OTL音頻功率放大器

./模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：OTL音頻功率放大器專業(yè)班級(jí)：電信本學(xué)生：學(xué)號(hào)：39指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：1月4日摘要功率放大器的作用是給音響放大器負(fù)載RL〔揚(yáng)聲器,提供一定的輸出功率,當(dāng)負(fù)載一定時(shí),希望輸出的功率盡可能的大,輸出信號(hào)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(yùn)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(shè)計(jì)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),電壓圍大,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(jiǎn)稱"功放",作用是放大調(diào)音臺(tái)或周邊設(shè)備〔信號(hào)處理設(shè)備送來的低電平音頻頻信號(hào),使它的輸出功率足以驅(qū)動(dòng)配接的揚(yáng)聲器負(fù)載。現(xiàn)有的音頻功率放大器都是以線性放大為基礎(chǔ)的模擬類功放,即把連續(xù)變化的音頻信號(hào)〔稱為模擬信號(hào)直接進(jìn)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(dǎo)體晶體管,簡(jiǎn)稱晶體管兩類。按功放靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)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(zhuǎn)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(jí)功放。

C類放大的失真比A類大些,尤其是在小信號(hào)輸出時(shí)〔1/100輸出功率音質(zhì)失真更明顯,但電源轉(zhuǎn)換效率高,器件發(fā)熱量小,性能/價(jià)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(diǎn)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(zhuǎn)換速率高,工作可靠,偶次諧波失真小〔聽覺對(duì)偶次諧波失真特別敏感,音質(zhì)上好,被人們寵愛。最大缺點(diǎn)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(diǎn),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(diǎn)是電源轉(zhuǎn)換效率高?！睠類功放最高可達(dá)60%左右,體積小,重量輕、發(fā)熱量不大,生產(chǎn)成本低、缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。題目：OTL音頻功率放大器設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合應(yīng)用的初步體驗(yàn),掌握模擬電路設(shè)計(jì)的基本方法,設(shè)計(jì)步驟,培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力和調(diào)試能力。培養(yǎng)實(shí)踐技能,提高分析和解決問題的能力。掌握OTL音頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法,基本工作原理和基本性能的測(cè)試。通過OTL音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試,進(jìn)一步加深對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的理解,提高動(dòng)手能力。設(shè)計(jì)要求設(shè)音頻信號(hào)為vi=10mV,頻率f＝1KHz；額定輸出功率Po≥2W；負(fù)載阻抗RL=8Ω；失真度γ≤3%；用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設(shè)計(jì)電路所需的正負(fù)直流電源。方案設(shè)計(jì)與論證2.1總體設(shè)計(jì)方案1、設(shè)計(jì)思路功率放大器的作用是給負(fù)載RL提供一定的輸出功率。當(dāng)RL一定時(shí)希望輸出功率盡可能的大,輸出信號(hào)的非線性失真盡可能的小,且效率盡可能的高。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(diǎn)漂移,為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動(dòng)負(fù)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(yīng)由輸入級(jí),推動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)等組成部分。2、OTL功放各級(jí)的作用和電路結(jié)構(gòu)特征輸入級(jí)：主要是抑制零點(diǎn)漂移,保證電路工作穩(wěn)定同時(shí)對(duì)前級(jí)〔音調(diào)控制級(jí)傳來的信號(hào)作低失真,低噪音放大,為此采用帶恒流源由復(fù)合管組成的差分放大電路,切設(shè)置的靜態(tài)偏置電流較小。推動(dòng)級(jí)：推動(dòng)級(jí)的作用是獲得足夠高地電壓放大倍數(shù)以及輸出級(jí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流,為此采用帶集電極有源負(fù)載的共射放大電路,切靜態(tài)偏置電流比輸入級(jí)大。輸出級(jí)：輸出級(jí)的主要作用是為負(fù)載提供足夠大的輸入信號(hào)功率,可采用由復(fù)合管構(gòu)成的甲乙互補(bǔ)對(duì)稱功放的準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。2.2方案一：分立元件電路基本工作原理：當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周期時(shí),Q3導(dǎo)通,Q1截止。Q3以射級(jí)輸出的形式將信號(hào)傳遞給負(fù)載,同時(shí)向Co充電,因?yàn)镃o電容量大,基級(jí)電壓基本保持不變,維持在Vcc/2,當(dāng)輸入信號(hào)處于負(fù)半周期時(shí),Q1導(dǎo)通,Q3截止,以充電的Co充當(dāng)Q1的電源,同時(shí)放電,Q1也可以以射級(jí)輸出形式將信號(hào)傳輸給負(fù)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(dá)3.5A,其部有輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),且有短路保護(hù),和過熱保護(hù),課確保電路工作安全可靠,TDA2030使用方便,外圍所接器件少,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L(zhǎng)M386與UA741構(gòu)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),打壓圍大,外接元件少,和總諧波失真小,等優(yōu)點(diǎn)的功放塊2.3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/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(dǎo)致Q點(diǎn)發(fā)生變化,使得所測(cè)的數(shù)據(jù)誤差較大,難以達(dá)到設(shè)計(jì)目的,失真率難以控制,可能使得失真率>=0.03。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(dá)35W左右,靜態(tài)電流小,負(fù)載能力強(qiáng),動(dòng)態(tài)電流大既可帶動(dòng)4-16Ω的揚(yáng)聲器,電路簡(jiǎn)潔,制作方便、性能可靠的高保真功放,TDA2030并具有部保護(hù)電路,TDA2030適用與功率相對(duì)LM386大的電路,缺點(diǎn)是放大倍數(shù)不可調(diào),有時(shí)候無法滿足設(shè)計(jì)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、電源電壓圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。LM386電源電壓4--12V,音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的,它的電源電壓圍非常寬,最高可使用到15V,消耗靜態(tài)電流為4mA,當(dāng)電源電壓為12V時(shí),在8歐姆的負(fù)載情況下,可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K?；旧夏軡M足設(shè)計(jì)要求。綜合上述優(yōu)缺點(diǎn),選擇方案三選擇方案三的理由如下：電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,組裝方便,只需在集成塊外接少量元件便能實(shí)現(xiàn)輸入輸出的各種放大關(guān)系。由于運(yùn)放的開環(huán)增益都很高,用其構(gòu)成的放大電路一般工作在深度負(fù)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(hào)放大,又其具有很高地共模抑制比,對(duì)溫度的變化及其他外界干擾具有很強(qiáng)的抗干擾能力。由LM386構(gòu)成的放大電路,功耗低,體積小,壽命長(zhǎng)。使整機(jī)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(diǎn),能夠適應(yīng)于各種微弱信號(hào)的放大。單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電源部分,由直流穩(wěn)壓電源提供,電源部分參數(shù)計(jì)算交流電濾波電路濾波電路整流電路穩(wěn)壓電路提供的是220V的交流電源要變?yōu)?2V直流電變壓器用220V~12V規(guī)格設(shè)計(jì)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?！?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(dòng)大?！?脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑,脈動(dòng)小的直流電,即將交流成份濾掉,保留其直流成份?！?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(fù)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(zhuǎn)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(gè)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?！?整流電路：利用單向?qū)щ娫?把50Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電壓,常用的整流濾波電路有全波整流、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?！?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(fù)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,二極管D1、D2導(dǎo)通,D3、D4截止；u2的負(fù)半周,D3、D4導(dǎo)通,D1、D2截止。正負(fù)半周部都有電流流過的負(fù)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>.2、脈動(dòng)系數(shù)二極管的選擇每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個(gè)周期通過電流,所以每只二極管的平均電流只有負(fù)載電阻上電流平均值的一半。二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓對(duì)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(yīng)留10%的余地,以保證二極管安全工作。整流用的二極管可用1N4007電解電容用3300ufC2和C3可用0.1ufC4、C5、可用0.33ufC7、C8可用220uf發(fā)光二極管上的R用1KΩ濾波電路輸出電壓平均值當(dāng)負(fù)載開路時(shí)當(dāng)RLC＝〔3~5>T/2時(shí)考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng),電容的耐壓值應(yīng)滿足RC=〔3~5T/2即,應(yīng)大于脈動(dòng)系數(shù)S穩(wěn)壓電路若輸出電壓較高,接一保護(hù)二極管D,以保護(hù)集成穩(wěn)壓器部的調(diào)整管。LM7812和LM7912的輸出電壓分別了正負(fù)12伏C2和C3是用于抵消輸入線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng),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(jì)算Po>=2w,Uo>=4vVcc=12Uom=4.24v4.24>4滿足設(shè)計(jì)要求Ui=10mvAu=Uom/Ui=4.24v/10mv=424即Au>=400LM386來說最大的放大倍數(shù)為200倍,無法滿足400倍的設(shè)計(jì)要求,故需在LM386前面串一個(gè)ua741。Aumax=424ua741放大的倍數(shù)為2倍左右,取R1=1k,Au12,Au1=Rx/R12Rx用5K的電位器調(diào)。取C1=C5=10ufC2=0.1ufC3=0.05ufC5>=250uf總原理圖及元器件清單1、總原理圖、元器件清單2．元件清單元件名稱型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量單價(jià)萬能板大號(hào)22.8電位器5K10.5電阻1K40.11010.1電容耐壓值25V0.1uf20.2耐壓值25V220uf20.6耐壓值25V0.33uf20.2耐壓值50V3300uf21耐壓值50V0.05uf10.1耐壓值50V10uf20.2耐壓值25V0.1uf20.2二極管IN4007耐壓值1000V,I=1A80.2發(fā)光二極管LED1.5V~2.0V,10mA~20mA20.3變壓器220V~12V19夾子紅、黑90.25導(dǎo)線鋁線兩米0.5集成塊UA74111LM38611LM7812Uo=12V、Io=100mA11LM7912Uo=-12V、Io=100mA11底座八腳20.4保險(xiǎn)管10.5穩(wěn)壓管BZV55-C6穩(wěn)壓3.3V20.2揚(yáng)聲器14總價(jià)33.2安裝與調(diào)試先在電路板上做好布局,然后進(jìn)行焊接。焊接好電路到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(jìn)入實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求,連靜態(tài)工作點(diǎn)都測(cè)不出來,后面檢查發(fā)現(xiàn)是電路有個(gè)地沒焊好,虛焊了,改裝好電路后再次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行調(diào)試時(shí),靜態(tài)工作點(diǎn)是可以測(cè)出來,但是LM386的最大輸出不失真電壓達(dá)不到要求,老師說是集成塊滿足不了要求,叫我們?cè)?41和386之間再接一個(gè)電容器,并在386的1.8號(hào)腳之間接一個(gè)電位器來調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù),我們回去改裝好電路后,又一次回到了實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行功能部分的測(cè)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(shè)計(jì)要求,最后勉強(qiáng)調(diào)到了,3.56V勉強(qiáng)達(dá)到了300多倍,但還是無法達(dá)到400的設(shè)計(jì)要求,距離成功還差那么一步,后面換了個(gè)集成塊,差不多就達(dá)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(gè)問題解決了！性能測(cè)試與分析電源部分性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)得：副邊電壓：U1=15.6V、U2=-15.4V濾波后的電壓：U1=19.6VU2=-20.5V輸出電壓：Uo1=11.9VUo2=-12.0V穩(wěn)壓管的差：7812Uo1=9.5V7912Uo2=-9.3V所測(cè)項(xiàng)目理論值絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸出電壓Uo112V0.10.08%輸出電壓Uo2-1200副邊電壓U1150.63.8%副邊電壓U2-15-0.42.5%濾波后的電壓U1181.68.16%濾波后的電壓U2-18-2.512.1%誤差分析：輸入變壓器的交流電頻率不穩(wěn)定,導(dǎo)致輸出的電壓不是很穩(wěn)定,產(chǎn)生誤差,電路中得電阻不是標(biāo)準(zhǔn)電阻,電容也非標(biāo)準(zhǔn)電容,存在一定的誤差,電路中得參數(shù)不是很好,導(dǎo)致產(chǎn)生誤差,讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生誤差功能部分靜態(tài)：ua741的部分的靜態(tài)輸出,U6Q=10.6VLM386的靜態(tài)部分輸出,U5Q=5.8V動(dòng)態(tài)：輸入信號(hào)：Ui=10.13mvf=1000HZUa741的輸出電壓：Uo1=20.12mvLM386的最大不失真電壓：Uom=3.56V第一級(jí)的放大倍數(shù)Au1=第二級(jí)的放大倍數(shù)Au2=總的電壓放大倍數(shù)Au=Au1*Au2=1.98*179.6=358.4P=1.58W3、理論值：Ua741部分的靜態(tài)輸出：U6Q=LM386的靜態(tài)輸出：U5Q=LM386的輸出端最大不失真電壓：Uom=為了能達(dá)到Uom=4.13V,放大倍數(shù)Au>=4004、誤差計(jì)算：U6Q的誤差：W<U6Q>%=U5Q的誤差：W<U5Q>%=3.4%放大倍數(shù)的誤差：W<最大不失真電壓的誤差：W%=5、誤差分析：1.參數(shù)設(shè)計(jì)不是非常完美；導(dǎo)致產(chǎn)生一系列的誤差2測(cè)量?jī)x器本身的老化產(chǎn)生的誤差；3焊接電路時(shí)焊點(diǎn)處有電阻被忽略,連接的線路也有電阻；4試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)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(shí)布局拉線太長(zhǎng)了！！導(dǎo)致產(chǎn)生了自激振蕩,使得波形不好。6.測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。7.所選得集成塊未能達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。七．結(jié)論與心得1.結(jié)論：本實(shí)驗(yàn)還可以選擇其它集成塊來完成.例如,選用TDA2030來完成此實(shí)驗(yàn),TDA2030和LM386一樣是音頻集成功放,同樣可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能。通過這次開放性實(shí)驗(yàn),我學(xué)會(huì)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(cè)試參數(shù)；同時(shí)還提高了我們的動(dòng)手能力和測(cè)試技術(shù)能力。在此次試驗(yàn)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(dá)不到要求。LM386的一號(hào)腳和八號(hào)腳之間即使不接電阻也很難達(dá)到200倍的放大要求,所以當(dāng)要放大倍數(shù)大時(shí),一般選擇在LM386之前接個(gè)ua741一起來調(diào)節(jié)放大倍數(shù),本實(shí)驗(yàn)時(shí)LM386的一號(hào)腳與八號(hào)腳之間接個(gè)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(diǎn)得調(diào)試一定要合理,否則后面的是要容就很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求,一開始調(diào)試時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)沒達(dá)到要求所以后面的設(shè)計(jì)要求也就無法達(dá)到要求,后面調(diào)整電路后靜態(tài)工作點(diǎn)達(dá)到要求后,后面的要求也就基本上就滿足了關(guān)鍵點(diǎn)還是靜態(tài)工作點(diǎn)。電路的布局要合理,電路板中的線如果過長(zhǎng)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(shè)計(jì),我學(xué)會(huì)了好會(huì)了好多東西,剛拿到設(shè)計(jì)要求的時(shí)候一頭霧水,后面經(jīng)過一番的差資料把那些個(gè)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(diǎn)曲折,但還是成功了,后面我們開始買器件,當(dāng)器件當(dāng)手后各自焊好電路板后,都開心的把MP3的音頻信號(hào)加進(jìn)去,結(jié)果是喜人的,出來的是美妙的歌聲,后來到了,調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)還沒達(dá)到設(shè)計(jì)要求,又趕緊討論是出什么問題了,再次改進(jìn)后又一次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室調(diào)試,結(jié)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(jìn)的方法,我們又回去改進(jìn)電路,最后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí),基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,雖說過程有的難,但是我們最后還是成功了。心情異