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文檔簡介
1、模擬電路課程設計報告設計題目:OTL音頻功率放大器專業(yè)班級:電信本學生姓名:一學 號:39_指導教師:設計時間:1月4日摘要功率放大器的作用是給音響放大器負載 RL (揚聲器),提供一定的輸出功率, 當負載一定時,希望輸出的功率盡可能的大, 輸出信號的非線性失真盡可能的小, 效率盡可能的高,功率放大器的常見電路形式有 OTL電路和OCL電路,有用繼 承運算放大器晶體管功率放大器,也有去集成電路功率放大器,本文設計的是 OTL功率放大器,該放大電路采用 LM386高頻放大器芯片,LM386音頻放大器 電路是做常用的音頻功率放大電路,LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗 低,電壓增益可調(diào),電
2、壓范圍大,外接元件少喝總諧波失真少等功率放大器。音頻功率放大器簡稱 “功放”,作用是放大調(diào)音臺或周邊設備 (信號處理設備) 送來的低電平音頻頻信號,使它的輸出功率足以驅(qū)動配接的揚聲器負載?,F(xiàn)有的音頻功率放大器都是以線性放大為基礎的模擬類功放, 即把連續(xù)變化 的音頻信號 (稱為模擬信號) 直接進行線性放大。 所用的放大器件為電子管和雙 極晶體管(即NPN和PNP型半導體晶體管,簡稱晶體管)兩類。按功放靜態(tài)工作點的設置又可分為 A類放大、A/B類放大和C類放三種。A 類放大的失真最小,音質(zhì)好,但電源轉換率最低,器件的發(fā)熱量最大,生 產(chǎn)成高,一般用于輸出功率較小的 Hi-Fi發(fā)燒級功放。C類放大的失
3、真比A類大些,尤其是在小信號輸出時(1/100輸出功率)音 質(zhì)失真更明顯,但電源轉換效率高,器件發(fā)熱量小,性能 /價格比高,一般用于 輸出功率大的專業(yè)功放。A/B類功放的特點介于A類和C類之間,多用于家庭影院的 AV功放。電子管功放巳有數(shù)十年歷史,是功放元老代。轉換速率高,工作可靠,偶次 諧波失真?。犛X對偶次諧波失真特別敏感),音質(zhì)上好,被人們寵愛。最大缺 點是電源利用效率很低,電子管 A類放的效率不到10%、C類約15-17%,大部 分電能變?yōu)闊崃肯牡?。耗電大、發(fā)熱高、體積大、成本高等缺點,在專業(yè)音響 系統(tǒng)中被晶體管功放替代。晶體管功放近 20多年發(fā)展史,是第二代功放。 最大優(yōu)點是電源轉
4、換效率高 (C 類功放最高可達 60%左右),體積小,重量輕、發(fā)熱量不大,生產(chǎn)成本低、 缺點是轉換速率低,偶次諧波失真較大,音質(zhì)和可靠性都略遜于電子管功放。故此次我們選擇用集成塊來做此次的課程設計。題目:OTL音頻功率放大器、設計任務與要求設計任務1、學習基本理論在實踐中綜合應用的初步體驗,掌握模擬電路設計的基本方法,設計步驟,培養(yǎng)綜合設計能力和調(diào)試能力。2、培養(yǎng)實踐技能,提高分析和解決問題的能力。3、掌握OTL音頻功率放大器的設計方法,基本工作原理和基本性能的測試。4、通過OTL音頻功率放大器的設計、安裝和調(diào)試,進一步加深對互補對稱功率放大電路的理解,提高動手能力。設計要求1、設音頻信號為v
5、i=10mV,頻率f = 1KHz2、額定輸出功率Po 2W3、負載阻抗RL=8Q;4、失真度丫三3%5、用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源。、 方案設計與論證總體設計方案1、設計思路功率放大器的作用是給負載RL提供一定的輸出功率。當RL 一定時希望輸出功率盡可能的大,輸出信號的非線性失真盡可能的小,且效率盡可能的由于OTL電路采用的是直接耦合方式,為了保證電路的工作穩(wěn)定,必須采取有效措施抑制零點漂移,為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動負載工作,故,需要喲足夠大的電壓放大倍數(shù),因此,性能良好的OTL功率放大器應由輸入級,推動級和輸出級等組成部分。2、OTL功放各級的作用和電路
6、結構特征1)輸入級:主要是抑制零點漂移,保證電路工作穩(wěn)定同時對前級(音調(diào)控 制級)傳來的信號作低失真,低噪音放大,為此采用帶恒流源由復合管 組成的差分放大電路,切設置的靜態(tài)偏置電流較小。2)推動級:推動級的作用是獲得足夠高地電壓放大倍數(shù)以及輸出級提供足 夠大的驅(qū)動電流,為此采用帶集電極有源負載的共射放大電路,切靜態(tài) 偏置電流比輸入級大。3)輸出級:輸出級的主要作用是為負載提供足夠大的輸入信號功率,可采 用由復合管構成的甲乙互補對稱功放的準互補功放電路。方案一:分立元件電路VCGwe HZikJLi1 Firmed t上忖29OM12VHo基本工作原理:當輸入信號處于正半周期時,Q3導通,Q1截
7、止。Q3以射級輸出的形式將信 號傳遞給負載,同時向Co充電,因為Co電容量大,基級電壓基本保持不變, 維持在Vcc/2,當輸入信號處于負半周期時,Q1導通,Q3截止,以充電的Co充當Q1的電 源,同時放電,Q1也可以以射級輸出形式將信號傳輸給負載 RL這樣在RL上就 得到了完整的輸出波形。方案二:用TDA2030做OTL音頻功率放大器2.2mF電路為音頻功率放大器的原理圖,其中TDA2030是高保真集成功率放大器 芯片,輸出功率大于10W頻響為10-1400HZ輸出電流峰值課達,其內(nèi)部有 輸入級,中間級,輸出級,且有短路保護,和過熱保護,課確保電路工作安 全可靠,TDA2030使用方便,外圍所
8、接器件少,電位器可調(diào)節(jié)音量的大小。方案三:用LM386做OTL音頻功率放大器上圖為LM386與UA741構成的OTL音頻功率放大器,LM386音頻功率放 大器是最常用的音頻功率放大電路,LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗 低,電源增益可調(diào),打壓范圍大,外接元件少,和總諧波失真小,等優(yōu)點的功放 塊 方案討論與確定方案一,分立元件電路,電路中所用地元器件多,成本高,焊接難,且,Uim=Vcc/2: 2 /Au,很難調(diào)到與理論值相等或接近,且難以保證 U5Q=Vcc/2晶體 管受溫度影響大,溫度變化導致 Q點發(fā)生變化,使得所測的數(shù)據(jù)誤差較大,難 以達到設計目的,失真率難以控制,可能使得失真率
9、 =。方案二,用TDA2030做OTL音頻功率放大器,.TDA2030芯片所組成的功放 電路,TDA2030是一款輸出功率大,TDA2030最大功率到達35W左右, 靜態(tài)電 流小,負載能力強,動態(tài)電流大既可帶動4-16Q的揚聲器,電路簡潔,制作方便、 性能可靠的高保真功放,TDA2030并具有內(nèi)部保護電路,TDA2030適用與功率相 對LM386大的電路,缺點是放大倍數(shù)不可調(diào),有時候無法滿足設計要求。方案三,用UA741和LM386做OTL音頻功率放大器,LM386是一種音頻集 成功放,LM386具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件 少和總諧波失真小等優(yōu)點,廣泛應用于錄音機
10、和收音機之中。LM386電源電壓4-12V,音頻功率。LM386音響功放是由NSC制造的,它的電源電壓范圍非常寬, 最高可使用到15V,消耗靜態(tài)電流為4mA,當電源電壓為12V時,在8歐姆的負 載情況下,可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。基本上能滿足設 計要求。綜合上述優(yōu)缺點,選擇方案三選擇方案三的理由如下: 電路設計簡化,組裝方便,只需在集成塊外接少量元件便能實現(xiàn)輸入輸 出的各種放大關系。 由于運放的開環(huán)增益都很高,用其構成的放大電路一般工作在深度負反 饋的閉環(huán)狀態(tài),則性能穩(wěn)定,非線性失真小。 LM386做的功率放大器零漂小,適合各種微弱的信號放大,又其具有很 高地共模抑制比,
11、對溫度的變化及其他外界干擾具有很強的抗干擾能 力。 由LM386構成的放大電路,功耗低,體積小,壽命長。使整機使用的元 器件減少,成本降低,工作效率和可靠性也大大的提高。 LM3876具有電業(yè)放大可調(diào)的優(yōu)點,能夠適應于各種微弱信號的放大。三、單元電路設計與參數(shù)計算1、電源部分,由直流穩(wěn)壓電源提供,電源部分參數(shù)計算提供的是220V的交流電源要變?yōu)?2V直流電 變壓器用220V12V規(guī)格設計思路(1)電網(wǎng)供電電壓交流 220V(有效值)50Hz,要獲得低壓直流輸出,首先必須 采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。(2)降壓后的交流電壓,通過整流電路變成單向直流電,但其幅度變化大(即 脈動
12、大)。(3)脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑,脈動小的直流電,即將交流 成份濾掉,保留其直流成份。(4)濾波后的直流電壓,再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓,便可得到基本不受外界影響的 穩(wěn)定直流電壓輸出,供給負載 RL。直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將 220V工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝 置,它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成,其中:(1) 電源變壓器:是降壓變壓器,它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。(2) 整流電路:利用單向?qū)щ娫?,?0Hz的正弦交流電變換成脈動 的直流電壓,常用的整流濾波電路有全波整流、
13、 橋式整流,此處用的是橋式整流 電路。(3) 濾波電路:可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾 除,從而得到比較平滑的直流電壓。(4) 穩(wěn)壓電路:穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定,不隨交流 電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。整流電路常采用二極管單相全波整流電路,電路如圖2所示。在u2的正半周內(nèi),二極管 D1、D2導通,D3、D4截止;u2的負半周內(nèi),D3、D4導通, D1、D2截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻 RL,且方向是一致的。 整流電路1、輸出電壓平均值 UO(AV)和輸出電流的平均值IO(AV).Uo(AV)1 2 . 22U 2sinwtd (wt)U 20.9U 20
14、Io(AV)Uo(AV) 0.9U 2RLRL2、脈動系數(shù)c Uo1m4.22S -U2 -0.67Uo(AV)32U2233、二極管的選擇每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個周期通過電流,所以每只二極管的平均電流只有負載電阻上電流平均值的一半Id(AV)二lo(AV) 0.45U2RL二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓Ud max . 2U 2對于二極管最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓UR均應留10%的余地,以保證二極管安全工作。If 1.1Io(AV)1 1U2/2RiU(R) 1.12U2整流用的二極管可用1N4007電解電容用3300ufC2和C3可用C4 C5可用C
15、7、C8 可用 220uf發(fā)光二極管上的R用1KQ濾波電路1、輸出電壓平均值Uo(AV) Uomax Uomin-2U 2(1當負載開路時Uo(AV)當 RLC=( 35)T/2 時U O (AV )1.2U2考慮電網(wǎng)電壓波動,電容的耐壓值應滿足 RC=(35) T /2即,應大于 1.1 2U22、脈動系數(shù)SU O1m1穩(wěn)壓電路若輸出電壓較高,接一保護二極管D,以保護集成穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管。LM7812和LM7912的輸出電壓分別了正負 12伏C2和C3是用于抵消輸入線較長時的電感效應,以防止電路產(chǎn)生自激振蕩,其容量較小一般小于1微法圖中電容C4和C5是用于消除輸出電壓中高頻噪聲,可取小于1
16、微法的電容,也可以去幾微法或幾十微法的電容,一邊輸出較大的脈沖電流2、功能部分,參數(shù)計算SI QLH uKM卄1 Po=2w, PoUoUOR(L)R(L) 8Uo=4v2 214co1122OVnnaHe調(diào)。G44滿足設計要求Ui=1Omv Au=Uom/Ui=10mv=424 即 Au=400四、總原理圖及元器件清單1、總原理圖LM386來說最大的放大倍數(shù)為200倍,無法滿足400倍的設計要求,故需在LM386前面串一個ua741。取 R仁 1k,Au1 2,C5=250ufVccUomVcc=12Uom=Aumax =424ua741放大的倍數(shù)為2倍左右,Au1=Rx/R1 2Rx用5K
17、的電位器取 3= C5=10ufC2=C3=f2 RC5C31N4OT7aLED?U2D3D2一M即士也播士頑慣- 曲剜 -LU7S12CTEM 亠一1N4O07 1IWOT 戶嚴吋丁3、兀器件清單2.元件清單元件名稱型號主要參數(shù)數(shù)量單價萬能板大號2電位器5K1電阻1K4101電容耐壓值25V2耐壓值25V220uf2耐壓值25V2耐壓值50V3300uf21耐壓值50V1耐壓值50V10uf2耐壓值25V2二極管IN4007耐壓值1000V,I=1A8發(fā)光二極管LED, 10mA20mA2變壓器220V12V19夾子紅、黑9導線鋁線兩米集成塊UA74111LM38611LM7812Uo=12
18、V、Io=100mA11LM7912Uo=-12V、Io=100mA11底座八腳2保險管1穩(wěn)壓管BZV55-C6穩(wěn)壓2揚聲器14總價五、安裝與調(diào)試先在電路板上做好布局,然后進行焊接。焊接好電路到實驗室進行調(diào)試,初次調(diào)試發(fā)現(xiàn)電源部分正常,之后的功能部分焊好電路板后,進入實驗室調(diào)試時發(fā)現(xiàn)很難達到設計要求, 連靜態(tài)工作點都測不出來,后面檢查發(fā)現(xiàn)是電路有個地沒焊好,虛焊了,改裝好電路后再次進入實驗室, 進行調(diào)試時,靜態(tài)工作點是可以測出來,但是 LM386的最大輸出不失真電壓達不到要求,老師說是集成塊滿足不了要求,叫我們在741和386之間再 接一個電容器,并在386的號腳之間接一個電位器來調(diào)節(jié)電壓放大
19、倍數(shù), 我們回去改裝好電路后,又一次回到了實驗室,進行功能部分的測試,這 次改裝后,電路的其它的要求基本上能滿足要求, 但是最大輸出不失真電 壓還是無法滿足設計要求,最后勉強調(diào)到了,勉強達到了 300多倍,但還 是無法達到400的設計要求,距離成功還差那么一步,后面換了個集成塊, 差不多就達到了要求,總之調(diào)試了好久,其中發(fā)現(xiàn)了好多問題,但最終還 是把這些個問題解決了!六、性能測試與分析1、電源部分性能測試實驗測得:副邊電壓:U仁、U2=濾波后的電壓:U1 =U2=輸出電壓:Uo1 =Uo2=穩(wěn)壓管的差:7812Uo1 =7912Uo2=所測項目理論值絕對誤差相對誤差輸出電壓Uo112V%輸出電
20、壓Uo2-1200副邊電壓U115%副邊電壓U2-15%濾波后的電壓U118%濾波后的電壓U2-18%誤差分析:1)輸入變壓器的交流電頻率不穩(wěn)定,導致輸出的電壓不是很穩(wěn)定,產(chǎn)生誤差,2) 電路中得電阻不是標準電阻,電容也非標準電容,存在一定的誤差,3) 電路中得參數(shù)不是很好,導致產(chǎn)生誤差,4) 讀數(shù)時產(chǎn)生誤差2、功能部分1、靜態(tài):1) ua741的部分的靜態(tài)輸出,U6Q=2) LM386的靜態(tài)部分輸出,U5Q=2、動態(tài):1) 輸入信號:Ui= f=1000HZ2) Ua741的輸出電壓:Uo1 =3) LM386的最大不失真電壓:Uom=4) 第一級的放大倍數(shù)Au1=Uo1竺丄2 1.98Ui
21、 10.135) 第二級的放大倍數(shù)Au2=Uo3.56V179.6Uo1 20.12mv6) 總的電壓放大倍數(shù) Au=Au1*Au2=*=7) p=UoUOR8)2 Vcc * Vcc4R100%36.5%3、理論值:1) Ua741 部 分 的 靜 態(tài) 輸U6Q=UO1 U02211.9( 12)211.95V/cc2) LM386 的靜態(tài)輸出:U5Q=VCc 5.98V23) LM386 的輸出端最大不失真電壓VccUom=2、24.13V4)為了能達到Uom=放大倍數(shù)Au=4004、誤差計算:U6Q的誤差:U5Q的誤差:W(U5Q)%W(U6Q)%的 誤W( 3584-400 *100%
22、11.5%358.4最大不失真電壓的誤差W%= 3.56 4.13 * 100% 17.6%3.565、誤差分析:1.參數(shù)設計不是非常完美;導致產(chǎn)生一系列的誤差2測量儀器本身的老化產(chǎn)生的誤差;3焊接電路時焊點處有電阻被忽略,連接的線路也有電阻;4試驗時間過長溫度發(fā)生變化,使得一些元件的電阻發(fā)生變化;5連接電路時布局拉線太長了! !導致產(chǎn)生了自激振蕩,使得波 形不好。6.測量數(shù)據(jù)時讀數(shù)產(chǎn)生的誤差 7.所選得集成塊未能達到所要求的性能指標。七 結論與心得1.結論:本實驗還可以選擇其它集成塊來完成例如,選用TDA2030來完成此實驗, TDA2030和LM386 樣是音頻集成功放,同樣可以實現(xiàn)同樣的
23、功能。通過這次開放性實驗,我學會了制作電路,熟練了電路焊接方法以及掌握 調(diào)試方法與測試參數(shù);同時還提高了我們的動手能力和測試技術能力。在此次試驗中遇到一些困難,比如有一些元器件不能買到,我只能用其他 元件代替,或買的與要求的參數(shù)稍有偏差,致使好多參數(shù)達不到要求。LM386 的一號腳和八號腳之間即使不接電阻也很難達到 200 倍的放大要 求,所以當要放大倍數(shù)大時,一般選擇在 LM386之前接個ua741 一起來調(diào)節(jié) 放大倍數(shù),本實驗時 LM386 的一號腳與八號腳之間接個電位器來調(diào)節(jié)電壓放 大倍數(shù),確保放大倍數(shù)的可調(diào)。靜態(tài)工作點得調(diào)試一定要合理,否則后面的是要內(nèi)容就很難達到設計要 求,一開始調(diào)試
24、時靜態(tài)工作點沒達到要求所以后面的設計要求也就無法達到 要求,后面調(diào)整電路后靜態(tài)工作點達到要求后,后面的要求也就基本上就滿 足了關鍵點還是靜態(tài)工作點。電路的布局要合理,電路板中的線如果過長的話,容易產(chǎn)生自激振蕩,所 以布局一定要合理,不讓其產(chǎn)生子激振蕩。2.心得 通過這次課程設計,我學會了好會了好多東西,剛拿到設計要求的時候 一頭霧水,后面經(jīng)過一番的差資料把那些個原理和要求基本上都解讀出來了, 以為我們的電路圖無法仿真出來, 所以經(jīng)過我們小組四人的一起討論了好久, 才確定了最終的方案,雖說過程有點曲折,但還是成功了,后面我們開始買 器件,當器件當手后各自焊好電路板后,都開心的把MP3的音頻信號加進去, 結果是喜人的,出來的是美妙的歌聲,后來到了,調(diào)試時發(fā)現(xiàn)還沒達到設計 要求,又趕緊討論是出什么問題了,再次改進后又一次進入實驗室調(diào)試,結 果還是悲劇的,問了老師后老師肯定了我們的原理圖是正確的,給我們提出 來改進的方法,我們又回去改進電路,最后進入實驗室測試時,基本上達到 了設計要求,雖說過程有的
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