音频功率放大器.doc

学号：31102138 班级：通信1102 姓名：郑航天学号：31102141 班级：通信1104 姓名：朱宝森音频功率放大器设计1.1 设计要求1输出功率：20w。2负载阻抗：8。3通频带fs: 为20hz20khz。4音调控制要求：1khz（0db），10khz（12db），100hz（12db）5灵敏度：话筒输入：5mv。 线路输入：0.775v。1.2 设计过程1. 拟定总体方案： 甲类功放的主要优点就是电路简单易行，非线性失真小，适用于小功率的线性音频放大器，现在甲类功放主要用在高档功放产品中。而乙类功放与甲类功放最主要的不同点就是静态电流小，因此无信号时消耗功率小，可获得较高的效率；但是，乙类功放在工作时，由于两只晶体管交替导通与截止，因而，在两管输出信号波形的衔接处，会产生交越失真；而且功放管在从反偏到零偏再转为正偏转换时，随着信号频率升高，输出信号就会在时间上延迟，出现所谓的开关转换失真。因此，在实际hi-fi高保真放音系统中，一般不采用乙类功放，而采用线性失真小的甲类功放或甲乙类功放。甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。而且甲乙类功放的效率可达到78.5% ，故本次设计采用甲乙类功放。通过对设计要求和设计方案的分析，本课题觉得采用lm1875作为功率放大器。前置放大级音调控制级功率放大级自制稳压电源负载 组成框确定各级的增益分配放大倍数vs. db数0db：一般将信号电平（0db）即0.775v作为衡量放大器灵敏度的参考标准。5mv的db数为：。因为采用的集成芯片lm1875，其输出功率为20w，则负载上的电压 ：为又话筒输入为5mv，则整个电路的增益为20lg（13/0.005）=68db。考虑到音调级必要的衰减，增益为2db左右。所以取整个电路的增益为70db。则各级的增益如下：功放级：26db（厂家给定的）音调控制级：-2db。前置放大级：44db。2. 单元电路的设计9（1）前置放大级 电路形式的选择由于信号源输入的信号幅度较小。不足以推动以后的功放电路。因此要用电压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大，对于信号源，其负载约为47k，所以选用电压串联负反馈方式的同相比例放大器，它可以使输入电阻增大，输出电阻减小，且输入输出电压同相。又因为前置放大级的增益为44db，即158倍，取160倍，前置放大级电路采用二级，第一级与第二级采用电容耦合方式，总的电压放大倍数为auf=160，设计中选用auf1=1，auf2=160。其中第一级实际上是一个电压跟随器，它提高了带负载的能力。图1-2 前置放大器电路图电路中二极管d1作用是：当线路输入是0.775v时，d1导通，此时lf353（2）也为一个电压跟随器，信号不经过放大直接到音调控制级的输入端。当输入为5mv时，不足以让二极管导通，此时 lf353（2）为放大器，信号将放大160倍后到音调控制级的输入端。 集成运放的选择因为auf2=160，根据通频带20hz20khz，其上线频率为20khz，则集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系： gbauf2fh = 180*20khz = 3.2mhz从运放的资料手册中可查出lf353的单位放大倍数带宽gb=4mhz，满足要求。 各元件的参数选择和计算 电路中电容c11是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容或普通电解电容，一般选为10f，r11可选用较大的电阻，取1m，电阻r12取10k，lf353（2）构成的是放大倍数为160的电压放大电路，同相交流放大电路的平衡电阻可尽量选得大一些，一般为10k以上，这样有利于提高放大电路的输入电阻，由于输入电阻为47k，故选rp2的阻值为47k，r21取1k，耦合电容c12为10f。由auf2 = 1+r23/r22 及r21=r23/r22，auf2=180可得r21=r22=1k，r23=160k。c21，c22，c23，c24，主要用于电源旁路滤波，一般c21，c23用电解电容，其值为220f，c22，c24用普通的电容，一般取值为22f。lf353的电源为15v的直流稳压电源。（2）音调控制级音调控制器主要是控制，调节音响放大器的幅频特性，他只对低频与高频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0db 不变。因此，音调控制器的电路可以由低通滤波器和高通滤波器构成。由运算放大器构成的音调控制器，电路调节简单，元器件少，因此，我们选用这种电路形式。图1-3 音调控制级电路图图中，电位器用来调节音量的大小，即为音量控制电路。设电容c31=c32 c33，在中，底音频区，c33可视为开路，在中，高音频区，c31，c32可视为短路。工作状态及元件参数计算：第一：低频时的情况：低频提升与衰减，电路图如下图4（a）和图4（b）所示：图1-4 低频提升与衰减电路增益为：a（j）=-(rp31+r32)/r31*1+(j)/2/1+(j)/1式中：1=1/（rp31*c32）， 2=（rp31+r32）/（rp31*r32*c32）当ffl1时，c32可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，r34的影响可以忽略，此时电压增益 avl=(rp31+r32)/r31在f=fl1时，因为fl2=10fl1，故可得 av1=(rp31+r32)/r31此时，电压增益 av1相对于 avl下降了3db。在f=fl1时，可得av1=(rp31+r32)/r31*（/10）=0.14 avl 此时，电压增益 av2相对于 avl下降了17db。同理可得低频衰减的相应表达式。第二：高频提升与衰减：高频等效电路如图3-5所示：图1-5 高频等效电路电阻关系式为： ra=r31+r31+（r31r31/r32）rb=r34+r32+（r34r32/r31）rc=r31+r32+（r32r31/r34）若取r31=r32=r34， 则上式为：ra=rb=rc=3r32=3r34高频提升与衰减的等效电路如下图6所示：图1-6 高频提升与衰减电路增益函数表达式为：=- 式中， 时，视为开路，电压增益av0=1（0db）。在f=fh1时 av3=av0 此时电压增益av3相对于av0高3db 。在f=fh2时， av4=av0此时电压增益 av4相对于av0提高了17db。当时，视为端路，此时电压增益 avh=（ra+r33）r33同理可以得图示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。又已知，由计算式得： ，则 ； ，则 avl=（rp31+r32）/r3120db其中，r31，r32，rp31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽视。但也不能太小，否则流过它们的电流将超过运放的输出能力。通常取几千欧姆至几百千欧姆。现取rp31=470k，则avl=（rp31+r32）/r31=11（20.8db） 取标称值0.01，即取 r34=r31=r32=47k，则 ， 取标称值 ， 取标称值470pf 取， ，级间耦合电容（3）功率放大级电路形式的选择:芯片选用lm1875，而一个lm1875的输出功率最大只能达到20w，已能满足本课题的设计要求,故本设计采用单片lm1875。如果要把输出功率提高到50w，可选择btl电路，按照如下方法进行设计:btl电路它是在otl电路和ocl电路的基础上发展起来的新型功率放大电路，其工作原理如下：图1-7 双端推挽放大电路btl电路属于双端推挽放大电路，它由四管组成电桥电路，图中对角管同时导通，互为推挽。负载上输出正负半周波形。btl电路可以采用单电源供电，且不需要输出电容，这不仅克服了输出电容的影响，也免除了两组电压对称性的苛刻要求。btl的两组对角管轮流导通，互为推挽，在每个信号半周内能利用全部电源电压（除去饱和压降），同单端电路相比，在相同电源电压和相同负载时，前者的输出功率为后者的4倍；换言之，如果负载和输出功率相同，btl电路对所用的晶体管的耐压要求可比单端电路降低一半，因此，它有易于输出大功率而不损坏输出管的优点。7目前常见的btl电路大多是由两个独立的单端推挽电路拼合而成（多见于集成电路），其信号分相是先将信号送入第一个单端电路，放大后经电阻分压再送到第二个单端电路，这样不仅会把单端电路的缺陷带入放大器，而且还会将第一个单端电路的畸变信号经过第二个单端电路放大而进一步加重，因此其特性必然不好。由btl的工作原理及特点可知，要满足输出功率为50w的要求，可用两个lm1875组成btl电路，要想获得好的输出特性，关键是要获得btl电路所需的两个大小相等，相位相反的音频信号。通过查询资料（3），可知，可以用一个倒相电路来提供此信号。如下图所示：图1-8倒相电路图中vt组成的单管放大电路没有电压放大作用，它采用分压式偏置供给vt关静态工作电流，从集电极和发射极输出的音频信号大小分别为icrc和iere，由于icie，rc=re，所以两路的信号大小相等而极性相反，可将它们分别通过电容耦合到btl 电路的两个同乡相输入端。则功率放大电路如下图所示：图1-9 btl功率放大电路3. 元件参数的计算与选取（1）反馈网络电阻值的选取 lm1875的增益为26db，即有：所以有： ，通常取=1k左右， 则=20k。（2）隔直电容，应满足在下限频率上（）的容抗远小于r1，取=10。电源旁路电容：， 电路设计典型应用电路 音频功率放大器的典型应用电路分为两种：一种为单电源供电，另一种为双电源供电。两种典型应用电路电路图如下：图2-1 单电源接法图2-2 双电源接法lm1875单电源供电与双电源供电的基本工作原理相同，不同之处在于：单电源供电时，采用r1、r2分压，取12vcc作为偏置电压经过r3加到1脚，使输出电压以12vcc为基准上下变化，因此可以获得最大的动态范围。但在本课题中，我们希望能对音频放大器的音量和音频进行调节，即得到更理想更直观的设计，在此次设计中采用双电源供电的方法。11双电源音频功率放大器原理图综合以上讨论，利用protel 99软件画出双电源音频功率放大器原理图：图 2-3 双电源音频功率放大器原理图双电源音频功率放大器pcb图在电路原理图的基础上，绘制pcb图如下：图 2-4 双电源音频功率放大器pcb图电路制作与调试3.1 利用pcb制作电路板由于此图较简单，在实验室我们能很快制作出电路板，下面我将制作电路板的详细过程列举出来：第1步：利用一个能生成图像的软件生成一些图像文件，比如用低版本的protel组织sch， 再利用网络表生成相应pcb图（不会protel 的话，甚至是windows的画笔程序也行)，以备打印。第2步：将pcb图打印到热转印纸上（所谓的热转印纸就是不干胶纸的黄色底衬！）。第3步：将打印好pcb的转印纸平铺在覆铜板上，准备转印。第4步：用热转印机加温（要很热）将转印纸上黑色塑料粉压在覆铜板上形成高精度的抗腐层。第5步：转印机加温加压成功转印后的效果！ 第6步：准备好三氯化铁溶液进行腐蚀。第7步：注意不要腐蚀过度，腐蚀结束，准备焊接。第8步：清理出焊盘部分，剩下的部分用于阻焊。第9步：安装所需预定原件并焊接好。第10步：测试以验证其正确性。通过上面的方法能容易的得到所需要的电路板，但是焊接完的电路成品的效果好坏取决于电路原理图设计的好坏以及制作出的电路板的好坏。3.2 装配与调试工具准备：20w电烙铁一把，万用电表一个，尖嘴钳一把，螺丝刀一把，焊锡丝和松香水若干。焊接：焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊电容，再焊整流管，再焊电位器，最后焊lm1875，焊接lm1875前须先把lm1875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。lm1875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，对于初学者，可先在废旧的电路板上多练习几次，然后再正式焊接。调试：本功放板调试特别简单，电路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无焊错的地方，特别要注意有极性的电子零件，如电解电容，桥式整流堆，一旦焊反即有烧毁元器件之险，要特别注意。接上变压器，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用电表，最好是数显的，万用表置于dc*2v档。功放板上电注意观察万用电表的读数，在正常情况下，读数应在30mv以内，否则应立即断电检查电路板。若电表的读数在正常的范围内，则表明该功放板功能基本正常，最后接上音箱，输入音乐信号，上电试机，旋转音量电位器，音量大小应该有变化，旋转高低音旋钮，音箱的音调有变化。值得一试的实验：将c6短路，用万用表测lm1875输出端的直流电位，看是否是在30mv以内，然后接上音箱试两小时，用万用表测lm1875输出端的直流电位，看直流电位是否在30mv以内，如果是的话，则c6这个电容可以省掉，这样的话，此放大板就成一个纯直流功放了。第四章 电路图的绘制与制板中应注意的问题4.1 sch原理图应注意常见问题1零件描述和零件标识有什么区别？零件描述（library reference）是零件在零件库里的名称，将外形和引脚功能相同的零件取的一个通用名称；零件标识是电路图里用户根据需要自行设计的名称，当然也不能随意乱取。一般情况下可以统称为零件名称，而不必细分。2零件属性对话框中的part fields和read only fields有什么用？零件属性对话框中的part fields有两个作用，对于一般零件可以在这些设置中标注零件的参数；对于仿真零件可以在这些设置中设置有关仿真的模型参数。 read only fields一般用于仿真零件中的仿真模型的定义。3如何直接更换零件？在要更换的零件上双击，在弹出的零件属性对话框中的lib ref中输入新的零件描述，点击ok按钮即可完成零件的直接更换。 4如何设置常用零件的默认零件封装？可以用零件库编辑器打开要修改的零件，在零件描述（description）对话框中designator标签页里的part foot print 1中输入零件封装名。此零件封装名即是该零件的默认零件封装。5如何直接从原理图切换到pcb设计？点击菜单designupdate pcb命令，即可实现原理图到pcb设计的自动切换。但要注意打开需要切换的pcb图，将其他无关的pcb图关闭，否则会出现意想不到的问题。6如何批量修改零件属性？点击零件属性对话框中的globe按钮，在整体修改对话框中可以设置整体修改选项，在copy attributes中输入有关替换设置，如a*b*则将a开头的标识符改成以b开头的标识符号。7系统不能识别零件库怎么办？系统不能识别零件库可以试一下以下解决方法：将打印机驱动程序重新安装一遍，如果没有打印机话，可以随便安装一个打印机驱动程序；有时候安装一些软件后也会造成系统不能识别零件库，那样的话可以重新安装protel程序。 8原理图无法打印怎么办？原理图无法打印可以按以下办法解决：修改默认打印机；察看打印机的打印纸设置是否是合适；打印机不能兼容。124.2 pcb设计中应注意的问题1布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。 2各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。 3电阻，二极管的放置方式分为平放与竖放两种： （1）平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；对于1/4w以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10英寸，1/2w的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸；二极管平放时，1n400x系列整流管,一般取3/10英寸;1n540x系列整流管,一般取45/10英寸。 （2）竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用 竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取12/10英寸。 4电位器：ic座的放置原则 （1）电位器：在稳压器中用来调节输出电压，故设计电位器应满中顺时针调节时输出电压升高，反时针调节器节时输出电压降低；在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流折大小，设计电位器时应满中顺时针调节时，电流增大。电位器安放位轩应当满中整机结构安装及面板布局的要求，因此应尽可能放轩在板的边缘，旋转柄朝外。 （2）ic座：设计印刷板图时，在使用ic座的场合下，一定要特别注意ic座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个ic脚位是否正确，例如第1脚只能位于ic座的右下角线或者左上角，而且紧靠定位槽（从焊接面看）。5进出接线端布置 （1）相关联的两引线端不要距离太大，一般为23/10英寸左右较合适。 （2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。 6设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。 7在