模擬電子課程設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 課程名稱模擬電子技術(shù)課程設(shè)計題目名稱高保真OCL音頻放大器專業(yè)班級10電子信息本科1班學(xué)生姓名學(xué) 號指導(dǎo)教師王艷春、陳章寶、王姝敏二一一年十二月二十五日目 錄1設(shè)計任務(wù)書. 32總體設(shè)計. 43單元電路設(shè)計計算. 53.1 輸入級 63.2 放大電路及音頻控制電路 63.3 功率放大電路 104調(diào)試說明. 125小結(jié)及討論. 136參考文獻(xiàn). 14附錄 設(shè)計電路圖. 151設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計題目：高保真OCL音頻放大器的設(shè)計1.2技術(shù)指標(biāo)（1） 最大不失真輸出功率：Pom10W（2） 負(fù)載阻抗（揚(yáng)聲器）RL=8（3） 頻率響應(yīng)：fLfH=50Hz20kHz（4） 音頻控制值范

2、圍低音：100Hz12dB高音：10kHz12dB（5） 輸入電壓：Ui 100mv（6） 失真度：r 2%（7） 穩(wěn)定性;在電源為1524V范圍內(nèi)變化時，輸出零漂100mV.1.3設(shè)計要求（1） 分析電路的組成及工作原理（2） 進(jìn)行單元電路設(shè)計計算（3） 采用衰減式音調(diào)控制電路,采用OCL音頻功率放大器。（4） 說明電路調(diào)試的基本方法。（5） 畫出完整電路圖。（6） 小結(jié)及討論。2總體設(shè)計音頻放大器是一種通用性較強(qiáng)的電路，它能把微弱的聲音電信號進(jìn)行放大，已獲得足夠大的輸出功率推動揚(yáng)聲器。它也是音響裝置重要的組成成分，通常把它叫做擴(kuò)音機(jī)。2.1 工作原理音頻放大器就是對比較小的音頻信號進(jìn)行放大

3、，使其功率增加，然后輸出。前置放大主要對音頻小信號進(jìn)行放大使用一個同相放大電路對輸入的小信號的電壓進(jìn)行放大得到后一級的輸入。后一級電路主要對音頻進(jìn)行功率放大以產(chǎn)生足夠大的輸出功率，推動揚(yáng)聲器發(fā)聲。設(shè)計時首先根據(jù)上述指標(biāo)對整個電路進(jìn)行安排，確定各級的增益分配，然后對各級進(jìn)行具體的設(shè)計。2.2電路組成（1）輸入級主要是把輸入的音頻信號有效地傳遞到下一級，并完成信號源的阻抗變換。（2）音頻控制電路完成高低音的提升和衰減，為了與音調(diào)控制電路配合，這部分還應(yīng)設(shè)置電壓放大電路。 (3)輸出級將電壓信號進(jìn)行功率放大，以使在揚(yáng)聲器上得到足夠大的不失真功率。 音頻放大電路的組成：輸入級電壓放大及音調(diào)控制電路功率

4、放大揚(yáng)聲器2.3技術(shù)指標(biāo)（1） 最大不失真輸出功率：Pom10W（2） 負(fù)載阻抗（揚(yáng)聲器）RL=8（3） 頻率響應(yīng)：fLfH=50Hz20kHz（4） 音頻控制值范圍低音：100Hz12dB高音：10kHz12dB（5） 輸入電壓：Ui 100mv（6） 失真度：r 2%（7） 穩(wěn)定性;在電源為1524V范圍內(nèi)變化時，輸出零漂100mV.2.4基本設(shè)計方法一電路形式實(shí)際的音頻放大器可以有不同的設(shè)計方案，下面根據(jù)由集成運(yùn)放和晶體管組成的電路形式，如圖4.2.2所示進(jìn)行設(shè)計。二各級電壓增益的分配整機(jī)電壓增益為 Aum=UoUi式中輸入電壓Ui由技術(shù)指標(biāo)給出，輸出電壓Uo要根據(jù)額定輸出功率Po和負(fù)載

5、電阻RL求出 Po=Uo2RL（Uo為有效值）所以輸出電壓為 U=PoRL7.3于是可以求得整機(jī)總的電壓增益Aum=73。設(shè)輸入級電壓增益,音調(diào)控制電路電壓增益和輸出級電壓增益分別為Aum1,Aum2 和 Aum3,則 Aum=Aum1Aum2Aum3其中Aum1=1（射極輸出器），Aum2=6 ，Aum2包括音頻控制電路中電壓放大增益和音調(diào)控制電路本身的中頻衰減（對衰減式RC音調(diào)電路而言），Aum3可適當(dāng)大些，取Aum3=12,它實(shí)際是輸出級的推動級電路的增益。三確定電源電壓為保證安全可靠，通常使電路的最大輸出功率P 要比額定輸出功率 大一點(diǎn)，一般取 Pom=(1.52)Po,Pom=10W

6、,Po=56.7V所以，最大輸出電壓因由來計算，即 Uom= 2PomRL=12.6V考慮到管子的飽和壓降以及發(fā)射級限流電阻的作用，電源電壓必須大于數(shù)量關(guān)系為 Vcc=(1n )Uom,Vcc=15.7521V式中n為電源利用系數(shù)，一般取n=0.60.8.在確定了各級電壓增益和電源電壓以后，就可以進(jìn)行電路各級估算，通常要按照由后級向前級的順序原則進(jìn)行設(shè)計。3.單元電路設(shè)計計算3.1輸入級電路采用射級輸出級作為輸入級，利用它的高輸入電阻以減小信號電流，并為了提高輸入電阻，該級的各電阻都比較大。R2=100k R3=100k R4=100k R5=20k Rw1=100k該輸入級的輸出信號經(jīng)電容耦

7、合到電位器上，Rw1是音量調(diào)節(jié)電位器，通過它來調(diào)節(jié)輸入到下一級信號電壓的大小。3.2電壓放大電路及音頻控制電路3.2.1電壓放大電路電壓放大電路的運(yùn)算放大器A1構(gòu)成，A1和外接的電阻元件構(gòu)成典型的同向輸入放大電路。該電路的放大倍數(shù)Au1為 Au1=1R9R7=48圖中的R6為直流平衡電阻，C13為外接的校正電容，用來消除電路可能產(chǎn)生的高頻振蕩它應(yīng)接在運(yùn)放的補(bǔ)償端上。其中R6=47k,C13=100PF。3.2.1音調(diào)控制電路典型的衰減式音調(diào)控制電路，下面分成三個頻段來討論一中頻區(qū)簡化電路如圖3.1 圖3.1此時電路的傳輸系數(shù)為AM=U0Ui=R2R1R20.22可見，中頻區(qū)輸入信號是按固定比例

8、有衰減的傳輸下去。二低音區(qū)等效電路如圖3.2所示。 圖3.21)當(dāng)Rw2動端在最上端時，對應(yīng)的等效電路如圖3.3(a), 電路的電壓傳輸系數(shù)為AL=U0Ui=(1jwwL2)(1jwwL1)，則其幅值等于(1wwL2) 2(1wwL1)2，式中WL1=1(R2R1)C4，Wl2=1R2C4 圖3.3(a)經(jīng)分析計算，當(dāng)信號頻率較高時AL的幅值為R2R1R2，即為中頻區(qū)電壓傳輸系數(shù)；當(dāng)信號頻率很低時，AL的幅值約等于1,故在此頻率范圍的信號相對于中頻區(qū)提高了20lg(1R1R2)dB當(dāng)信號頻率處在中間范圍電路的傳輸系數(shù)隨著頻率的降低而逐漸增大，其變化的斜率近似為6dB倍頻。Rw2動端在最上端時的

9、低頻區(qū)電壓傳輸系數(shù)和頻率的關(guān)系如圖3.3(b)2)當(dāng)Rw2滑動端移到最下端時，其等效電路如圖3.4（a）所示， 圖3.4（a）它構(gòu)成了低音衰減電路。此時輸出電壓為Uo=UiR2R1R2(Rw2Xc3)AL=UoUi=R2R1R2Rw2jwC3(Rw21jwC3)當(dāng)信號頻率較高，AL的幅值為R2R1R2，即為中頻區(qū)電壓傳輸系數(shù)。當(dāng)信號頻率很低，AL的幅值約為R2Rw2，即相對中頻區(qū)電壓信號衰減了20lg(Rw2R1R2)dB當(dāng)信號處于中間范圍是，電路的傳輸系數(shù)隨著頻率的降低而減少，其變化的斜率近似為6dB倍頻。三高音區(qū)信號在高頻率區(qū)，簡化電路如圖3.5所示。此時，根據(jù)Rw1滑動端的位置即可確定對

10、應(yīng)輸出電壓的大小。 圖3.51） Rw1動端在最上端時，簡化電路如圖3.6(a) 圖3.6(a)可得 AH=UoUi=(R2R1R2)(1jwwH1)(1jwwH2),式中wH1=1R1C1, wH2=1(R1R2)C1當(dāng)信號頻率很低，AH的幅值為R1R1R2，即為中頻區(qū)電壓傳輸系數(shù)當(dāng)信號頻率較高，AH的幅值為R2R1R2當(dāng)信號處于中間范圍是，電路的傳輸系數(shù)隨著頻率的增加而增大，其變化的斜率近似為6dB倍頻。其幅頻特性如圖3.6(b)2）當(dāng)Rw1滑動端移到最下端時，其等效電路如圖3.7(a)所示。圖3.7(a) 對應(yīng)的電壓傳輸系數(shù)為： AH=(R2R1R2)(1jwwH1)經(jīng)分析可知，隨著信號

11、頻率的增大，輸出信號衰減越來越大，獲得高音衰減的效果。同樣可畫出其幅頻特性，如圖3.7(b)綜合上述高低音的提升和衰減特性，并使電路參數(shù)選擇合適，就形成了土3.8所示的高低音提升和衰減曲線，圖中的兩條曲線是在Rw1和Rw2動端處于某個極限端的情況，當(dāng)調(diào)節(jié)Rw1和 Rw2時，幅頻特性將在兩條線之間變化。3.3功率放大電路（見圖3.9）1.選擇大功率管準(zhǔn)互補(bǔ)對稱 功放四個管子中的大功率管，要根據(jù)晶體管的三個極限參數(shù)來取。1） 管子能承受的最大反向電壓為：UCEM2Vcc=30V2） 每管最大集電極電流為:IcmVccRL=1.875A3） 單管最大集電極功耗為:Pcm0.2Pom然后根據(jù)這些參數(shù)選

12、取功率管，使選擇的功率管極限參數(shù)滿足： BUCEOUCEM ICMIcm PCMPcm注意應(yīng)使兩功放管參數(shù)盡量對稱。2.選擇互補(bǔ)管，計算R19，R20,R211）確定R19，R20,R21由于功放管參數(shù)對稱，它們的輸入電阻為： Ri=rbe20要使互補(bǔ)管的輸出電流大部分注入到功放管的基級，通常取R19=R21=(510)Ri。 平衡電阻R20可按R1910選取。R19=R21=220 R20=222）選擇互補(bǔ)管T2，T3。因?yàn)門2，T3分別于T4，T5組成復(fù)合管，它們承受的最大反向電壓相同，而集電極最大電流和最大功耗可近似認(rèn)為: Icm (1.11.5)Ic4 =0.103A Pcm (1.1

13、1.5) Pcm4 =0.154W式中分別是功放管的集電極最大電流和最大功耗，為功放管的電流放大系數(shù)。 BUCEO2Vcc ICMIcm PCMPom3)計算偏置電阻 功放級互補(bǔ)管的靜態(tài)電流由R16，二極管和R17提供。要使R16，R17中流過的電流大于基級電流IBM，即 IR16IBM=Icm 式中Icm分別為互補(bǔ)管的集電極最大電流和電流放大系數(shù)，而R16 =(VccUbe2Ube4)R16=(Vcc0.70.7) R16=1.36mA,所以R16的阻值應(yīng)為10K，而R17的阻值和R16的相等。圖3.94.調(diào)試說明 一電路檢查檢查電路元件焊接是不是正確，注意檢查元件連接是否有虛焊和短路，查看

14、運(yùn)放和晶體管管腳是否接對，注意電解電容級性不能接反。檢查電源電壓是否符合要求，正負(fù)電源方向要對，數(shù)值要對稱。二檢查靜態(tài)1負(fù)載開路，接通電源，粗測靜態(tài)各級情況。1）用萬用表直流電壓檢查正負(fù)電源是否接上。2）逐級檢查各級狀態(tài)：測量個晶體管UBE和UCE,UBE=0和UCE=0均為不正常，對運(yùn)算放大器要測量個管腳電壓是否正常。3)檢查輸出級電位。輸出級電位應(yīng)為OV，4)接假負(fù)載，測量上述靜態(tài)電壓。輸出端電位仍為0V，不應(yīng)有太大的偏移，否則表明互補(bǔ)對稱管不對稱。5.小結(jié)及討論通過整體分析，可以知道該設(shè)計方案設(shè)計出的音頻放大器對音頻信號能夠進(jìn)行電壓放大和功率放大，能夠輸出大的交流功率，非線性失真和頻率失

15、真較小，且輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。具有音調(diào)控制能力。但不能實(shí)現(xiàn)對噪音的有效控制。所以仍有許多改進(jìn)的地方。另外，通過一周的課程設(shè)計，我對模電這門課有了更深的理解，在對課程的設(shè)計過程中，無形中加深了我對模擬電子電路的運(yùn)用能力；這當(dāng)中不斷出現(xiàn)的問題也讓我看到了理論與實(shí)踐之間的差距，可以說這是一次對我實(shí)際能力的檢驗(yàn)和提高，這對我們以后的學(xué)習(xí)一定有很好的作用。 其實(shí)，通過這么一次設(shè)計，我也學(xué)到了許多關(guān)于關(guān)于軟件應(yīng)用的知識，讓我對電路仿真軟件有了一個基本的了解,學(xué)會了用它來繪制電路圖，這是一個附加的收獲。 總之，這次設(shè)計是一件很有意義的事，很高興學(xué)校給我們這樣的機(jī)會讓我們鍛煉一下，雖然花費(fèi)了