线性电子电路实验报告-音频功率放大器设计与实现.docx

杭州电子科技大学-线性电子电路实验报告-音频功率放大器设计与实现 一、实验目的1）了解音频功率放大器的电路组成，多级放大器级联的特点与性能；2）学会通过综合运用所学知识，设计符合要求的电路，分析并解决设计过程中遇到的问题，掌握设计的基本过程与分析方法；3）学会使用multisim、pspice等软件对电路进行仿真测试，学会altium designer使用进行pcb制版，最后焊接做成实物，学会对实际功放的测试调试方法，达到理想的效果。4）培养设计开发过程中分析处理问题的能力、团队合作的能力。二、实验要求1）设计要求设计并制作一个音频功率放大电路（电路形式不限），负载为扬声器，阻抗8。要求直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，所设计的电路满足以下基本指标：（1）频带宽度50hz20khz，输出波形基本不失真；（2）电路输出功率大于8w；（3）输入阻抗：10k；（4）放大倍数：40db；（5）具有音调控制功能：低音100hz处有12db的调节范围，高音10khz处有12db的调节范围；（6）所设计的电路具有一定的抗干扰能力；（7）具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好。发挥部分：（1）增加电路输出短路保护功能；（2）尽量提高放大器效率；（3）尽量降低放大器电源电压；（4）采用交流220v，50hz电源供电。2）实物要求正确理解有关要求，完成系统设计，具体要求如下：（1）画出电路原理图；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）sch文件生成与打印输出；（5）pcb文件生成与打印输出；（6）pcb版图制作与焊接；（7）电路调试及参数测量。三、实验内容与原理音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它主要应用于对弱音频信号的放大以及音频信号的传输增强和处理。按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分，如图1所示。 图1 音频功率放大器的组成框图1）前置放大级音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、cd唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100v几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。常用的前置放大器按结构划分有五种类型：（1）单管前置放大器（2）双管阻容耦合前置放大器（3）双管直接耦合前置放大器（4）集成前置放大器（5）场效应管前置放大器 2）音调控制电路音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1khz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由rc元件组成，利用rc电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。（1）负反馈式音调控制器的工作原理由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。其中电位器rp1是高音调节电位器，rp2是低音调节电位器，电容c是音频信号输入耦合电容，电容c1、c2是低音提升和衰减电容，一般选择c1=c2，电容c3起到高音提升和衰减作用，要求c3的值远远小于c1。电路中各元件一般要满足的关系为：rp1=rp2，r1=r2=r3，c1=c2，rp1=9r1。图2 负反馈式音调控制电路图 (a) 低音提升等效电 (b) 低音提升等效电路幅频响应波特图图3 低音提升等效电路图及幅频响应曲线在电路图2中，对于低音信号来说，由于c3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器rp2滑动端调到最左端时，c1被短路，此时电路图2可简化为图3(a)。由于电容c2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图3(a)电路的频率响应分析如下：图3所示的电压放大倍数表达式为：化简后得：所以该电路的转折频率为： ，可见当频率时，；当频率时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于r2与r1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3(b)所示。 (a) 低音衰减等效电路图 (b) 低音衰减等效电路幅频响应波特图图4低音衰减等效电路图及幅频响应曲线同样当rp2的滑动端调到最右端时，电容c2被短路，其等效电路如图4(a)所示。由于电容c1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图4(a)电路的频率响应分析如下：该电路的电压放大倍数表达式为：其转折频率为： ， 可见当频率时，；当频率时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于r2与r1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4(b)所示。在电路给定的参数下， 。 (a) (b)图5 高音等效简化电路同理，图2电路对于高音信号来说，电容c1、c2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图5（a）就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图 中的r1、r2、r3组成的y型网络转换成连接方式，如图5（b）。其中，在假设条件r1=r2=r3的条件下，ra=rb=rc=3r1。如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，rc的反馈作用将忽略不计（rc可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：其转折频率为：，当频率时，；当频率时，。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图6(b)所示。 (a) 高音提升等效电路 (b) 高音提升等效电路的幅频响应波特图图6 高音提升等效电路及幅频响应曲线当rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图7（a）所示。 (a) 高音衰减等效电路 (b) 高音衰减等效电路的幅频响应波特图图7 高音衰减等效电路及幅频响应曲线该电路的电压放大倍数表达式为：其转折频率为：，当频率时，；当频率时，。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频响应曲线的波特图如图7(b)所示。在电路给定的参数下， 。（2）音调控制器的幅频特性曲线综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。图8 音调控制电路的幅频响应波特图3）功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有otl型、ocl型、dc型和cl型。有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。4）音频放大电路的主要技术指标(1) 额定输出功率po 在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内，功率放大器所输出的最大功率。 vo亦称为输出额定电压。 (2) 静态功耗pq 指放大器处于静态情况下所消耗的电源功率。 (3) 效率 放大器在达到额定输出功率时，输出功率po对消耗电源功率pe的百分比，用表示 (4) 频率响应（频带宽度） 在输入信号不变的情况下，输出幅度随频率的变化下降至中频时输出幅度的0.707倍时所对应的频率范围。 (5)音调控制范围 为了改善放大器的频率响应，常对高、低频增益进行控制，如提升或衰减若干分贝，而对中频增益不产生影响。若未控制的输出幅度为vo，而控制后的输出幅度为vo1，则音调控制范围为 （即）。 (6) 非线性失真 在规定的频带内和额定输出功率状态下，输出信号中谐波电压有效值的总和与基波电压有效值之比：式中：v1为输出电压基波分量有效值；v2、v3 、 、vn分别为2次、3次、n次谐波分量有效值。非线性失真可由失真度测量仪测得。(7) 噪声电压vn 扩音机输入信号为零时，在输出端负载上测得的电压有效值为噪声电压vn，噪声电压是扩音机机内各种噪声经放大后的总和。 (8) 输入灵敏度vimax 保证扩音机在额定的输出功率时所需的输入信号。 四、实验工具与仪器序号仪器或工具名称型号主要功能主要特点1覆铜板加工制造印制电路板2数字式万用表cdm8045和ut58e多功能、多量程的测量仪表，测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压和电阻3函数信号发生器rigol-dg1012输出正弦波、方波、三角波等波形的信号，频率可调，幅度可调双通道4直流电源matrix-mps-3003l-3电压源电流源30v,3a连续可调过压过流短路保护电流,电压分别显示5直流稳压电源wd-5输出稳定的电压0-25v可调，稳定12v输出6电烙铁焊机元件及导线内热式7剥线钳塑料、橡胶绝缘电线、电缆芯线的剥皮8螺丝刀调节电位器阻值9吸锡器收集拆卸焊盘电子元件时融化的焊锡10打孔机在电路板焊盘位置上打孔五、实验步骤方案一、实验电路图：电源电路：主体电路：2）电路组成：lm7815和lm7915是三段稳压集成电路ic芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。前置放大器采用运放ne5532（仿真时使用ne5534）。ne5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路，与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，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。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。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”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。 功放级放大器采用功放lm1875。lm1875 是美国国家半导体公司研发的一款功放集成块。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。电源电路通过变压器将220v交流电压变压到12v，通过整流桥进行滤波，滤波电容采用2个2200uf/25v电解电容并联，正负电源共用2个0.33uf的电容，2个0.1uf的电容。稳压器减小电压纹波，将电源输出电压稳定在12v，驱动运放功放工作。（1）前置级放大电路：增益计算a=1+r11r2=92v/va=20log92=39.276db仿真结果：a=39.267db（2）音调控制级放大电路：将r9滑片滑至最右端时，可以发现，低音100hz处有12db左右的衰减。将r9滑片滑至最左端时，可以发现，低音100hz处有-12db左右的衰减。将r9滑片滑至最左端时，可以发现，高音10khz处有12db左右的提升。将r9滑片滑至最右端时，可以发现，高音10khz处有-12db左右的衰减。（3）功放级放大电路：增益计算a=1+r13r14=10v/va=20log10=20db仿真结果：a=19.738db（4）全局仿真测试：接负载增益a=56.975db 上限截止频率fh=48.863khz下限截止频率：fl=3.311hz输入电流ii=99.423na输入电阻rin=vinii=100.580k输出功率p=9.873w3）电路板焊接：焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊电容，再焊电位器，最后焊芯片座，焊接稳压芯片lm7815，lm7915前须先把芯片用螺丝固定在散热片上，否则在最后装散热片时螺丝很难打进去，芯片与散热片接触的部分必须涂少量的散热脂，以利散热。焊接时必须注意焊接质量。4）分级测试：放大级输入信号输出理论值输出实际值前置放大级5mvrms0.46v0.0046v功放级500mvrms5v7.003v5）分析：前置级放大器放大倍数不合适，总的增益为56.975db，其中前置级为39.276db，功放级为20db，前置级增益过大。一般来说，反馈电阻不宜过大，比例电阻应在合适范围内尽量小。电路板的前置级放大电路在pcb布线时可能存在问题，没有起到放大的效果。6）改进方案：前置级反馈电阻r11，功放级反馈电阻r13均使用电位器，使前置级增益可调，方便调试。方案二、在这里r11选取30k，r13选取25k，音调控制级不作改动（1）方案二电路图接负载增益a=57.782db上限截止频率fh=20.261khz下限截止频率：fl=3.311hz输入电流ii=99.595na输入电阻rin=vinii=100.407k输出功率p=8.072w （2）电路测试： 前置级：函数信号输入10mv输出信号幅值变化随着电位器阻值变化不明显 测试芯片：我们怀疑是否是芯片问题，于是在实验箱上搭载了反馈放大电路，芯片工作正常。下图为测试芯片的负反馈电路：将电路板前置级焊锡检查清理之后再次测试ne5532各个引脚的电位：引脚电位理论值实际值4脚与8脚24vdc直流24.094vdc2脚与地间交流不为0，应为比例电阻两端压降0.006vac3脚与地间10mvac0.009vac1脚与地间交流不为0，根据电位器组织变化0.006vac（3）分析：经过两次测试，最终确定问题出现在pcb布板布线上，于是重新修改pcb版图，并焊接测试。根据网上成熟的电路作品，我们在lm1875电源级与地之间分别并联了2个退耦电容，不再出现杂音，音效纯净饱满，测试时把lm1875的供电改为双电源25v，虽然发热更大，但低音更厚重有力，也不再模糊混合成轰轰轰一堆连续低音，更加清晰且能分辨出鼓点。 不过因为时间有限，我们没有完善设计的25v和15v电源了，成品我们只用15v的电源供电。六、实验数据记录和处理测试方法：（1）带宽：测试带宽时，音调控制级电位器阻值不好控制，在输入信号频率变化时会对输出信号幅值产生影响，所以在测试带宽时应去掉音调控制级。用函数信号发生器产生有效值为1v的正弦信号，作为电路的输入信号。然后将输入信号频率从5hz到60khz开始调节，选取记录一些标志性的输出，画出输出特性曲线。（2）电路功率：输入音频信号时，扬声器能发出悦耳动听的歌曲，所以输出功率必定能够达到8w；（3）输入阻抗：输入阻抗的测量，应根据实验书实验四 单管放大器的设计与测试中介绍的方法进行测量。在信号源与放大电路之间街上一个电阻rs。电路工作时，测量信号源信号的幅度与电路的输入端信号幅度，根据公式：ri=viii=vivs-virs=virsvs-vi计算可得输入电阻阻值，根据电路图可知，理论上，输入阻抗应为100k。（4）放大倍数：输入频率为1khz，幅值为10mv的正弦信号，将三级级联，测试测试输出信号的幅值，输入输出之比就是总增益。（5）音调控制：在测试音调控制级之前，高低音调节的电位器阻值已经发生改变，而且很难用万用表对其阻值进行测量。实验要求在输入低音100hz、高音10khz时，输出能有12db的调节，所以我们采用下面的测试方法。先使输入调节为10khz的正弦信号，并调节电位器使输出保持在输入信号的3.98倍（即12db），然后减小输入信号的频率不改变电位器，记录输出信号的幅值。根据数据可以画出图6（b）图所示的高音增强幅频响应波特图。另外三幅图也用同样的方法进行测绘。七、实验心得与体会经过这次实验，我们克服重重困难，最终将音频功率放大器制作完成。首先，这是我们参与的第一个从设计到焊接，将一堆元器件设计组装成电路，并根据所学知识调试、测试、修改达到理想效果的一件作品。这整个过程可以说是整个电子生涯的起航，我们感谢老师对实验班教学有新的想法与实践，让我们在大二时候就能参与到专业领域动手能力的学习与实践。其次，这件作品真的花费了我们团队相当巨大的精力。从一开始查阅资料，到电路设计仿真，完全不懂pcb布线到帮同学pcb查错，从焊接小小元器件到分析实物电路，从腐板子到熟练运用各种电子仪器，还有出现的所有令人不舒服的问题，所有令人头疼的可能性，所有令人懊恼的错误这一切都需要让我们从头开始学习，练习，在摸爬滚打中掌握窍门。对于我们实验班普遍强于理论弱于动手的学生来说，真是一项巨大的挑战。但是，从最后作品中也可以看到，我们将近4周的努力不是徒劳，我们反反复复折腾板子不是没有成效，我们在失败中寻求方向，在成功中追求完美，呈现的不是一块简简单单技术含量匮乏的电路板，而是对我们设计、动手、分析、解决问题、接受失败、不断探索等等综合素质的锻炼，是对