电子技术基础课程设计-全集成电路高保真扩音机.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电子技术基础课程设计电子技术基础课程设计 题目：题目： 全集成电路高保真扩音机全集成电路高保真扩音机 院（系）：院（系）： 工程技术学院工程技术学院 专业班级：专业班级： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）（签字） 教师职称：教师职称： 教授教授 起止时间：起止时间：2015. 06. 232015. 07. 06 本科生课程设计(论文) 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 学 号学生姓名专业班级 课 程设计 （论文） 题目 全集成电路高保真扩音机全集成电路高保真扩音机 课程设计（论文）任务 设计参数： 1.采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。 2.额定输出功率wp5 0 3.负载阻抗。 8 l r 4.频率响应 2020khz 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标 及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构 的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源， 敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路， 逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采 用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 指导教师评语及成绩 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 摘 要 随着信息时代的到来，计算机技术进入了快速发展的空前时期。与此同时， 电子信息技术的发展有关放大器在电子技术基础中所处的位置越来越重要，它不 仅是电子信息专业的一个重要部分，而且在其他类专业工程中也是不可缺少的。 放大器电路作为子系统的应用，已迅速发展成为新一代电子不可缺少的核心部件， 其在现实生活中的运用非常广泛。 扩音机电路是把微弱的声音信号放大成能推动扬声器的功率放大信号，主要 由运算放大器构成。电路结构分为前置放大，滤波器，功率放大三部分。 前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带 宽，噪声要小，音频控制主要是实现对输入信号高、低音的提升和衰减；功率放 大器决定了输出功率，要求效率高，失真尽可能小，输出功率大 关键词：扩音机；扬声器；功率放大；滤波 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 全集成电路高保真扩音机的应用意义1 1.2 设计的要求及技术指标1 1.3 设计方案论证1 1.4 总体设计方案的流程及分析2 第 2 章 全集成电路高保真扩音机电路设计 .3 2.1 方案的框图及工作原理3 2.1.1 前置放大电路3 2.1.2 有源滤波器3 2.1.3 功率放大器4 2.2 扩音机各单元电路的设计4 2.2.1 前置放大电路设计4 2.2.2 有源滤波放大电路的设计5 2.2.3 功率放大器电路的设计6 第 3 章 全集成电路高保真扩音机整体电路设计及仿真 7 3.1 整体电路图及工作原理7 3.1.1 整机电路图.7 3.2 电路参数仿真及计算7 3.2.1 整机频率响应的测试8 3.2.2 最大输出功率的测试8 3.2.3 电压增益的计算9 3.2.4 整体电路的仿真9 3.3 整机电路性能分析.10 3.3.1 整机电路图10 第 4 章 设计总结 .10 附录一：参考文献 11 附录二：所用元器件和测试仪器清单 12 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 全集成电路高保真扩音机的应用意义 随着科学技术的不断发展,各种专用集成电路大量涌现。在电子技术领域里， 集成电路大有取代分立元件的趋势。在各种音响设备中，全集成电路高保真扩音 机由于工作可靠，外围电路结构简单，容易调试，内部设有各种保护设施，不易 损坏的特点，不断地被从事电子技术工程人员和无线电爱好者认可和接受。另外， 由于体积小，价格便宜，在学校、公司、技术企业，以及工厂，它都发挥了其他 任何东西不可替代的作用。 1.2 设计的要求及技术指标 设计要求： 1. 分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及 应用环境等，广开思路，构思总体方案，绘制结构框图。 2. 确定合理的总体方案。对所设计的方案进行分析，以电路的先进性、结 构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲 定可行方案。 3. 设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路， 逐个设计。 4. 组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用 左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 技术指标： 1）采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。 2）额定输出功率。wp5 0 3）负载阻抗。 8 l r 4）频率响应 2020khz。 1.3 设计方案论证 前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带 宽，噪声要小，音调控制主要是滤除谐波，实现对所需波段的有效放大；功率放 大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、失真尽可能 小、输出功率大。设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后 对各级电路进行具体的设计。若,输出电压。wp8max 0 vrpu l 8max 00 要使输入为 5mv 的信号放大到输出的 8v，所需的总放大倍数为 1600。 本科生课程设计（论文） 2 扩音机中各级增益的分配为：前置级的电压放大倍数为 100,功率放大级电压 放大倍数为 16。 1.4 总体设计方案的流程及分析 总体流程如图所示。 功率放大器 有源滤波器 前置放大器 输入信号 扬声器 图 1.4：总体设计流程 电路分析说明： （1）前置放大器 由于话筒提供的信号非常弱，一般只有 5mv 左右，而输出阻抗达到 20k。 考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器 选用集成运算放大器 lf353。lf353 是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低 噪声的集成器件。 前置放大电路由 lf353 组成的两级放大电路。前置放大器的作用是不失真的.放 大声音信号，共输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。 （2）有源滤波器的设计 高带通滤波器允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干 扰和噪声。该电路中，在前级为无限增益多路反馈二阶带通滤波器的基础上，由 第二级反相放大比例放大器对他施加正反馈组成。从而，实现了带通滤波的作用。 （3）功率输出级的设计 功率输出及电路结构有许多种形式，这里选用 tda2030a 型单片集成功率放 大电路，其主要特点是 a、上升随率高、瞬态互调失真小。b、输出功率比较大， 单片的 tda2030a 的输出功率可达 18w。c、外围电路简单，使用方便。d、采用 单列直插的封装形式，体积小。e、内含各种保护电路，工作安全可靠。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 全集成电路高保真扩音机电路设计 2.1 方案的框图及工作原理 扩音机电路主要由前置放大电路，有源带通滤波电路，集成运算放大电路组 成，总体框图如图： 输 入 信 号 前 置 放 大 电 路 有 源 带 通 滤 波 电 路 集 成 运 放 电 路 图 2.1：扩音机电路总体框图 2.1.1 前置放大电路 功能：将前级输出的微小的电信号在电压幅度上进行放大。 工作原理：在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经 放大后多用单端方式传输。典型情况下，信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，共 模噪声可能高达几伏。放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要。放 大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。因此前置放大电路应该是一个高 输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。 2.1.2 有源滤波器 功能：滤除各种噪声信号，而使正常的语音信号通过。 工作原理：通带滤波器能通过规定范围的频率，这个频率范围就是电路的带 宽 bw，滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率的频率点上。带通滤波器 0 f 的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质 q 越高。电路的 q 值可用公式求 出： wbq 0 f 可见，高 q 值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；反之低 q 值滤波器有较 本科生课程设计（论文） 4 宽的带宽，势必输出电压较小。要实现这么一个功能，我们可以将一个二阶有源 低通滤波器与一个二阶有源高通滤波器串联起来，由二阶有源低通滤波器来对高 频信号进行抑制，由二阶有源高通对滤波器队地频信号机行抑制，最终达到对信 号进行一定频率范围的抑制作用。 2.1.3 功率放大器 功能：放大电流，使信号能够驱动负载（喇叭） 。 工作原理：功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换 成为高频交流输出。 2.2 扩音机各单元电路的设计 2.2.1 前置放大电路设计 各级放大电路均采用集成运放设计，且增益分配要均衡，输入阻抗，共模抑 制比和噪声主要取决于前置级，因此前置放大器的设计尤为重要。根据高输入阻 抗的要求，应选用 jfet 的运放，本设计采用 lf411acn 型运放。该运放的 avo=4105，rid= 41011，kcmr =106db。仪用放大电路：kcmr=134db 本设计采用仪用放大器作为前置级。 u1 r1 r2 r3 r4 r5 r6 u2 u3 r7 图 2.2.1：前置放大电路 本科生课程设计（论文） 5 2.2.2 有源滤波放大电路的设计 第二级要完成的主要任务之一是进一步提高放大电路的电压增益，其次为了 消除高，低频的影响，需要设计一个带通滤波器，由于对滤波器没有特殊的要求， 本设计采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器。 r1 r2 r3 c1 u1 图 2.2.2 一阶低通滤波器 c1 r1 r2 r3 u1 图 2.2.3：一阶高通滤波器 本科生课程设计（论文） 6 2.2.3 功率放大器电路的设计 功率放大的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换效率 尽可能高，非线性失真尽可能小。 当输入信号足够大，输出电压峰值达到时，此时最大不失真输出 功率为： 直流电源提供的功率 电路效率 选择输出晶体管时: 每只晶体管的最大允许管耗 最大集电极电流 反向击穿电压 功率放大电路如图 2.2.4 所示。 图 2.2.4 功率放大器电路 c5 ic=0v r13 r14 u5 1 2 3 5 4 vcc r15 c6 ic=0v vdd r16 50 % r17 c7 ic=0v 本科生课程设计（论文） 7 第 3 章 全集成电路高保真扩音机整体电路设计及仿真 3.1 整体电路图及工作原理 工作原理：整体电路图如图 3.1.1 所示。 本设计采用 lf4111 系列的运算放大器，前级采用仪用放大电路，分配的增 益为四十倍，仪用放大器是有运放 u1、u2 按同相法组成第一级差分放大电路， 运放 u3 组成第二级差分放大电路，在第一级电路中输入信号分别加入到 u1 和 u2 的同相段 r1和 r6、r7组成的反馈网络引入负反馈。 在带通滤波的电路中，本设计采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波 器构成带通滤波器，来限制放大频率的范围。 输入信号先经经前置放大，将输入信号放大，放大后的信号进入音调电路，对 高低音段进行调节。输出至音量电位器。经平衡电位器后，功放输出经喇叭输出 接座输出至喇叭。功率放大电路的主要作用是向负载提供功率，需要输出功率尽 可能大，非线性失真减小，效率尽可能高。因集成功率放大器性能好，安装方便， 则选集成功率放大器。 3.1.1 整机电路图 3.2 电路参数仿真及计算 3.2.1 整机频率响应的测试 使用仿真软件中的波特图示仪进行仿真实验，观察所得的幅频响应ultisimm 曲线是否符合设计要求。进行仿真实验后可得图 3.2.1（a）与图 3.2.1（b） ，由此 可知本次设计的电路符合设计要求。 r16 r15 u1 3 2 4 7 6 51 r10 50 % r2 r6 r7 u2 3 2 4 7 6 51 r3 u3 3 2 4 7 6 51 r4 r9 50 % r5 50 % r8 50 % r14 50 % u4 3 2 4 7 6 51 r13 r12 50 % r17 r11 c1 c2 r1 50 % vcc vdd c5 ic=0v r18 r19 u5 1 2 3 5 4 vcc r20 c6 ic=0v vdd r21 50 % r22 c7 ic=0v 本科生课程设计（论文） 8 图 3.2.1（a）：幅频响应曲线 图 3.2.1（b）：幅频响应曲线 3.2.2 最大输出功率的测试 在仿真软件中连接电路，并将万用表连在输出端，进行仿真实验，ultisimm 测量最大输出电压。并使用公式计算出最大输出功率。 lmaxmax rvp 2 图 3.2.2：电压有效值 本科生课程设计（论文） 9 如图 3.2.2 所示，万用表测量得到电压有效值，由此可得，电压峰vv548. 5 值为，最大输出功率vvvmax845 . 7 2wrvp lmaxmax 69 . 7 2 3.2.3 电压增益的计算 由上述 3.2.2 中的电压测量值可知，又因输入电压为vvvmax845 . 7 2 ，则电路总体增益为vvm5 i 1569vva max 根据理论计算各级增益： 前置放大级： 80 232 rrra 音调和音量控制级：；1 2 a 功率放大级：；20 3 a 总的增益为各级增益之积：。1600a 3.2.4 整体电路的仿真 在仿真软件中连接电路，并将示波器连联入电路，进行仿真实验，ultisimm 测得电路的输入波形与输出波形。经过比较输入波形与输出波形可知，本次设计 的电路，波形失真较小。 图 3.2.4 输入与输出波形 经过本次的仿真实验可知，设计电路时的理论值与仿真实验所得的实际值误差较 小，波形失真较小，并基本能够达到所设计的放大倍数。 综上所述，本次设计的扩音机电路符合了设计要求。 本科生课程设计（论文） 10 3.3 整机电路性能分析 前面已经提及，本次设计的全集成电路高保真扩音机主要由前置放大电路、 有源滤波电路、功率放大电路三部分构成。 扩音机工作时，输入选择电路主要对输入信号进行选择切换控制，得出所需 的信号输入，输入后的信号经有源滤波电路进行频率特性的校正和放大，使输入 信号的频率特性变得较为平坦，同时使各种信号源输入的信号电平基本趋于一致， 避免了在转换不同的信号源时声音响度出现较大的变化。经前置放大器放大处理 后的信号被送入功率放大器进行功率放大，以推动扬声器重放出声音。在功率放 大器中加入保护电路是为了保护扬声器免受电路冲击电流的干扰或在电路出现故 障时烧毁扬声器。 3.3.1 整机电路图 r16 2m r15 1k u1 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r10 1k key=a 50 % r2 10k r6 24k r7 24k u2 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r3 10k u3 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r4 32k r9 1k key=a50 % r5 20k key=a 50 % r8 1k key=a50 % r14 2k key=a 50 % u4 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r13 10k r12 1k key=a 50 % r17 100 r11 24k c1 3.3f c2 33nf r1 5k key=a 50 % vcc 12v vdd 0v c5 22f ic=0v r18 1m r19 22k u5 lm1875t 1 2 3 5 4 vcc 12v r20 3.9k c6 22f ic=0v vdd -12v r21 100k key=a 50 % r22 1 c7 220f ic=0v 本科生课程设计（论文） 11 第 4 章 设计总结 本次课设的题目是全集成电路高保真扩音机。电源地端，信号源以及 ch1 和 ch2 地端位置不恰当都会造成不同程度的干扰，要根据实际电路找出最佳的接 线位置，使波形达到最好的效果。没接入信号的输入端要接低，因为输入的信号 5mv 较小，易受外界干扰。采用低频运放芯片辅助过虑去高频。 多级放大电路的第一级的反馈回路中需要在反馈电阻上并一个电容，用来滤 除噪音。 对于特定的频率放大电路，可以通过串联电容的方法来调节电路中阻抗 的大小，使得电路的性能更好。 在将直流源接到电路中时，需要接一大一小两个电容，以最大程度的滤除谐 波