率放大器集成化产品问世,很快在体育馆、影剧场、歌舞厅、家庭中的音乐欣赏、卡拉 OK 等场合得到广泛应用,还广泛应用于控制系统和测量系统中。我国已成为全球最大的电子消费类电子商品市场和生产基地,对高音质的功率放大器的需求也日益增加且随着人们对音质的越来越高的要求,对高音质的功率放大器的研究必将成为未来的趋势和热点。1.4 本文结构本文是通过基于目前现代电子技术的发展对高保真功率放大器进行研究和设计。第一章:绪论(本章阐述了课题的现状、课题目的和研究意义、本文的结构)第二章:功率放大器概述(本章主要介绍了功率放大器的基本概念以及功率放大器的分类和主要性能指标)第三章:主要集成功放的简介(本章主要介绍了 LM1875、NE5532 等集成功放的引脚图、参数、工作原理和电路特点)第四章:高保真功率放大器的设计(本章介绍了整个系统设计总框图和各个单元模块的详细设计)第五章:用 Protel 软件制作电路板(本章主要介绍通过 Protel 软件来制作具体电路的 PCB 板)第六章:总结贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页第二章 功率放大器概述2.1 功率放大器的基本概念功 率 放 大 器 简 称 “功 放 ”。 功率放大器是一种能量转换电路,在输入信号的作用下,电路把直流电源的能量通过前置放大级、功率放大级转换成随输入信号变化的输出功率送给负载。功率放大器和电压放大器是有区别的 [1],功率放大电路与电压放大电路从能量转换的角度来看,是完全一致的,它们都是在三极管的控制作用下,按输入信号的变化规律将直流电源的电压、电流和功率转换成相应变化的交流电压、电流和功率传送给负载。电压放大器是在不失真的前提下要求电压放大器有足够的输出电压,是对微弱的小信号电压进行放大,要求有较高的电压增益;而功率放大器则是对经过电压放大后大信号的放大,要求它在允许的失真度条件下为负载提供足够大的功率和尽可能高的效率,放大器件几乎工作在极限值状态。因此功率放大器的构成及电路的性能指标与小信号电压放大电路有所不同。2.2 功率放大器的分类2.2.1 按所用的放大器件分功率放大器按所用的放大器件可分为集成电路功率放大器、晶体管式功率放大器和电子管式功率放大器,目前以晶体管和集成电路功率放大器为主,电子管功率放大器也占有一席之地。(1)集成电路功率放大器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的水平,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。(2)电子管功率放大器电子管功率放大器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,仅是输出变压器、电源变压器的绕制动作稍有麻烦,其缺点是耗电大、体积大、电子管有一定的使用期限,因此在实际应用中有一定的局限性。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页(3)晶体管功率放大器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但其电路的谐波失真较大,电路复杂,调谐繁琐。2.2.2 按输出管的偏置和工作状态分常见的功率放大器按晶体管静态工作点 Q 在交流负载线上的位置不同,可分为甲类、乙类和甲乙类 3 种 [2],如图 2.1 和图 2.2 所示。(a)甲类功放电路 (b)乙类功放电路 (c)甲乙类功放电路 (d)甲类功放的输出波形 (e) 乙类功放的输出波形 (f) 甲乙类功放的输出波形图 2.1 三种放大电路及输出波形图 2.2 功率放大器的 3 种工作状态(1)甲类放大器 甲类放大器就是给放大管加入合适的静态偏置电流,这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。在功率放大器电路中,功放输出级中的信号幅度已经很大,如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大,这种电路称之为甲类放大器。在贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页功放输出级放大器电路中,甲类放大器的功放管静态工作电流设得比较大,要设在放大区的中间,以便给信号正、负半周有相同的线性范围,这样当信号幅度太大时(超出放大管的线性区域),信号的正半周进入三极管饱和区而被削顶,信号的负半周进入截止区而被削顶,此时对信号正半周与负半周的削顶量是相同的。甲类放大器电路的主要特点如下所述:(a).在音响系统中,甲类功率放大器的音质最好。由于信号的正、负半周用一只三极管来放大,信号的非线性失真很小,这是甲类功率放大器的主要优点。(b).信号的正、负半周用同一只三极管放大,使放大器的输出功率受到了限制,即一般情况下甲类放大器的输出功率不可能做得很大。功率三极管的静态工作电流比较大,在没有输入信号时对直流电源的消耗比较大。(2)乙类放大器 所谓乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流,且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周,正、负半周再在放大器的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。由于这种放大器没有给功放输出管加入静态电流,它会产生交越失真,这种失真是非线性失真的一种,对声音的音质破坏严重。所以,乙类放大器电路是不能用于音频放大器电路中的。 (3)甲乙类放大器 为了克服交越失真,必须使输入信号避开三极管的截止区,可以给三极管加入很小的静态偏置电流,以使输入信号“骑”在很小的静态偏置电流上,这样就避开了三极管的截止区,使输出信号不失真。甲乙类放大器电路的主要特点如下所述: (a).这种放大器同乙类放大器电路一样,也是用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周,但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流,以使三极管刚刚进入放大区。(b).由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小,所以在没有输入信号时放大器对直流电源的消耗比较小,这样具有乙类放大器的省电优点,同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区,对信号不存在失真,又具有甲类放大器无非线性失真的优点。所以,甲乙放大器具有甲类和乙类放大器的优点,同时克服了这两种放大器的缺点。正是由于甲乙类放大器无交越失真,又具有输出功率大和省电的优点,所以被广泛地
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