低频放大器研究性能 毕业论文.doc

毕业设计(论文)题 目 低频功放的性能研究 年 月 日 摘 要关键词： AbstractKeyword: 引言第一章 绪论1.1课题研究背景低频功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后级放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此实用、简洁、低价格是低频功率放大器的发展方向。低频功率放大器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都取得了长足的进步。随着科技的不断发展，一开始是电子管功率放大器，发展到现在的集成功率放大器，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技术，使放大器的失真度大大降低，到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色、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、甜美的音色，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，它俗称为胆机，离散性极小，产品的稳定性很高，特别是由于它的工作机理，使得音色很温柔很有磁性，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的普及，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、音色以及临场感、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。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，音色与电子管相似，保护电路很简单。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。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，且外围电路简单。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，也可以由集成电路组成。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电路，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，所以本次设计功放采用集成电路完成。1.2国内外研究现状21世纪将是数字化、信息化的时代，全新的技术体制将会引发全新的技术产业革命。格式，然后到目前最新提出的SACD格式更是层出不穷，从MPEG-1到MPEG-2，从数字杜比（AC-3）到DTS等。数字功放更是国际上各大厂商关注的焦点。据了解，全球最大的视听设备制造商SONY公司最近准备推出它的数字功放产品，就连非常著名的日本汽车音响制造商（Alpine）也将推出数字功放（这两家均采用美国Tripath的芯片）。在数字信号处理方面极具实力的德州器公司（TI），2000年3月16日宣布成立自己的数字功放事业部，致力发展采用数字技术把高保真音质带入各种类型的音频设备中。因此，数字功放的春天即将到来，而且，在这场数字功放技术竞争中，唯有不断创新才能保持技术的领先地位。      数字音频功放不仅仅能应用在家庭影院系统、高保真重放系统，同时也可将该技术应用到特别需要省电、体积小的地方，如数字电视、汽车音响功放、便携听音设备，甚至是移动电话等设备。应该说该项技术的应用十分广泛，既可用来做上千瓦功率输出的专业功放，也可以是用来做几十毫瓦的便携机。 数字音频功放是全新一代的音频功放，是模拟功放发展的必然趋势和取代者。作为一种全新的技术，其市场的推广需要一段培育过程。 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，它俗称为胆机，离散性极小，产品的稳定性很高，特别是由于它的工作机理，使得音色很温柔很有磁性，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的普及，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、音色以及临场感、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。1.3课题意义及主要内容高频电子线路中,放大器按电流导通角的不同,而工作于 A、B、C状态。A 类放大器电流的导通角为180°,B 类放大器电流的导通角约90°,C类放大器电流的导通角则小于90°。A 类工作状态的效率为50 %,B 类工作状态的最大效率为78.5 %,而 C类工作状态的效率随导通角设置的不同而不同,但在导通角的选择上,提高集电极效率与增大输出功率之间是存在矛盾的。在具体电子线路设计时,为了兼顾效率与功率,选择最佳导通角的问题上,本设计给出了最佳导通角的经验值取70°左右,给出了最佳导通角的经验值取 65°75°,这是高频电子线路专著的说法。由最佳导通角的理论定义,并通过严格的理论分析,给出了其求解方程及具体解,从而使对高频电子线路中谐振功率放大器的最佳导通角的认识从感性上升到理性,在最佳导通角的选择上,首次实现了从依靠经验结论到依靠科学理论 结合实际结果的飞跃,为具体设计中控制导通角提供了理论依据。本课程设计是进一步理解功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状态的影响。掌握功率放大器的调谐特性、放大特性和负载特性。1.4本文组织结构论文的具体章节安排如下：第一章介绍了课题背景、低频功放及其应用的发展现状；第二章介绍了低频功放的基本分类及特性；第三章介绍了低频功放系统的设计方法；第四章介绍了基于NE5532和LM1875的实用低频功率放大器设计；第五章总结全文。第二章 低频功放基本分类及特性2.1功率放大器分类2.1.1按照工作频率不同进行分类低频放大器：工作频率在音频范围内的（一般在几十赫兹到十五千赫左右）的放大器叫做低频功率放大器。中频放大器：中频功率放大器的工作范围是十五千赫到几百千赫。高频放大器：高频功率放大器用来放大几百千赫到几千兆赫的高频信号。2.1.2按照放大管的导通时间的长短进行分类（1）甲类（A类）工作状态在输入信号的整个周期内，放大管都是导通的，导通角=180°。放大管的Q点设置在负载线的中点处。甲类工作状态的放大器主要用于电压放大器，因为在没有输入信号的情况下，直流电源仍需提供较大的直流功率，它消耗在放大管和电阻元件上，即静态管耗大，效率较低，甲类工作状态下的放大电路其最高效率为50%。当有信号输入时，部分直流功率转换为信号功率输出。信号愈大，输出功率也愈大，效率也随之增大。 （2）乙类（B类）工作状态放大管只在输入信号的半个周期内处于导通状态，导通角=90°。放大管的Q点设置在负载线的ic=0处，乙类状态的静态功耗即电源提供的静态功率为零。随着输入信号大小的变化，电源供给的功率及电路的损耗也随之改变，减少了不必要的能量损耗，提高了能量的转换效率。理想情况下，乙类工作状态的放大电路其转换效率可达78.5%。按电路形式它又可分为：双端推挽电路（DEPP）、单端推挽电路（SEPP）和平衡无变压器电路（BTL）。 （3）甲乙类（AB类）工作状态 是介于甲类和乙类之间的工作状态，即放大管在输入信号的半个周期以上一个周期以内的时间处于导通状态，导通角90°<< 180°。甲乙类工作状态电路的转换效率接近乙类工作状态。 （4）丙类（C类）工作状态放大管在小于输入信号的半个周期内处于导通状态，导通角< 90°。（5）丁类（D类）工作状态此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通：Uce=Uces五类功放的效率满足下式：甲<甲乙<乙<丙<丁2.1.3按照负载性质不同进行分类非谐振功放：负载为纯电阻（匹配网络如低频变压器、高频变压器和传输线变压器）谐振功放：负载为电抗性（匹配网络如L型、T型、型等网络）2.1.4按照功放输出级放大元件的数量不同进行分类单端放大器：单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件并联成一组）完成对信号正负两个半周期的放大，单端放大器只能采取甲类工作状态。 推挽放大器：推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好象是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大器构成乙类或甲乙类放大器。2.2低频功放的性能2.2.1性能指标最大输出功率Pom：在输出信号不失真时，放大电路向负载提供的最大交流功率。功率转换效率：最大输出功率与直流电源提供的功率之比。非线性失真系数THD：是指高次谐波占基波的百分比，非线性失真系数越小越好。要求：功率放大电路的主要要求是获得一定的不失真（或失真程度在允许范围内）的输出功率，电路通常在大信号状态下工作，其工作特点和对电路的要求与电压放大电路有所不同，主要有：功率放大器的输出功率尽可能大，因而需要输出电压和电流的幅值足够大，而要增加放大器的输出功率则必须使晶体管运行在极限的工作区域附近；功率放大电路在设计和调试过程中，因为在大信号下工作，所以非线性失真是难免的，但是必须把非线性失真限制在允许的范围内；效率要高；电路末级的三极管都采用功率管，它的极限参数Icm，U（br）ceo,Pcm等应满足实际电路正常工作时的要求，并要留有一定的余量。由于功率管的管耗较大，在使用时一般要加散热器，以降低结温，确保三极管安全工作；由于工作在大信号状态下，功率管消耗的功率较大，在使用时必须考虑转换效率和管耗问题。2.2.2各类低频功放的特点（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。甲类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便，音质好。但信号的正、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，输出功率比较小，效率较低，晶体管功耗大，热量高，效率的理论最大值仅有50，且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计基本上不再使用。（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。乙类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半周正弦波，必须用两管推挽工作。其特点是产生的热量较低，效率较高(为78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，交越失真属于非线性失真的一种，它令声音变得粗糙，信号非常低时失真十分严重。即当信号在-0.6V 0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师放弃。（3）、甲乙类放大器甲乙类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。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(比起甲类放大器要小得多)，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，所以被广泛地应用于音频功率放大器电路中。（4）、丁类放大器丁类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。数字音频功率放大器可以看成是一个一比特的功率数模变换器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。丁类放大器的主要特点是：具有很高的效率，通常能够达到85%以上；体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间；无裂噪声接通；低失真，频率响应曲线好，外围元器件少，便于设计调试。甲类、乙类和甲乙类放大器是模拟放大器，丁类放大器是数字放大器。乙类和甲乙类推挽放大器比甲类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但乙类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而丁类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好，外围元器件少的优点。甲乙类放大器和丁类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。第三章 低频功放系统的设计3.1低频功放的实现方法功率放大电路可由分立元件组成也可以由集成功放组成。3.1.1由分立元件构成由分立元件组成的互补对称式功率放大电路分为两种形式：采用单电源及大容量电容器与负载和前级耦合，而不采用变压器耦合的互补对称电路，称为无输出变压器互补对称功放电路，简称OTL电路。采用双电源不需要用耦合电容的直接耦合互补对称电路，称为无输出电容互补对称功放电路，简称OCL电路。OCL和OTL电路的区别在于前者用双电源供电，无输出电容，而后者用单电源供电，有输出电容。由于OCL电路输出端不用电容耦合，低频特性好，电源对称性强，因而噪声和交流声都很小。OTL电路不用输出变压器，而是采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路。它的特点是：采用互补对称电路，有输出电容，单电源供电，电路轻便可靠。由分立元件组成的功率放大电路，如果电路选择得好，参数选择恰当，元件性能优良，设计和调试的好，则性能也很优良。在分立元件组成功率放大电路中由三极管、二极管、电阻、电容等器件组成的核心电路，提供了自由调整的余地。但分立元件组成的功率放大电路只要其中一个环节出现问题，则性能会低于一般集成功率放大电路。而且为了不致过载、过流、过热等损坏元件，需要加以复杂的保护电路。OCL的典型电路图为：典型的OCL电路图OTL的典型电路图为：典型的OTL电路图OTL功放电路具有频率特性好、非线性失真小及效率高的特点，广泛应用在电视机、扩音机及其他电子设备中。下图所示是一个输出功率为100mW的收音机常用的OTL功放电路。该电路无输出变压器，而用电容器与扬声器进行连接。收音机中的OTL功放电路图3.1.2由集成功放构成集成功率放大电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。以LM386为例进行简单介绍，LM386是美国国家半导体公司生产的音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、通频带宽、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，主要应用于低电压消费类产品，如录音机和收音机中。LM386的管脚图如下：LM386管脚排列图1管脚：电压增益设定端；2管脚：反相输入端；3管脚：同相输入端；4管脚：接地端；5管脚：输出端；6管脚：正电源端；7管脚：旁路端，用于外接纹波旁路电容，以提高纹波抑制能力；8管脚：电压增益设定端。LM386的内部电路图如下：LM386内部电路图输入级是由V1、V2、V3和V4组成的差动放大电路，用V5、V6组成镜像电流源(恒流源)作为差动放大电路的有源负载。差动放大电路从V3管的集电极输出直接耦合到V7管的基极。V7管组成共发射极放大电路作为推动级，为了提高电压放大倍数，也采用恒流源作为它的有源负载。输出级V8、V9构成PNP型复合管再与NPN型的V10管组成准互补功率放大电路。二极管V11、V12是功放级的偏置电路。LM386的典型应用电路图如下：LM386典型应用电路输入信号经电位器Rp接到同相输入端，反相输入端接地，输出端经输出电容C2接负载。因扬声器是感性负载，应用电路所以与负载并联由C1、R1组成的串联校正网络，使负载性质校正补偿至接近纯电阻，这样可以防止高频自激和过电压现象的出现。接在7和地之间的电容C4起到电源滤波作用，它将输入级与输出级在电源上隔离，减小输出级对输入级的影响。电路的电压放大倍数与R值有关。带低音提升功能的应用电路图为：带低音提升功能的应用电路在1和5之间接入了由R和C组成的串联支路，当频率变低时，并联等效阻抗变大，负反馈变弱，电压放大倍数则增大，达到低音增值的目的，所以该电路是带有低音提升的功率放大电路。3.2第四章 基于NE5532和LM1875的实用低频功率放大器设计基于NE5532和LM1875作为主要芯片，设计并实现一个实用低频功率放大器。4.1放大器设计的基本要求在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5700mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足：输出功率PoR10W；带宽BW5010000Hz；在PoR下和BW内的非线性失真系数3%；在PoR下的效率55%；在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声功率10mW。稳压电源自行设计并制作。发挥部分为测量放大器的时间响应，需要由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波。要求频率为1KHz，上升和下降时间1us、峰-峰值电压为200mV。当用上述方波激励放大通道时，在8负载下，额定输出功率PoR10W，输出功率PoR下输出波形上升和下降时间12us，顶部斜降2%，过冲量5%。提高放大通道性能指标和实用功能扩展。4.2方案的选择通过文章前面的论证我们可以得知，本系统总共有两种设计方案，一种设计方案是利用集成电路和分立元件相组合的方案，另外一种是全部利用集成芯片的方案。为了尽可能减小噪声的影响，降低非线性失真，并且考虑外围元器件给系统引入不必要的噪声等干扰，进而会影响实验的结果，本设计采用集成功放芯片来搭建电路，该方案有很多优点：外围元器件少，技术成熟，调试简单，保护功能较完善，便于扩功，性价比高等等。4.3总体方案的论证本实用低频功率放大器设计主要模块有前置级放大和功率放大两部分组成，原理图为：原理图设计整个电路主要由稳压电源（两个）、前置放大器、功率放大器和波形变换电路共四部分构成。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。稳压电源分别为前置放大器和功率放大器提供稳定的直流电源。前置放大器主要是实现电压的放大，功率放大器主要实现电流、同时附带较低的电压放大。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。 4.4单元模块设计前置放大电路主要完成的是小信号电压放大的任务；而功率放大电路则是对信号电压以及电流进行放大；直流稳压电源为整个功放电路提供稳定的直流电源。为了验证功放的性能,设计了将正弦波转换成方波的电路,因为方波中含有丰富的高次谐波分量，我们可以通过对方波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，从而对功率放大器产生保护作用。下面对每个单元电路进行论证。4.4.1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：先经过前级放大后再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，利用稳压管将电压稳定在62 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，施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357。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62 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，直接采用施密特触发器进行变换与整形，施密特电路由高精度、高速运算电路搭建而成，采用高精度、高速运算放大器LF357H构成，因为LF357H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。用multisim软件画电路图如下：此电路中，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。R1可以将输出幅度调整至200mV，可选用10K。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。 （1）确定输出电压Uo Uo=Vz，比较器输出高低电平为Vz UOH=Vz,UOL=-Vz （2）U+和U-的表达式（当U+=U-时，输出电压状态发生跳变） U-=Ui， U+=R5/(R5+R4)×Uo（3）门限电位 EmH = R5/(R5+R4)×Vz EmL = R5/(R5+R4)×(-Vz) 当UiEmH时, Uo=-Vz 当UiEmL时, Uo=Vz迟滞宽度V=EmHEmL=2Vz×R5/(R5+R4) 图中集成运算放大器可采用转换速率SR > 10V/uS，增益带宽积GBW > 10MHZ的运放芯片，如LF357、OP-16、OP-37、NE5534等。电路接成迟滞电压比较器结构，为保证输出方波幅度稳定输出使用2只稳压二极管D1、D2，稳压值为Vz=±3V。令R4=10K（假设迟滞比较器的迟滞宽度V=EmH-EmL=0.7V）, 则R3=（2Vz/V-1）×R4=（2×3/0.7-1）×10=75.71K,取R3=75 K R7近似等于R4，即R7=10K如电路采用LF357集成运放，则输出方波的上升时间和下降时间可做到小于0.5uS。调节RW，输出幅度可调节到200mV，满足题目指标要求。仿真后产生方波，波形图为：4.4.2弱信号前置放大电路 方案一:弱信号前置放大电路的任务是完成小信号的电压放大，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：LM5213、LM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。本设计选用的是NE5532，NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路，用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”。与很多标准运放相似，它具有高阻抗、高精度，有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。NE5532高速转换的特性能够改良电路瞬态的性能, 比较宽的带宽也能确保信号在低、中、高频段不失真的输出，从而电路的整体指标会大大的提高，因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器，其中5532A版能够有效的保证噪声电压指标。NE5532引脚图如下： NE5532 8脚引脚图 NE5532 16脚封装引脚功能图前置放大级电路的主要功能是将50mV700mV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>50Hz10KHz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。同时我们在两级放大中用电位器引入增益调节环节，使本级的总增益在一定范围内持续可调。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,且由于系统要求输出额定功率不小于10W，同时，输出负载为8，则Um= =8.95V，故Uop-pUm=12.6V。 系统的最大增益为： Amax=20 lg(8.950.05)45dB系统的最小增益为：Amin=20 lg(8.950.7)22dB整个放大电路的增益应在22 dB45 dB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10100倍)之间。故前置放大器增益需通过两级放大实现，且其总增益应在145dB之间可调。第一级前置级增益为： A1=R3/R2=150/10=15（约为24dB）第二级前置级增益为： A2=R4/R6=150/10=15（约为24dB）为了满足输入信号的幅度在50mV700mV的范围内，功率输出级的输出功率的额定功率10W的要求，在前置放大级的第二级的输入端采用电位器对大信号进行衰减。同时也起到了可实现增益调节的作用。为了稳定功率放大级的工作点，前置级和功放级之间采用电容耦合。 用multisim软件画电路图如下：仿真后波形图如下：4.4.3功率放大电路 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，构成BTL功率放大电路。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。所以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。本设计采用的是专门的功放集成芯片LM1875来构成BTL功率放大电路。在上述方案论证中，我们选择了集成运放。我们熟悉的性能优异的集成运放有TDA2040A、LM1875、TDA1514等，其中TDA2040A功率裕量不大，TDA1514外围电路较为复杂，且易产生自激。这两种功放的低频性能都欠佳，而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（BW70kHz），但对于本设计的要求的50Hz10kHz已足够，因此选择LM1875做功放。LM1875美国国家半导体公司研发的一款功放集成块，外围电路简单，体积小巧，最大优点是输出功率大。除此之外此集成电路有完善的过载保护功能，内部设置有过热过载以及感性负载反向电势安全工作安全保护。经过增益为1的反向比例放大电路扩展成BTL放大电路，同时具有更高的输出功率。LM1875为五针脚形状：一针脚为信号正极输入，二针脚为信号负极输入，三针脚接地，四针脚为信号输出，五针脚电源正极输入。LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。LM1875引脚图LM1875的参数如下表所示：电压范围：单电压1560V ,或±30V静态电流：50mA输出功率：30W谐波失真：0.015%，当f=1kHz，RL=8，P0=20W时额定增益：26dB，当f=1kHz时工作电压：±25V转换速率：18V/S (9V/S) 采用集成功放LM1875构成的低频功率放大器电路如下图所示，图中输入信号Vi经过C1耦合到LM1875的1脚，功率放大后从4脚输出加到负载。R5、C2串联接在输出端用以抑制高频噪声。C3、C4、C5、C6用于电源去耦滤波，防止功率放大器产生高频自激，去耦是指对电源采取进一步的滤波措施，去除两级间信号通过电源互相干扰的影响。R1、R3组成反馈网络；C7为直流负反馈电容；直流负反馈的作用是稳定静态工作点，而对放大电路的各项动态性能没有影响，动态性能指放大倍数、通频带、输入及输出电阻等。R2为输入接地电阻，防止输入靠路时引起感应噪声；C1为信号耦合电容， 耦合指信号由第一级向第二级传递的过程。电源电压采用±18V。LM1875开环增益为26dB，即放大倍数A=20。为保证放大器性能，单级放大器的增益不宜过高，通常在2040 dB(放大倍数10100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21dB。所以前置级需要两级放大，且其总增益应在145dB之间可调。在上述分析过程中，功放级的增益设为固定值21dB。因此在以LM1875为核心元件的电路中，R3取22K，R1取2K，使得功放级的放大倍数为：Au=1+R3/R1=12因此功放级的增益为20lg1221.6dB。考虑到前置放大第二级中输入信号比较大，功率放大级的输出功率会远大于额定功率，很有可能烧坏功率放大器，因此前置放大第二级的输出端接50K电位器实现对输入功放信号的衰减，以此来保护功放电路。用multisim软件画电路图如下：仿真波形图为：4.4.4自制稳压电源本文中该系统设计采用的是三端集成的稳压电源电路，直流稳压电源部分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。因为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LM7818、LM7918三端集成的稳压电路。 电源变压器的参数分析如下：考虑到稳压器两端会产生3到5.5V的压降，同时取二极管桥式整流器的系数为1.2，则变压器副边的电压（241.2）=20V，取为21V。由于W78系列的最大输出电流为1.5A，因此电源消耗的功率应至少为：21V×1.5A=31.5W。由于通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率，且考虑到整个系统的耗能和为留有裕量，电源变压器的功率选择为40W。 由以上分析计算，可选用一个功率为40W，输入为二路21V的电源变压器。电源电路中整流二极管、电容的参数：电路中采用了5A50V 2CZBE硅整流管全桥,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,