音频功率放大器课设报告.doc

华北科技学院课程设计1、 设计要求1.1设计任务 技术指标: 1)输入信号Vi=10mV 2)频率f=1Khz 3)负载电阻为8时，输出功率PO1W1.2设计要求1）根据设计指标要求进行预设计，确定电路形式，估算元件参数并选择元器件。2）进行指标核算，根据设计的电路利用理论公式，核算有关指标能否达到设计要求。3）. 利用Multisim软件完成对相关电路模块的仿真分析。4）. 使用PROTEL软件完成对电路的PCB制版。5）按时提交课程设计报告，画出设计电路图，交一份A3图纸，完成相应答辩。2、 设计的作用、目的 2.1课程作用：(1)综合运用模拟电子技术课程中所学到的理论知识去独立完成一个设计课题。(2)通过查阅手册和文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。(3)进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。(4)学会电子电路的安装与调试技能(5)进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。(6)学会撰写课程设计总结报告。(7)培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度. 由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和性能指标都达到了很高的水平。它的突出优点是体积小、电路简单、性能优越和保护功能齐全等。 电子管式功率放大器（俗称胆机）的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分燎人，动态范围很大，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装及调试都比较简单。笔记本电脑中典型采用MAX9789A和MAX9713芯片的音频功率放大屯路。来自声卡芯片的音频信号经耦合电容后送往音频功率放大器MAX9789A中，经其放大后输出用于驱动扬声器的左、右声道信号。声码器输出的单声道音频信号送到MAX9713 IN端，经放大后去驱动单声道扬声器。 功率放大器简称功放，它可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其品牌、型号之多，实在举不胜举。虽然都称为功放，,但以其主要用途来说,功放可以分为两个主要类别,这就是专用功放与民用功放。 在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅、公共场所扩声,以及录音监听等处所使用的功放,一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求,这类功放通常称之为专用功放或是专业功放。而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏,AV系统放音,以及卡拉OK娱乐的功放,通常我们称为民用功放或是家用功放。专用功放与民用功放尽管在一些特性参数上有所差别,但也很难说有一条泾渭分明的界线,比如用于音乐录音监听的功放很可能就是一台可用于家庭Hi-Fi甚至是Hi-end功放。Hi-Fi功放与AV功放是目前家用功放中的两个主要类别。Hi-Fi功放用于欣赏音乐,使用者追求的是尽可能的“原汁原味”。而AV功放的使用者追求的是与画面相配合的“现场”效 果,甚至是夸张了的“现场”效果。这两类功放不太好直接比较孰优孰劣。晶体管功放和电子管功放并不存在着优劣的差异,只不过应用的器件不同(一是晶体管,一是电子管),相对来说,电子管功放的工作电压较高,但工作电流比较小,而晶体管功放的工作电压较低,工作电流都比较大。2.2设计的目的 音频功率放大器是音响系统中的关键部分，已广泛应用于日常生活中，具有很强的实用性 ，其主要功能是将微弱的音频信号进行放大、传输 ，最终以足够的强度去推动扬声器使原声重现。 3 设计的具体实现3.1软件介绍 Multisim：Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Protel：PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用。3.2方案论证理论方面的准备：通过阅读资料，和对Protel软件的基本操作的学习，了解音频功率放大原理 功率放大器：功率放大是一种能量转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量，转换的电路，在输入信号的作用下，晶体管把直流电源的能量，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载，当然对对功率放大也有相应要求。相关要求如下：（1）输出功率要大：要增加放大器的输出功率，必须使晶体管运行在极限的工作区域附近（2）效率要高：放大器的效率定义为：=交流输出功率/直流输入功率（3）非线性失真在允许范围内：由于功率放大器在大信号下工作，所以非线性失真是难免的，问题是要把失真控制在允许范围内，功率放大器按工作状态和电路形式可分成以下几种：（1）甲类功率放大器：在整个信号周期内，存在集电极电流；甲类功率放大器甲类功率放大器的效率为：=50%可见：（1）晶体管的最大集射电压为电源电压EC的两倍。（2）晶体管静态时耗功率为输出功率的两倍。（3）甲类放大器的效率最高只有50%。（4）乙类功率放大器：只有半个信号周期内，存在集电极电流，按电路形式它又可分为：1）双端推挽电路（DE ）2）单端推挽电路（SE ）3）平衡无变压器电路（BTL）在实际中，为了克服交越失真，推挽式昌体管电路是工作于甲、乙类状态的。功率放大器实现方法有几类，低频的有甲、乙、甲乙、丁等几种。 甲类效率很低，约20%左右，但是其失真度可以做的非常小，如0.1%，效率没做评分要点，只是适当考虑，所以可以采用； 乙类的只能有半周输出，失真度太大所以不能采用。 甲乙类是解决甲类的效率和乙类的失真度的综合途径，推荐采用； 丙类肯定不用了，那是高频功率放大器专用的类型，这里是低频的（10Hz50KHz），所以不能采用； 丁类的（就是所谓的D类）采用H桥的开关方式工作，输入的信号要进行PWM（PWM是脉冲宽度调制），H桥输出后是一个开关量，要经过LC滤波转变为模拟量，再传送给扬声器。这种方法效率极高，但是电路复杂，调试困难。3.3电路的设计：首先，我们先制作Protel软件的元件库中没有的部分元件的原理图库的封装和PCB图库的封装。先设计出电路的原理图，确认电路无误后，导入到PCB面板中，制作印刷版。设计的电路须尽量减少跳线。3.4功率放大器的作用 人在讲话的时候声音的强度是很有限的，如果在一个有成千上万人的会场中，要使每一个人都能清楚地听到是不可能的。利用功率放大器，人只要对着话筒讲话，经过功率放大器放大，再从扬声器中发出很强的声音，就可以使全会场的人都听到。 人讲话的声音通过话筒变成了微弱的电信号，这一信号的电压大小同声音的强弱成正比，它的频率同声音的频率相同，这种电信号叫做音频信号。话筒得到的音频信号，电压只有几毫伏，功率放大器把这个微弱的音频信号放大，从功率放大器输出端可以输出功率达几瓦到几十瓦，以推动扬声器发出声音。 在这一过程中，功率放大器的作用只是把音频电信号进行放大，所以功率放大器也就是音频放大器。话筒能把声音变成电信号；扬声器能把电信号变成声音。我们把这类元件叫做电声元件。功率放大器必须同电声元件配合使用，才能发挥出它的作用。功率放大电路（简称功率放大器）通常位于多级放大电路的最后一级，其任务是将前级电路放大后的电压信号再进行功率放大，以足够的输出功率推动执行机构工作，如扬声器发声、电动机旋转、继电器动作、仪表指针偏转等。功率放大电路与电压放大电路都属于能量转换电路，它们是将直流电源提供直流功率转换成被放大信号的交流功率，从而起到功率和电压放大的作用。但由于在多级放大电路中所处的位置不同，它们各自的功能是不同的：处于前置级的电压放大电路的任务是将输入的微弱信号识别出来并加以有效的放大，大多工作在低电压、小电流、低噪声的条件下，研究的主要指标是电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、信噪比、频率特性等，它们工作时，本身消耗的功率不大，向下一级输出的主要是电压信号，输出功率不大，故效率问题可以不必考虑。功率放大电路除了对信号的电压进行足够的电压放大外，还要求对信号进行足够的电流放大，从而有足够的有用功率输出。3.5电源 主要输入参数（1）220V交流电源输入。（2） 采用双18V的变压器，其功率根据输出功率确定（1）线性直流稳压电源，电源输出分别是、+18V、-18V、，可调电压源 和可调恒流源。每一种电源都有多路输出，方便使用。（3） 设计成功的开关电源，其性能可远远超过容量相同的传统电容滤波电源，并且质量不到传统电源的110。如果通过深入研究，进一步改进PWM电路的控制方式，降低电源在低频负载时的动态内阻。预计其性能可以超过线性稳压电源。加上开关电源具有效率高、成本低、体积小等优点，它完全可能也应该成为高保真音频功率放大器的主流电源。3.5.1开关电源工作原理开关电源由以下几个部分组成：（1）、主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 （2）、控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。 （3）、检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。 3.5.2、辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。 控制方式：按TRC控制原理，有三种方式： （1）、脉冲宽度调制（PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 （2）、脉冲频率调制（PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 （3）、混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。 3.6稳压电源设计根据设计电路的要求，我们设计了配套的电源，采用78系列和79系列的稳压芯片，得到了符合要求的电源 图： 稳压电源电路图3.7电路方案特点：功率放大级 方案：采用专用的音响集成芯片。也可采用分离元件，可以改善整体性能，因此采用分立元件制作功率放大电路。 功率放大器接通电源，不输入信号，距离功率放大器较近的时候，可以听到轻微的噪声。功率放大器的噪声有两类，一类是有规律的低频哼哼声，这是交流电源引起的交流声；还有一种沙沙声，这是晶体管本身的噪声引起的。当有输出信号的时候，噪声就被信号掩盖了。大功率功率放大器输出功率大，收听者一般距扬声器远一些，所以噪声大一些也影响不大。小功率功率放大器输出功率小，收听者距扬声器较近，所以要求噪声小。用信号噪声比（简称信噪比或信杂比）来衡量功率放大器噪声的实际效果是很有效的。 理论分析与计算测试方案与测试结果Multisim仿真输入波形、频率、振幅 图：Multisim仿真输入波形 图：Multisim仿真输出波形 图：Multisim仿真输出波形 图：8 负载电阻两端电压值输出功率 P=2W前置放大器输入、输出电压的测量表：前置放大器输入、输出电压的测量输入电压(mV)输出电压(V)104通过测量值可计算前置放大器的放大倍数由公式 = 功率放大器的功率计算通过测量得到功率放大器的输出电压值为4V，由公式 =P*R 可得P=/R=2，其中，R取8W。功率放大器的输出功率是指功率放大器输出到电阻负载上的电功率。输出功率是通过测量在规定负载上的电压数值计算出来的，设负载电阻是R（欧），输出电压是U（伏），输出最大功率为Pmax（瓦）得到：Pmax= 式中Pmax输出的最大功率Pmax输出电压RL负载电阻具体电路如下图，全部用分立元件晶体管构成，其中Q1、Q2组成差分放大器，用于驱动末级功放。晶体管Q4、Q5和Q6、Q7构成的互补对称OCL电路作为末级功放。推动对管BC639与MJ2955G的B80，fT100MHz,Pc500W;输出对管2N3055与MJ2955的B80,fT10MHz,Pc8W,满足性能指标要求。总电路图Q1,Q2构成差分放大器，用于驱动末级功放。Q3,Q4,Q5,Q6构成互补对称OCL作为末级功放。D2,D3,D4调压差。 图：Multisim仿真电路图 OCL电路称为无输出电容直接耦合的功放电路。如上图所示。图中VT1为NPN型晶体管，VT2为PNP型晶体管，当输入正弦信号ui为正半周时，VT1的发射结为正向偏置，VT2的发射结为反向偏置，于是VT1管导通，VT2管截止。此时的ic1ie1流过负载RL。当输入信号ui为负半周时，VT1管为反向偏置，VT2为正向偏置，VT1管截止，VT2管导通，此时有电流ic2通过负载RL。 由此可见，VT1、VT2在输入信号的作用下交替导通，使负载上得到随输入信号变化的电流。此外电路连成射极输出器的形式，因而放大器的输入电阻高，而输出电阻很低，解决了负载电阻和放大电路输出电阻之间的配合问题。 本电路是较典型的OCL电路，局部反馈稳定了工作点，总体串联电压负反馈控制了放大倍数并提高输入电阻和展宽频带，退耦滤波电容及校正电容是为防止寄生振荡而设。电路中二极管D是为消除交越失真而设。OCL电路定义:无输出端大电容的功率放大电路OCL电路优点:系统的低频响应更加平滑输入采用1000hz，振幅为10mVp.得到输出结果Protel原理图 图：生成的PCB图：覆铜后四心得体会及建议 实验体会与感想“实践是检验一切真理的唯一标准”，我想这句话不仅仅在中国社会主义建设上是正确的，也是同样适用于学习的过程。模拟电子技术是和我们日常生活关系相当密切的。 通过本次课程，我了解到了自己在理论知识方面的许多不足。对于课本的知识点，只是表面的认知，并不能够运用自如。其次，自己动手能力差，。此外，在此次课程中，让我感受最深的一句话是：好的计划是成功的一半。 这次课程，不但是一次学习知识的机会，更是一次多方面提高自我素质的机会。如何提高效率？如何和同学进行分工合作？一个个的非知识性问题摆在了我的面前。这些我们从课本是学不到的，但对于我们自身来讲确是相当重要的。 这是一次令我受益匪浅的课程。 模拟电子技术课程设计是对学习完模拟电子技术基础后的一个后续课程。通过设计、在仿真软件调试等步骤，最终完成了课程要求的作品。从而，可以让我们了解一个电子作品的设计制作过程，提高我们的使用仿真软件的能力；另一方面通过对理论知识的应用，我们也可以较大地提高对理论的应用能力和解决实际问题能力，从而学到许多从课本中无法学到的知识。提高在工程中应用理论的能力。本次课程较为新鲜，难度较大，所以是通过分组进行的，在和自己同学的合作的过程中，我也充分认识到了分工合作的重要性。 经过三星期的时间，我终于完成了音频功率放大器的设计。在这次设计中，我受益匪浅。不仅巩固了我之前所学的电子课程的知识，也锻炼了我的能力；不仅让我明白了理论联系实际的重要性，也使我对于书本上的理论知识有了更深入的理解，使之更具体，而不是纸上谈兵。设计并不是想象中的那样简单。这需要熟练掌握书本的基础知识，还要翻越相关参考资料，理论知识掌握尚不牢固,熟练操作计算机，使用Mutlism仿真方案的正确性，使用Protel画原理图和PCB图，这一切都需要一点点的学习。五附录元器件明细表元件电路图区段系列值C22CAPACITOR10pFC32CAPACITOR10pFC42CAP_ELECTROLIT1FD12DIODE1N4001D22DIODE1N4001D32DIODE1N4001D42DIODE1N4001D62DIODES_VIRTUAL14V Q12B