模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書-音頻功率放大器

1、目錄1緒論-1-2藝步頁功率放大器-2-2. 1 甘頻功放的性能扌旨標(biāo)-2-2.2音頻功放的特點-3-2.3功放的分類及本設(shè)計的整體構(gòu)思-4-3方案分析-6-3. 1方案的選擇-6-3.2對所選方案電路中運放uA741的簡介-6-4電路設(shè)計-8-4. 1電路工作原理-8-4.2靜態(tài)工作點設(shè)置-9-4. 3參數(shù)計算-10-5電路仿真-12-5. 1 PROTEUS畫圖仿真-12-6電路安裝與調(diào)試-15-6. 1 合理布局, 分級裝調(diào)-15 -6. 2電路調(diào)試-15-7小結(jié)-16-參考文獻-17-元器件清單-18-本科生課程設(shè)計成績評定表-19-武漢理匸大學(xué)$模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)訃說明書1緒論功

2、率放大器（簡稱功放）的作用是給音頻放大器的負載RL（揚聲器）提供一定 的輸岀功率。當(dāng)負載一定時，希望輸岀的功率盡可能大，輸岀信號的非線性失 真盡可能地小，效率盡可能高。音頻放大器的LI的是以要求的音量和功率水平 在發(fā)聲輸岀元件上重新產(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范 圍約為20 Hz20 kHz,因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。 本設(shè)計中要求設(shè)計一個實用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度=200mV,負 載電阻等于8Q的條件下最大輸出不失真效率60%,功率放大器的頻帶寬度BW N20Hz20KHz,在最大輸出功率下非線性失真系數(shù)小。驅(qū)動級應(yīng)用運算放大器UA741來

3、驅(qū)動互補輸出級功放電路，功率輸出級山 雙電源供電的0CL互補對稱功放電路構(gòu)成。為了克服交越失真，由二極管和電 阻構(gòu)成輸出級的偏置電路，以使輸出級丄作于屮乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài) 和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負反饋。本課程設(shè)計是一個0CL 功率放大器，該放大器采用復(fù)合管無輸岀耦合電容，并采用正負兩組雙電源供 電。綜合了模擬電路中的許多理論知識，鞏固了用運放和三級管組成電路的應(yīng) 用，負反饋放大電路基本運算電路的性能與作用。本設(shè)計報告首先對音頻功率放大器進行了簡單的介紹，選擇放大電路的設(shè) 計方案。選擇好合理的方案后對電路的基本構(gòu)成進行了分析，設(shè)計出電路圖并 且分析該電路，按照課程設(shè)計任

4、務(wù)書對參數(shù)進行分析訃算使電路的參數(shù)滿足設(shè) 計要求。并且通過proteus軟件設(shè)計出電路圖，并對所設(shè)計電路工作原理進行 分析。利用Proteus軟件對所設(shè)計的電路進行模擬與仿真分析分別對靜態(tài)工作 點，瞬態(tài)波形分析，頻率分析等，對proteus進行了一定的簡介。最后焊接出 實物和到實驗室進行調(diào)試。寫出相關(guān)總結(jié)和心得體會。2首頻功率放大器2.1昔頻功放的性能指標(biāo)音頻功率放大器的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效 率盡可能高。非線性失真盡可能小。功放的性能指標(biāo)參數(shù)如下：（-）靈敏度對放大器來說，靈墩度一般指達到額定輸出功率或電壓時輸入端所加信號 的電壓大小，因此也稱為輸入靈墩度；對音箱

5、來說，靈敬度是指給音箱施加1W 的輸入功率，在喇叭正前方1米遠處能產(chǎn)生多少分貝的聲壓值。（二）阻尼系數(shù)負載阻抗與放大器輸出阻抗之比。使用負反的晶體管放大器輸岀阻抗極 低，僅零點兒歐姆其至更小，所以阻尼系數(shù)可達數(shù)十到數(shù)白。（三）反饋也稱為回授，一種將輸出信號的一部分或全部回送到放大器的輸入端以改 變電路放大倍數(shù)的技術(shù)。負反饋導(dǎo)致放大倍數(shù)減小的反饋稱為負反饋。負反饋雖然使放大倍數(shù)蒙受損失， 但能夠有效地拓寬頻響，減小失真，因此應(yīng)用極為廣泛。正反饋使放大倍數(shù)增大的反饋稱為正反饋。正反饋的作用與負反饋剛好相反，因 此使用時應(yīng)當(dāng)小心謹慎。（四）動態(tài)范圍信號最強的部分與最微弱部分之間的電平差.對器材來說，

6、動態(tài)范圉表示這 件器材對強弱信號的兼顧處理能力。（五）響應(yīng)頻率響應(yīng)簡稱頻響，衡量一件器材對高、中、低各頻段信號均勻再現(xiàn)的能力。對器 材頻響的要求有兩方面，一是范圉盡量寬，即能夠重播的頻率下限盡量低，上 限盡量高；二是頻率范用內(nèi)各點的響應(yīng)盡量平坦，避免出現(xiàn)過大的波動。瞬態(tài)響應(yīng)-1-武漢理匚大學(xué)&模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書器材對音樂中突發(fā)信號的跟隨能力。瞬態(tài)響應(yīng)好的器材應(yīng)當(dāng)是信號一來就 立即響應(yīng)，信號一停就嘎然而止，決不拖泥帶水。（六）信噪比（S/N）乂稱為訊噪比，信號的有用成份與雜音的強弱對比，常常用分貝數(shù)表示。 設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。（七）屏蔽在電子裝置或?qū)Ь€的外面

7、覆蓋易于傳導(dǎo)電磁波的材料，以防止外來電磁雜 波對有用信號產(chǎn)生干擾的技術(shù)。（八）阻抗匹配一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上 負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信 號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗 5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應(yīng) 選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可 以接任何阻抗的音箱。2. 2音頻功放的特點音頻功率放大器的特點：、輸出功率足夠大一一為獲得足夠大的輸出功率，功放管的電壓和電流 變化范圍應(yīng)很大。、效率要高一一功率放

8、大器的效率是指負載上得到的信號功率與電源供給 的直流功率之比。、非線性失真要小一一功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、電流 擺動幅度很大，極易超出管子特性曲線的線性范圉而進入非線性區(qū)，造成輸出 波形的非線性失真，因此，功率放大器比小信號的電壓放大器的非線性失真問題 嚴(yán)重。2. 3功放的分類及本設(shè)計的整體構(gòu)思功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補對稱功放電路， 單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽電路和變壓器耦合功放電路，等等。 我選用的是雙電源供電的OCL互補推挽對稱功放電路。此推挽功率放大器的工作狀態(tài)為屮乙類。推挽功率放大器的工作狀態(tài)之所 以設(shè)為屮乙類而不是乙類，其LI

9、的是為了減少“交越失真”。若設(shè)置為乙類狀 態(tài)，山于兩管的靜態(tài)丄作點取在晶體管輸入特性曲線的截止點上，因而沒有基 極偏流。這時由于管子輸入特性曲線有一段死區(qū)，而且死區(qū)附近非線性乂比較 嚴(yán)重，因而在有信號輸入、引起兩管交替工作時，在交替點的前后便會出現(xiàn)一 段兩管電流均為零或非線性嚴(yán)重的波形；對應(yīng)地，在負載上便產(chǎn)生了交越失 真。將工作狀態(tài)設(shè)置為中乙類便可大大減少交越失真。這時，由于兩管的工作 點稍高于截止點，因而均有一很小的靜態(tài)工作電流ICQ。這樣，便可克服管子 的死區(qū)電壓，使兩管交替工作處的負載中電流能按正弦規(guī)律變化，從而克服了 交越失真。OCL互補推挽對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者

10、為后者提 供一定的電壓幅度，后者則向負載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負載工作。因此，需要設(shè)計兩部分，即驅(qū)動級和功率輸出級。曲于題H是高保真音頻 功率放大器的設(shè)計與制作，因此，必須保證其向負載提供功率，要求輸岀功率 盡可能大，效率盡可能高，非線性失真盡可能小。整體構(gòu)思：OCL互補對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者為后者提供一 定的電壓幅度，后者則向負載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負載工作。圖2-1設(shè)計電路框圖驅(qū)動級應(yīng)用運算放大器I1A741來驅(qū)動互補輸出級功放電路。功率輸出級山 雙電源供電的OCL互補對稱功放電路構(gòu)成。為了克服交越失真，山二極管和電 阻構(gòu)成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于

11、屮乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài) 和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負反饋。功率放大器的作用是給 音響放大器的負載（一般是揚聲器）提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要 性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應(yīng)和效率。口前常 見的電路結(jié)構(gòu)有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶體管組 成的功率放大器；也有采用集成運算放大器和大功率晶體管構(gòu)成的功率放大 器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應(yīng)用越來越多。III于集成功率放 大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電 源利用率高，失真小，具有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消噪等

12、 功能，所以使用非常廣泛。-5-武漢理匸大學(xué)$模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)訃說明書3方案分析3. 1方案的選擇方案一：采用UA741運算放大器設(shè)計電路與四個三級管相結(jié)合組成，UA741 通用高增益運算通用放大器，運放為電路的驅(qū)動級電路。早些年最常用的運放 之一。應(yīng)用非常廣泛，雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓±22V,差分電 壓±30V,輸入電壓±18V,允許功耗500mW=四個三極管構(gòu)成功率輸出級由雙 電源供電的OCL互補對稱功放電路構(gòu)成。為了克服交越失真，由二極管和電阻 構(gòu)成輸岀級的偏置電路，使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功 率增益并減小失真，電路中

13、引入電壓吊聯(lián)負反饋。功率放大器的作用是給音響 放大器的負載(一般是揚聲器)提供所需要的輸出功率方案二：采用LM324通用四運算放大器，雙列直插8腳封裝，其內(nèi)部包含 四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。它有5 個引出腳，其中“ + ”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電 源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端，表示運放， 輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+ ( + )為同相輸入端，表示運放輸出 端Vo的信號與該輸入端的相位相同。方案選取：本設(shè)計選擇方案一采用UA741和三級管就能滿足實驗要求了， 這樣設(shè)計電路簡單，應(yīng)

14、用簡單。3.2對所選方案電路屮運放uA741的簡介UA741M, UA741I, UA741C (單運放)是高增益運算放大器，用于軍事，工 業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。這類單片硅集成電路器件提供輸岀短路保護和閉鎖自山運作。 這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用 適當(dāng)?shù)碾娢?。UA741的引腳圖如下圖所示。 Offset nu I 12 - Inverting input3 - Non-inverting input4-VCc5 - Offset null 26 - Output7- Vcc+8- N.C.圖3-1 UA741的引腳圖UA741M, uA741l, uA741C芯

15、片引腳和工作說明:1和5為偏置（調(diào)零端），2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出, 7接電源8空腳。UA741的內(nèi)部電路如下圖所示。4電路設(shè)計本設(shè)計電路的總體設(shè)訃圖如下，這是由集成運放與晶體管組成的OCL功放 電路如圖牛1所示。其中運放為驅(qū)動級，晶體管組成復(fù)合式晶體互補對稱 電路。4. 1電路工作原理三極管!；、T為相同類型的NPN管，所組成的復(fù)合管仍為NPN型。T“ T4 為不同類型的晶體管，所組成的復(fù)合管的導(dǎo)電極性山笫一支管決定，即為PP 型。R- Rs、RP?及二極管D、0所組成的支路是兩對復(fù)合管的基級偏置電 路，靜態(tài)時支路的電流I?？捎上率接嬎悖篒 _ 2Vcc-2Vd0 r

16、4+r5+rp2式中，V。為二極管的正向?qū)▔航怠榱藴p少靜態(tài)功耗和克服交越失真，靜態(tài)時人、1；應(yīng)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)，即 滿足下列關(guān)系：VABVD1+VD2VBE+VBE3稱此狀態(tài)為甲乙類狀態(tài)。二極管D0與三極管人、應(yīng)為同類型的半導(dǎo)體材 料，如0、D?為硅二極管IN5399,則耳、1；也應(yīng)為硅三極管。RP用于調(diào)整復(fù) 合管的微導(dǎo)通狀態(tài)，其調(diào)整范圉不能太大，一般采用兒口歐姆或1K電位器，安 裝電路時首先應(yīng)使R匕的阻值為0,在調(diào)整輸出級靜態(tài)丄作電流或輸出波形的交 越失真時再逐漸增大阻值。否則會因為R匕的阻值較大而使復(fù)合管損壞。R?用于減少復(fù)合管的穿透電流，提高電路的穩(wěn)定性，一般為兒十歐姆 到兒白歐姆。

17、R8> 為負反饋電路，可以改善功放的性能，一般為兒歐姆。Rl0> R"稱為平衡電阻，使E、T3的輸出對稱，一般為兒十歐姆至兒百歐姆。R】2、C3 稱為消振網(wǎng)絡(luò)，可改善負載為揚聲器時的高頻特性。因揚聲器呈感性，易引起高 頻自激，此容性網(wǎng)絡(luò)并入可使等效負載呈阻性。此外，感性負載易產(chǎn)生瞬時過 壓，有可能損壞晶體三極管T4o R12. q取值視揚聲器的頻率響應(yīng)而定, 以效果最佳為好，一般匕2為兒十歐姆，G為兒千皮法至O.luFo4.2靜態(tài)工作點設(shè)置設(shè)電路參數(shù)完全對稱。靜態(tài)時功放的輸出端0對地的電位應(yīng)為0, vo=0, 輸出點稱為“交流零點”。電阻R接地，一方面決定了同向放大器的輸

18、入電阻, 另一方面保證了靜態(tài)時同相端電位為0,即v =0o III于運放的反相端經(jīng)R“ RP, 接交流零點，所以V_=0。靜態(tài)時二0。調(diào)節(jié)RR電位器可以改變功放的負反饋 深度。電路的靜態(tài)工作點主要由I。決定，I。過小會使晶體管耳、J工作在乙類 狀態(tài)，輸出信號會出現(xiàn)交越失真，I。過大會增加靜態(tài)功耗使功放的效率降低。綜 合考慮，對于數(shù)瓦的功放，一般取I0=lmA3mA,以使厲、耳工作在甲乙類狀態(tài)。 下圖為用PROTEUS軟件設(shè)計進行靜態(tài)工作點分析的圖。如圖牛2。-9 -武漢理匸大學(xué)$模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)訃說明書圖牛2仿真靜態(tài)工作點分析4. 3參數(shù)計算已知條件 Rl=8Q, V,=200mV ,

19、+VCC=+12V , -VEE=-12Vo性能指標(biāo)要求Po > 2W, /<3% （1KHZ的正弦波）。采用本次設(shè)計的電路，集成運放Ua741o功放的電壓增益=1+ R$+RRR.若取R2=lkQ,則 Rj+RP|=19kC?，F(xiàn)取R3=10kD , RP, = 47kQ 如果功放級前級是音量控制電位器（設(shè)為47kQ）,則取R,=47kQ以保證功放級的輸入阻抗遠大于前級的輸出阻抗。若取靜態(tài)電流I（） = lmA,因靜態(tài)時VC=OV,山式I _ 2Vcc-2Vd° R4+R5+RP2可得,Vcc-Vd_12V-°7VR4+RP2 R4則R4=11.3kQ,取標(biāo)稱值

20、HkQo-13-5電路仿真在本節(jié)中主要介紹了掌握PROTEUS操作和使用方法，利用PROTEUS軟件設(shè) 計出電路圖，并對所設(shè)計電路工作原理進行分析。對所設(shè)計的電路進行模擬與 仿真分析。5. 1 PROTEUS畫圖仿真瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析實際上是時域分析。晶體管放大電路的靜態(tài)工作點測試正確后， 需要測試電路的動態(tài)特性。在圖4-1電路圖的軟件仿真上，進行放大瞬態(tài)模擬分 析，以正弦波信號源代替了音源，以一個電阻代替了喇叭。在其中進行靜態(tài)分 析時要進行如下設(shè)計，得到如圖所示。在執(zhí)行PROTEUS中的run,首先要進行電氣檢查和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表格如果出錯就 停止仿真，改正錯誤再仿真。武漢理匸大學(xué)$模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

21、課程設(shè)訃說明書ANALOGUE ANhL-XS IS:Ct<1 八/、1/ /卜c-n a./1/Uh n nnI/K «lK/1Hlz aa.1/1/j/丿13.0010.Pn20.0m30.40.0n59.0*160.0n70.0n30.3m§P,0b120n圖5J仿真分析時域輸入輸岀電壓曲線頻率分析晶體管放大電路的靜態(tài)丄作點測試正確后，需要測試電路的動態(tài)特性。在電路圖的軟件仿真上，進行頻率特性分析，以正弦波信號源代替了音源，以一個電阻代替了喇叭。在其中進行靜態(tài)分析時要進行如下設(shè)計，得到如圖所圖5-2仿真分析頻率特性曲線15武漢理匸大學(xué)$模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)訃說

22、明書6電路安裝與調(diào)試6.1合理布局，分級裝調(diào)音響放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機線路進行合理布局，一 般按照電路的順序一級一級的布線，功放級應(yīng)遠離輸入級，每一級的地線應(yīng)盡 量接在一起，連接盡可能短，否則很容易產(chǎn)生自激。安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時特別要注意功放塊，三極管，二極管 等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始向后級安裝，也可以從功 放級開始向前逐級安裝。安裝一級調(diào)試一級，安裝兩級要進行級聯(lián)調(diào)試，直到 整機安裝與調(diào)試完成。6.2電路調(diào)試電路的調(diào)試過程一般是先分級調(diào)試，再級聯(lián)調(diào)試，最后進行整機調(diào)試與性 能指標(biāo)調(diào)試。本電路在調(diào)試過程中，音頻輸出效果基本符合題LI要求，功放

23、各種音頻信 號聲音洪亮清晰，無噪音，失真度兒乎沒有。但在話筒信號輸入部分電路中， 出現(xiàn)了放大倍數(shù)不夠，導(dǎo)致了功放話筒聲音小，而且有噪音。改進方法應(yīng)為加 大放大倍數(shù)，接上濾波電容，提高話筒前置放大能力。-21 -7小結(jié)通過這次為期兩周的設(shè)計，我對以詢所學(xué)的電路和模電知識有了更深層次 的理解與鞏固，并學(xué)會了 PROTEUS軟件的應(yīng)用，對電路進行仿真。設(shè)計一個很 完整的電路，需要不斷的嘗試摸索，這在很大程度上提高了我考慮問題的全面 性。設(shè)計完整的電路，還要考慮到它什么功能需要什么電路來實現(xiàn)。另外，還 要考慮它的可行性，實用性等等。這樣，也提高了我分析問題的能力。通過這 次設(shè)計，我的理論知識上升到了一個實踐的過程，我們需要多訓(xùn)練實際動手操 作，增強我們的動手能力。因為對PROTEUS軟件不能熟悉運用，而且此仿真軟件有所限制，所以仿真 的過程中遇到了很多困難，許多元件在元件庫找不到，于是只能找資料用其他 元件代替，不過有困難才能讓我們學(xué)到更多。通過這次課設(shè)