畢業設計_車載章頻功率放大器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 12 第二 章 車載 功率放大器的設計 功率放大器不僅僅是消費產品（音響）中不可缺少的設備，還廣泛應用于控制系統和測量系統中。 設計 要求 ： 1．輸出功率： 20W。 2．負載阻抗： 8Ω 。 3．通頻帶 Δ fs: 為 20HZ– 20KHZ。 4．音調控制要求： 1KHZ（ 0dB）， 10KHZ（177。 12dB）， 100HZ（177。12dB） 5．靈敏度：話筒輸入： 5mV。 線路輸入： 。 設計過程 擬定總體方案： 甲類功放的主要優點就是電路簡單易行，非線性失真小，適用于小功率的線性音頻放大器，現在甲類功放主要用在高檔功放產品中。而乙類功放與甲類功放最主要的不同點就是靜態電流小，因此無信號時消耗功率小，可獲得較高的效率；但是，乙類功放在工作時，由于兩只晶體管交替導通與截止，因而，在兩管輸出信號波形的銜接處，會產生交越失真；而且功放管在從反偏到零偏再轉為正偏轉換時，隨著信號頻率升高，輸出信號就會在時間上延遲，出現所謂的開關轉換失真。因此，在實際 HiFi 高保真放音系統中，一般不采用乙類功放，而采用線性失真小的甲類功 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 13 放或甲乙類功放。甲乙類功放是通過改變偏置的方法來減少交越失真，它將甲類功放的高保真度與乙類功放折衷，從而在一定程度上 解決了上述效率高與失真大之間的矛盾。而且甲乙類功放的效率可達到 % ，故本次設計采用甲乙類功放。 通過對設計要求和設計方案的分析，本課題采用 LM1875 作為功率放大器。 圖 21 系統組成框圖 確定各級的增益分配 放大倍數 Vs. dB 數 0dB：一般將信號電平（ 0dB）即 作為衡量放大器靈敏度的參考標準。 5mV 的 dB數為： dB44)77 (20 ??。 因為采用的集成芯片 LM1875，其輸出功率為 20W，則負載上的電壓 ：為 話筒或者 CD/DVD 輸入 為 5mV，則整個電路的增益為 前置放大級 音調控制級 功率放大級 自制穩壓電源 負載 VRPU LoL ??? 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 14 20lg（ 26/） =136dB。考慮到音調級必要的衰減，增益為－2dB 左右 。所以取整個電路的增益為 138dB。則各級的增益如下： * 功放級： 52dB * 音調控制級： 2dB。 * 前置放大級： 44dB。 單元電路的設計 前置放大級 ① 電路形式的選擇 由于信號遠輸入的信號幅度較小。不足以推動以后的功放電路。因此要用電壓放大電路對信號輸入的音頻信號電壓進行放大，對于信號源，其負載約為 47KΩ ，所以選用電壓串聯負反饋方式的同相比例放大器，它可以使輸入電阻增大，輸出電阻減小，且輸入輸出電壓同相。又因為前置放大級的增益為 44dB，即 158 倍，取 160 倍，前置放大級 電路采用二級，第一級與第 二級采用電容耦合方式，總的電壓放大倍數為 Auf=160，設計中選用 Auf1=1， Auf2= 其中第一級實際上是一個電壓跟隨器，它提高了帶負載的能力。 VRPU LoL ??? 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 15 圖 22 前置放大器電路圖 電路中二極管 D1 作用是：當線路輸入是 時， D1導通，此時 LF353（ 2）也為一個電壓跟隨器，信號不經過放大直接到音調控制級的輸入端。當輸入為 5mV 時，不足以讓二 極管導通，此時 LF353（ 2）為放大器，信號將放大 160倍后到音調控制級的輸入端。 ② 集成運放的選擇 因為 Auf2=160，根據通頻帶 20HZ– 20KHZ，其上線頻率為20KHZ，則集成運放的放大倍數帶寬積應滿足下列關系： GB≥ Auf2fh = 180*20KHZ = 從運放的資料手冊中可查出 LF353 的單位放大倍數帶寬 GB=4MHZ，滿足要求。 ③ 各元件的參數選擇和計算 電路中電容 C11 是用作噪聲去耦合的，可以用小體積大容量的鉭電容 或普通電解 電容，一般可選為 10μ F， R11 可選用較大的電阻，取 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 16 1MΩ ，電阻 R12 取 10K， LF353（ 2）構成的是放大倍數為 160 的電壓放大電路，同相交流放大電路的平衡電阻可盡量選得大一些，一般為 10K 以上，這樣有利于提高放大電路的輸入電阻，由于輸入電阻為 47K，故選 RP2 的阻值為 47K， R21 取 1K，耦合電容 C12為 10μ F。由 Auf2 = 1+R23/R22 及 R21=R23//R22， Auf2=180 可得 R21=R22=1K， R23=160K。 C21， C22， C23， C24，主要用于電源旁路濾波，一般 C21， C23用電解電容，其值為 220μ F， C22， C24用普通的電容，一般取值為 22μ F。 LF353 的電源為177。 15V 的直流穩壓電源。 音調控制級 音調控制器主要是控制，調節音響放大器的幅頻特性，他只對低頻與高頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持 0dB 不變。因此，音調控制器的電路可以由低通濾波器和高通濾波器構成。由運算放大器構成的音調控制器，電路調節簡單，元器件少，因此，我們選用這種電路形式。 圖 23 音調控制級電路圖 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 17 圖中，電位器 33RP 用來調節音量的大小，即為音量控制電路。 設電容 C31=C32 C33，在中，底音頻區， C33 可視為開路，在中，高音頻區， C31， C32 可視為短路。 工作狀態及元件參數計算： 第一：低頻時的情況： 低頻提升與衰減，電路圖如下圖 4（ a）和圖 4（ b）所示： 1 2 3 4ABCD4321DCBATitleNumber RevisionSizeA4Date: 13May2020 Sheet of File: F:\新新新新新\ Drawn By:R1 R2R4RP1C2A1GND+VCCVeeViVo新新a新A1R1 R2R4C1RP1Vee+VCCGNDViVo新新b新 圖 24 低頻提升與衰減電路 增益為： A（ jω ） =ViVo =[(RP31+R32)/R31]*[1+(jω )/ω2]/[1+(jω )/ω 1] 式中：ω 1=1/（ RP31*C32）， ω 2=（ RP31+R32） /（ RP31*R32*C32） 當 ffL1 時， C32 可視為開路，運算放大器的反向輸入端視為虛地，R34 的影響可以忽略，此時電壓增益 AVL=(RP31+R32)/R31 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 18 在 f=fL1 時，因為 fL2=10fL1，故可得 AV1=(RP31+R32)/ 2 R31 此時，電壓增益 AV1 相對于 AVL 下降了 3dB。 在 f=fL1 時，可得 AV1=[(RP31+R32)/R31]*（ 2 /10） = AVL 此時，電壓增益 AV2 相對于 AVL 下降了 17dB。 同理可得低頻衰減的相應表達式。 第二：高頻提升與衰減： 高頻等效電路如圖 25 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 13 M a y 20 03 S he e t of F i l e : F : \新建文件夾 \ M yD e s i gn .ddb D r a w n B y:R P 2R1 R2R4C3A1R3+ V C CGND V e eViVo高頻等效電路（ a ）R3Ra RbRcC3R P 2A1 V e eGND + V C CViVo等效電路圖（ b ） 圖 25 高頻等效電路 電阻關系式為： Ra=R31+R31+（ R31R31/R32） Rb=R34+R32+（ R34R32/R31） Rc=R31+R32+（ R32R31/R34） 若取 R31=R32=R34， 則上式為： Ra=Rb=Rc=3R32=3R34 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 19 高頻提升與衰減的等效電路如下圖 6 所示： 1 2 3 4ABCD4321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13May2020 Sheet of File: F:\新新新新新\ Drawn By:Ra RbR3C3A1GND+VCCVeeViVo新新a新A1Ra RbR3C3Vee+VCCGNDViVo新新b新 圖 26 高頻提升與衰減電路 增益函數表達式為： )(?jA? = ioVV= 43/)(1/)(1 ?? ??jjRRba ??? 式中， ])/[(1 33333 CRRa ??? ， )/(1 33334 CR?? 1Hff? 時， 33C 視為開路，電壓增益 AV0=1（ 0dB）。在 f=fH1時 AV3= 2 AV0 此時 電壓增益 AV3 相對于 AV0 高 3dB 。在 f=fH2 時， AV4= 210 AV0 此時電壓增益 AV4 相對于 AV0 提高了 17dB。 當 2Hff? 時， 33C 視為端路，此時電壓增益 河南理工大學萬方科技學院本科畢業論文 20 AVH=（ Ra+R33）∕ R33 同理可以得圖示電路的相應表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。 又已知 .12,10,1 0 0 dBxK H ZfHZf HxLx ??? ，由計算式得 ： HZff xLxL 4002* 6/2 ?? ，則 HZff LL 4010/21 ?? ； K H Zff xHxH ?? ，則 KHZff HH 2510 12 ?? AVL=（ RP31+R32） /R31≧ 20dB 其中， R31， R32， RP31 不能取得太大，否則運放漂移電流的影響不可忽視。但也不能太小，否則流過它們的電流將超過運放的輸出能力。通常取幾千歐姆至幾百千歐姆。現取 RP31=470KΩ ，則 AVL=（ RP31+R32） /R31=11（ ）