功率放大器电路设计-电子技术课程设计

吉林工程技术师范学院课程设计论文 1 电子技术课程设计论文电子技术课程设计论文 -功率放大器功率放大器电路设计电路设计 院系：院系：电气工程学院电气工程学院 专业：专业：测控技术与仪器测控技术与仪器 班级：班级： 姓名：姓名： 学号：学号： 指导教师：指导教师： 2012014 4 年年 6 6 月月 2 24 4 日日 吉林工程技术师范学院课程设计论文 2 目录目录 第一章绪论1 第二章系统总体设计方案2 2.1 功率放大电路2 2.2 放大器原理.2 2.3 方案设计.3 2.3.1 前置放大极4 2.3.3 三极管性能的简单测试4 2.3.3 电路形式的选择4 2.3.4 电路原理5 第三章 仿真及电路焊接及调试6 3.1 Protues 简介6 3.2 原理图绘制的方法和步骤6 3.3 电路板的制作9 3.4 电路焊接9 3.5元器件安装与调试10 第四章 元器件介绍11 4.1 LM38611 4.2 9013 晶体管.12 4.3 电容.13 4.4 扬声器13 4.5 驻极体.14 第五章总结15 致谢16 附录17 吉林工程技术师范学院课程设计论文 1 1 第一章第一章绪论绪论 现在多用于高校功放课程设计的有两种电路，一种是集成功放 LM386 组 成的音频功率放大电路， 一种是集成功放 TDA2030A 组成的音频功率放大电路。 我们此次的课程设计所用的芯片是集成功放 LM386。 本次音频功率放大系统的设计， 我们采用了 LM386 音频功率放大器作为核 心元件。它具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外 接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，主要应用于低电压消费 类产品，广泛应用于录音机和收音机之中。应用 LM386 时，为使外围元 件最少，电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和 电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地位参考，同 时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在 6V 电源电压下，它的静态功 耗仅为 24mW，使得 LM386 特别适用于电池供电的场合。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 2 2 第二章第二章系统总系统总体体设计方案设计方案 2.12.1 功率放大电路功率放大电路 1、要求输出功率尽可能大 为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅 度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。 2、效率更高 由于输出功率大， 因此直流电源消耗的功率也大， 这就存在一个效率问题。 所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。 这个比 值越大，意味着效率越高。 3、非线性失真要小 功率放大电路是在大信号下工作， 所以不可避免地会产生非线性失真， 而 且同一功放管输出功率越大， 非线性失真往往越严重， 这就使输出功率和非线 性失真成为一对主要矛盾。 4、功率器件的散热问题 在功率放大电路中， 有相当大的功率消耗在管子的集电结上， 使结温和管 壳温度升高。 为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率， 放大器件 的散热就成为一个重要问题。 2.22.2 放大器原理放大器原理 功放(功率放大器)的原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的 电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。 因为声音是不同振幅和不同频率的波， 即交流信号电流， 三极管的集电极 电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将 小信号注入基极， 则集电极流过的电流会等于基极电流的倍， 然后将这个信 号用隔直电容隔离出来， 就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号， 这现 象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 而场效应管则是用栅极电压来控制源极与漏极的电流，其控制作用用跨导表 吉林工程技术师范学院课程设计论文 3 3 示，即栅极变化一毫伏，源极电流变化一安，就称跨导为 1，功率放大器就是 利用这些作用来实现小信号控制大信号， 从而使多级放大器实现了大功率的输 出，并非真的将功率放大了。 2.32.3 方案设计方案设计 本课题采用 LM386 作为功率放大器 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： dB44)775. 0/005. 0lg(20 因为采用的集成芯片 LM386，其输出功率为 20W，则负载上的电压 ： VRPU LoL 136 .12 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。 图 2-1 系统构成框图 前置放大级功率放大级 电源 负载 吉林工程技术师范学院课程设计论文 4 4 2.3.1 前置放大极 采用共射极放大电路构成前置年放大极，三极管最基本的作用是放大作 用， 它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号。 当三极管的基极上加一个微 小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流 b 倍的电流，即集电极电 流。 集电极电流随基极电流的变化而变化， 并且基极电流很小的变化可以引起 集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 2.3.2 三极管性能的简易测量 (1) 用万用表电阻档测ICEO和 基极开路，万用表黑表笔接 NPN 管的集电极 c、红表笔接发射极 e(PNP 管 相反)，此时 c、e 间电阻值大则表明ICEO小，电阻值小则表明ICEO大。 用手指代替基极电阻Rb，用上法测 c、e 间电阻，若阻值比基极开路时小 得多则表明 值大。 (2) 用万用表 hFE 档测 有的万用表有 hFE 档， 按表上规定的极型插入三极管即可测得电流放大系 数，若很小或为零，表明三极管己损坏，可用电阻档分别测两个 PN 结， 确认是否有击穿或断路。 2.3.3 电路形式的选择 芯片选用 LM386，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，压 增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压 增益调为任意值，直至 200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电 源电压的一半，在 6V 电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW,使得 LM386 特别 适用于电池供电的场合。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 5 5 2.3.4 电路原理 图 2-2 音频功率放大电路原理图 吉林工程技术师范学院课程设计论文 6 6 第第三三章章 仿真及电路焊接及调试仿真及电路焊接及调试 3 3.1.1 ProtuesProtues 简介简介 Protues 是嵌入式系统仿真软件， 可以仿真、 分析各种电路。 有以下主要特点： 1.有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机仿真的功能。提供大量元器件。 2.支持主流单片机系统的仿真。提供软硬件调试功能。 3.有强大的原理图编辑及原理图后处理功能。实现了完整的基于微控制器 设计的协同仿真。 3 3.2.2 原理图绘制的方法和步骤原理图绘制的方法和步骤 3 3. .2 2.1.1 创建新的设计文件创建新的设计文件 进入 Protues ISIS 编辑环境,将新建的设计文件设置好保存路径和文件名。 Protues ISIS 的设计文件的扩展名为“.dsn” 。 3 3. .2 2.2.2 设置图纸类型设置图纸类型 选择System|Set Sheet Sizes菜单项， 弹出Sheet Size Configuration对话框。 合理选择图纸的类型。 3 3. .2 2.3.3 将需要的元器件加入对象选择器将需要的元器件加入对象选择器 在元器件列表区域内选中自己所需要的元器件。如下图 3-1 所示。 图 3-1 器件查找界面及元件列表 吉林工程技术师范学院课程设计论文 7 7 3 3. .2 2.4.4 放置元器件放置元器件 本次扩音器电路的元器件摆放如下图 3-2 所示。 图 3-2 摆放元器件 3 3. .2 2.5.5 总线总线 单击工具箱中的 Buses Mode 按钮。将鼠标指针置于编辑窗口，在总线的 起始位置单击到其终止位置双击即可结束总线绘制。 3 3. .2 2.6.6 连接元器件连接元器件 ISIS 具有导线自动路径功能，当选中两个接点后，WAR 将选择一个合适 的路径完成连接。 3 3. .2 2.7.7 加入电源、地、输入波和检测装置加入电源、地、输入波和检测装置 选择工作模式菜单中的终端模式，分别点击要加入到原理图中的电源和 地，将鼠标指针置于编辑窗口的欲放置处单击。查找终端界面如下图 4-3. 图 3-3 查找终端 在信号模式当中选择需要的波形发生装置，加入到原理图当中。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 8 8 图 3-4 加入输入波形 3 3. .2 2.8.8 标注标注 在导线标签编辑界面内，String 文本框中输入标签名称。标签名放置的 相对位置可以通过界面下部的单选项进行选择。 3 3. .2 2.9.9 编辑对象的属性编辑对象的属性 在工具箱中选择 Instant Edit Mode 按钮，进入即时编辑模式；先指 向对象单击再单击对象，在此页面完成对属性值的重新设定。 输入端接入正玄波时，波形参数设置和示波器检测波形如下图 3-7 所示。 图 3-5 正玄波参数设置及示波器检测波形 输入端接入方波时，波形参数设置和示波器检测波形如下图 3-8 所示。 图 3-6 方波参数设置及示波器检测波形 吉林工程技术师范学院课程设计论文 9 9 3.33.3 电路板的制作电路板的制作 1.按照需要的大小尺寸裁切自己小组的覆铜板。 2.自己构思，绘制出元器件接线不太复杂的 PCB 电路图。 3.尽量使板面比较光亮。打磨完成后，将原理图画到板面上，油性笔画线 不用太粗，整体布线尽量粗细均匀。 4.按照腐蚀剂的说明配制腐蚀液，将画好线的 PCB 板尽量斜放在腐蚀液 中。腐蚀液中加入热水，大概 20 分钟左右便会将 PCB 板腐蚀好。 5.将腐蚀好的电路板从腐蚀液中取出，用砂纸打磨，使电路板更加美观。 6.根据 PCB 原理图和实际元件大小、管脚属性等，用打孔机谨慎的在每个 设计好的焊盘中央进行打孔。 图 3-7 电路板腐蚀前后 3 3. .4 4 电路电路焊接焊接 3.4.1 焊接工具 电烙铁主要有烙铁芯、 烙铁头和手柄三部分组成。 烙铁芯是电烙铁发热部分， 烙铁芯内电热丝通电后将电能转换成热能传递给烙铁头。 3.4.2 手工焊接技术 1、准备。焊接工具和材料，清洁被焊件及工作台，左拿焊锡，右握电烙铁。 2、 加热。 用电烙铁加热被焊件， 使焊接部位温度上升至焊接所需要的温度。 3、加焊料。当焊件加热到一定的温度后，加上适量的焊料。 4、移开焊料。当适量的焊料熔化后，迅速向左上方移开焊料；用烙铁头沿 着焊接部位将焊料沿焊点拖动一段距离。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 10 10 5、移开烙铁。当焊点上的焊料充分润湿焊接部位时，结束焊接。 图 3-8手工焊接步骤 3.53.5元器件安装与调试元器件安装与调试 按照布局图或 PCB 图把元件逐一焊接在电路板上,元件全部焊接完成后， 再 仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。 1测量输出电压放大倍数 Au 测试条件：直流电源电压 12v，输入信号 1KH 70 mv，输出负载电阻分别 为 4和 8。 2测量允许的最大输入信号（1KH）和最大不失真输出功率 测试条件：直流电源电压 12v，负载电阻分别为 4和 8。直流电源 电压 10v，负载电阻为 8。 3测量上、下限截止频率 fH和 fL 测试条件：直流电源电压 12v，输入信号 70mv，改变输入信号频率负载电 阻为 8。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 11 11 吉林工程技术师范学院课程设计论文 11 11 第四章第四章 元器件介绍元器件介绍 设计内容:由 9013NPN 型三极管和芯片 LM386 组成功率放大器.输入:由驻极体 话筒产生输入信号.输出:驱动扬声器发声.能够设计功率放大电路，掌握电路 的工作原理，参数的计算，元器件的选择。掌握 LM386 管脚的功能，各个元器 件的作用。下面给出该电路图的器件清单： 器件清单 名称型号数量 音频放大器LM3861 块 三极管BJT90131 个 扬声器101 个 驻极体话筒1 个 电位器单圈蓝色 22K2 个 电阻10K 2 个；50K1 个；1K1 个；1001 个 电容 10uF3 个； 47uF1 个； 220uF1 个； 100uF1 个；0.1uF1 个 4.14.1 LM386LM386 LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电 源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机 和收音机之中。 LM386 电路主要特性： 电路类型为 OTL； 静态功耗低，约为 4mA,可以用电池供电； 工作电压范围宽，4-12V 或 5-18V； 外围元件少； 电压增益可调，20-200； 频带宽，300（1.8 断开） ； 低失真度，0.2%。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 12 12 图 4-1 LM 386 元器件以及内部构造图 4.24.2 90139013 晶体管晶体管 9013 晶体管是一种 NPN 型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三 极管， 在收音机以及各种放大电路中经常看到它， 应用范围很广,它是 NPN 型小功率三极管。 参数： 极限参数：Pcm=645MwIcm=500 Uceo35V(Ic=100A)Ucbo4Ov(Ic=100A) 直流参数：Icbo0.1A(Ucb=10V)Iceo0.1(Uce=10V) Ibeo0.1A(Ueb=1.5V) 交流参数：fT100MHz(Ucb=10V IC=50mA f=100MHz RL=5) 主要用途： 放大电路 图 4-2 9013 晶体管 吉林工程技术师范学院课程设计论文 13 13 4.34.3 电容电容 两个彼此绝缘、互相靠近的导体就构成了一个电容器。两个导体叫 作电容器的两个极，分别用导线引出。电容器的文字符号是 C。它的大小 用电容量来衡量。电容量的基本单位是法拉（用 F 表示），还有较小的 单位微法（F）和皮法（PF）。 图 4-3 色环表示法图 4-4 固定电容器 4.44.4 扬声器扬声器 扬声器特征 （1）扬声器有两个接线柱，当单只扬声器使用时两根引脚不分正负极 性，多只扬声器同时使用时两个引脚有极性之分。 （2）扬声器有一个纸盆，它的颜色通常为黑色，也有白色。 （3）扬声器的外形有圆形和椭圆形两大类。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 14 14 （4）扬声器纸盆背面是磁铁，外磁式扬声器用金属螺丝刀去接触磁铁时 会感觉到磁性的存在；内磁式扬声器中没有这种感觉，但是外壳内部确 有磁铁。 （5）扬声器装在机器面板上或音箱内。 扬声器的种类：低频扬声器 ，中频扬声器 ，高频扬声器 。 4.54.5 驻极体驻极体 驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛 用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输 入和输出阻抗很高， 所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换 器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。 图 4-1 驻极体话筒的内部结构图 4-2 驻极体话筒外观 吉林工程技术师范学院课程设计论文 15 15 第第五五章章总结总结 通过本次课程设计， 我对扩音器有了更清晰更透彻的了解， 学到了很多关 于模电理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。增强了对DXP 软件的掌握程度。 在实践中强化并巩固了理论知识。锻炼了自己解决问题的能力。 进行腐蚀和电路焊接的过程中我们遇到了一些小问题， 比如油性笔划线的时 候由于一些元器件多的地方画出的线过于细， 而且划线笔油分布不均， 在腐蚀 的过程中细的线容易被腐蚀掉， 而且在焊接的时候铜面不容易上锡。 但在我和 队友的努力下这些问题都得到了及时的解决， 这让我认识到了我们的工作是一 个团队的工作， 必须发扬团结协作的精神才能更加便捷的解决问题。 当我们的 产品调试成功时， 我们都很高兴和激动。 但在这同时