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低频功率放大器的设计论文.doc
一、前言
二、总体方案设计
2.1总体方案论证
2.2单元模块方案论证与比较：
2.2.1波形变换电路：
2.2.2弱信号前置放大级：
2.2.3功率放大级：
2.2.4自制稳压电源：
2.3方案选择：
三、单元模块设计：
3.1各单元模块功能介绍及电路设计：
3.1.1波形变换电路：
3.1.2弱信号前置放大级电路：
3.1.3功率放大级电路：
3.1.4 自制稳压电源电路：
3.2电路参数的计算及元器件的选择：
3.2.1增益分配：
3.2.2前置放大器的参数设计：
3.2.3功率放大级的参数设计：
3.2.4电源电路的参数设计;
3.2.5波形变换电路的参数设计：
3.3特殊器件的介绍
四、系统调试：
4.1.稳压电源的调试：
4.2.前置放大电路和波形转换电路的调试：
4.3.功放级的调试：
4.4系统的总调试：
五、系统功能、指标参数：
5.1 基本要求部分：
5.2 发挥部分：
5.3 要求指标与实测指标对比，见表1：
5.4测试结果分析：
六、设计总结：
七、附录：
7.1 系统整体电路图：
7.2 仪器设备清单:
参考文献：
题目名称：实用低频功率放大器的设计
摘要：在模拟电子技术知识的基础上，我们在此介绍制作具有弱信号放大能力
的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。整个电路主要由稳压电源、前
置放大器、功率放大器、波形变换电路共 4 部分构成。设计的电路结构简洁、
实用，充分利用到了集成功放的优良性能。
关键词：正弦波—方波转换电路 弱信号前置放大级电路 功率放大电路
自制稳压电源电路
Absract： This paper briefly introduced the basic principle，contents
and technical route of the power amplifier of low frequency signa1 based
on the Knowledge of analog electronics technology．The entire circuit is
divided into four major parts．The part of the supply，preamplifier，
power amplifier and wave—changing circuit．The structure of this circuit
is concise and functional.
Key words： Sine wave – square wave conversion circuit
Weak signal preamplifier circuit
Power amplifier circuit
Self-made power supply circuit
一、 前言...............................................................................................................................................2
二、 总体方案设计...............................................................................................................................3
2.1 总体方案论证................................................................................................................................. 3
2.2 单元模块方案论证与比较：........................................................................................................ 3
2.2.1 波形变换电路：......................................................................................................................3
2.2.2 弱信号前置放大级：.............................................................................................................. 4
2.2.3 功率放大级：.......................................................................................................................... 4
2.2.4 自制稳压电源：......................................................................................................................5
2.3 方案选择：.................................................................................................................................... 5
三、 单元模块设计：...........................................................................................................................5
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计：............................................................................................ 5
3.1.1 波形变换电路：.................................................................................................................... 5
3.1.2 弱信号前置放大级电路：....................................................................................................6
3.1.3 功率放大级电路：................................................................................................................7
3.1.4 自制稳压电源电路：...........................................................................................................8
3.2 电路参数的计算及元器件的选择：............................................................................................ 9
3.2.1 增益分配：...........................................................................................................................9
3.2.2 前置放大器的参数设计：....................................................................................................9
3.2.3 功率放大级的参数设计：....................................................................................................9
3.2.4 电源电路的参数设计;.................................................................................................... 10
3.2.5 波形变换电路的参数设计：..............................................................................................10
3.3 特殊器件的介绍........................................................................................................................11
系统调试：........................................................................................................................... 12
四、
4.1.稳压电源的调试：..................................................................................................................... 12
4.2.前置放大电路和波形转换电路的调试：................................................................................. 13
4.3.功放级的调试：......................................................................................................................... 13
4.4 系统的总调试：.......................................................................................................................... 13
五、 系统功能、指标参数：.............................................................................................................14
5.1 基本要求部分：..........................................................................................................................14
5.2 发挥部分：..................................................................................................................................15
5.3 要求指标与实测指标对比，见表 1：.......................................................................................16
5.4 测试结果分析：.......................................................................................................................... 16
六、 设计总结：.................................................................................................................................17
七、附录：............................................................................................................................................. 18
7.1 系统整体电路图：.......................................................................................................................18
7.2 仪器设备清单:..............................................................................................................................19
参考文献：
19
一、前言
作为参加电子设计竞赛培训众多队伍中为数不多的大二学生队伍之一，我们清楚
的认识到自身在单片机、数电等方面所具备的知识远远不够，但同时我们亦具有
明显的优势：我们在模拟电子线路设计方面略有优势。基于这一点，在这次准备
选题中，我们选择了低频功率放大器的设计。通过详尽的资料查询和严密的方案
论证后，我们选择通过对集成运放 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。
二、总体方案设计
2.1 总体方案论证
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①正弦波
一方波转换电路②弱信号前置放大级电路③功率放大电路④自制稳压电源电路。
图 1 系统原理框图
其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压
和电流放大任务；直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量．由于方波中含
有丰富的高次谐波分量，波形变换电路提供方波，可通过对方波信号的测试来检
验功放的转换速率、失真度、效率等指标。
该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲
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。
2.2 单元模块方案论证与比较：
2.2.1 波形变换电路：
方案一： 利用运放在开环状态下的饱和特性, 正弦波信号经过两级运放放大后,
产生了正弦波饱和失真的方波信号, 由于输出方波幅值远大于题目要求, 于是
采用开关三极管脚与脚短接当成两个二极管削波（用两个锗开关管也可以）, 便
将电压钳制在700mv左右, 然后通过电阻分压, 最终得到题目要求的正负极性对
称的200mVp-p的方波信号。
方案二：直接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。
方案三：利用运放的正反馈作用，使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡，
利用稳压管将电压稳定在6．2 V左右，然后利用电阻分压得到要求的正负对称的
峰一峰值为200 mV 的方波信号。运放选用NE5532。
本系统采用方案二，且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。
2.2.2 弱信号前置放大级：
方案一:弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音
响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：M5212、LM5213、LLM1875、
TDA1514、NE5532、NE5534 等。
本系统设计选用 NE5532，因为同众多的运放相比, NE5532 具有高精度、低噪音、
高阻抗、高速、宽频带等优良性能, 被称为“ 运放之皇” 。这种运放的高速转
换性能可大大改善电路的瞬态性能, 较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均
能不失真输出, 使电路的整体指标大大提高。
2.2.3 功率放大级：
方案一： 功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，
整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，
故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较
多，调试要困难一些。
方案二：采用专用的功放集成芯片。LM1875是一款功率放大集成块， 体积小
巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感
性负载反向电势安全工作保护。
根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路
完成。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，
且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。许多优质功放均是分立
功放。但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当，则性能很可能低于一般集
成功放，为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。现在市
场上有许多性能优异的集成功放芯片，如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。集成
功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不
及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。另外集成运放还
有性价比高的特点。
故本系统设计选用方案二。该方案的优点是：技术成熟，外围元器件少，保
护功能较完善，调试简单，便于扩功等。
2.2.4 自制稳压电源：
本系统设计采用三端集成稳压电源电路，选用 LM7818、LM7918 三端集成稳压
器。
2.3 方案选择：
由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分
立元件相结合的方案，另一种是全部采用集成芯片的方案。
为尽可能的降低噪声影响，减小非线性失真，以及考虑到外围元器件过多会给系
统引入噪声等干扰因素造成不利影响，本设计采用方案二：全部采用集成运放芯
片搭建电路。
为满足题目规定的指标要求, 减小非线性失真, 提高电路的高频和低频特性,
我们决定在前置放大级电路中采用集成双运放 NE5532, 在正弦波一方波转换电
路中采用集成运放 LF357，在功率放大级中采用运放 LM1875。
三、 单元模块设计：
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计：
3.1.1 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 200
mV。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
3.1.2 弱信号前置放大级电路：
前置级的任务是完成小信号的电压放大，其失真度和噪声对系统的影响最
大，故采用了低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器 NE5532，均
采用电压并联负反馈电路，因为电压并联负反馈具有很好的抗共模干扰能力，且
具有改善波形失真的作用。且 NE5532 的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性
能, 较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出, 使电路的整体指
标大大提高。放大后的信号失真度和噪声都很小。
前置放大级电路的主要功能是将 5mV~700mV 输入信号不失真地放大到功率放大
级所需要的输入信号。因此，需要解决的问题是本级 225 倍的电压放大倍数和带
宽 BW>50Hz-10KHz 的矛盾。对此可以采用二级放大电路，因为放大器的增益带宽
积是一个常数，增益减小，带宽就可以提高。同时我们在第二级中用电位器（47K）
引入增益调节环节，使本级的总增益在一定范围内持续可调。增益调节可用电位
器手动调节，也可采用自动增益控制，但考虑到题目中的“实用”两字，本装置采
用手动增益调节。
根据以上思路，设计的前置放大级电路如下图 3 所示。
图 3：前置放大级电路
第一级前置级增益为：
Au1=R2/R1=150/10=15（约为 24dB）
第二级前置级增益为：
Au1=R5/R4=150/10=15（约为 24dB）
考虑到输入信号的变化范围很大（5～700mV），在第一级用 RP1（100K）做分压
器来实现各级增益可调，达到可连续改变整个系统的增益的目的。为了稳定功率
放大级的工作点，前置级和功放级之间采用钽电容耦合。
3.1.3 功率放大级电路：
功率放大电路如图4所示，本级电路实现对电压和电流信号的放大。放大信号的
过程就是电路按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换为交流能量
的过程，其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值。
在上述方案论证中，我们选择了集成运放。我们熟悉的集成运放有TDA2040、
LM1875、TDA1514等，其中TDA2040A功率裕量不大，TDA1514外围电路较为复杂，
且易自激。这两种功放的低频性能都欠佳，LM1875外围电路简单。电路成熟，低
频特性好，保护功能安全。它的不足之处是高频特性较差（BW≤70kHz），但对于
本设计的要求的50Hz～10kHz已足够，因此选择LM1875做功放。它是一款功率放
大集成块，形如一只中功率管，体积小巧，在使用中外围电路简单，且输
出功率较大。该集成功放内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作
保护。
图4 功率放大电路图
由于在本电路中选用了集成功放LM1875，它在应用中外围元器件少，调试
简单，便于扩功，使得功率放大级电路简洁，实用，输出功率大，非线性
失真小。
3.1.4 自制稳压电源电路：
直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量，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，仅需要稳压电源输出的一种直流电压即+18V。因三
端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点，本设
计中采用三端稳压电路，电源经 1000uF 电解并并上 0.1uF 电容依次滤掉各种频
率干扰后输出, 输出电压直流性能好, 实测其纹波电压很小。电路如图 5 所示。
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