基于Proteus的音频放大器电路设计与仿真.doc

淮阴师范学院毕业设计毕 业 论 文学生姓名尹有友学 号171107078学院 物理与电子电气工程学院专 业电子信息工程题 目基于Proteus的音频放大电路设计与仿真指导教师付浩 副教授/学士2015年5月17淮阴师范学院毕业论文论文原创性声明内容本人郑重声明：本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。本论文除引文外所有实验、数据和有关材料均是真实的。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：日期： 年 月 日摘要：音频放大电路具有电路元件多，电路逻辑规模大等特点，本文针对音频放大电路在设计时遇到的参数匹配性低、电路调试复杂等问题，借助PROTEUS仿真软件平台设计了一种效率较高、操作简单的音频放大电路系统。该电路系统由前置放大模块、音量控制模块、功率放大模块等模块组成，通过调整电路元件及其参数，在PROTEUS软件平台对各电路模块进行电路设计和仿真分析。本电路在PROTEUS仿真环境下最终可以使电路将微弱的音频信号进行高效率地放大、传输，实现音频放大的功能。该电路系统模块设计简单、结构清晰，成本低，对于生活中扩音器、功放设备等诸多领域中具有很好的推广价值。关键词：音频放大电路，Proteus，仿真测试Abstract: Audio amplifier has a circuit element. The scale of the logic circuit and other characteristics, this paper for audio amplification circuit encountered in the design of parameters matching, circuit debugging complex etc., with Proteus simulation software platform, designs a kind of high efficiency and simple operation, audio amplification system.The circuit system is composed of pre amplifier module, tone adjustment module, power amplifier module, through adjusting circuit components and parameters, in the Proteus Software Platform of each circuit module of circuit design and simulation analysis.In the PROTEUS simulation environment, the circuit can amplify and transmit the weak audio signal in high efficiency, and realize the function of audio frequency amplification.The circuit module of the system design is simple, clear structure, low cost, has good popularization value for life amplifier, power amplifier equipment and many other fields.Key words:Audio amplifier,Proteus, Simulation test目 录1 前言32 Proteus软件及其对实验教学的意义42.1 Proteus软件42.2 基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义43 音频放大电路系统设计53.1 设计要求53.2 系统总体框架图53.3 总体设计图44 功能模块的设计64.1 前置放大模块64.2 音量控制模块74.3 功率放大模块74.4 电源模块85 Proteus设计与仿真95.1 音频放大电路的Proteus设计与仿真95.1.1 前置放大器电路仿真和分析95.1.1.1 电路组成95.1.1.2 电路测试与分析105.2.1 音量调节电路仿真和分析105.2.1.1 电路组成105.2.1.2 电路测试与分析105.2.2 OCL功率放大电路的仿真和分析125.2.2.1 电路组成125.2.2.2 参数测试135.2.3 电源模块135.2.4 音频放大电路145.3 音频放大电路测试和分析15结 论16参考文献17致 谢181 前言音频放大器是音响系统中的关键部分，普遍应用于日常生活中，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。音频放大电路是模拟电路中一个典型的综合性设计题目，它包含了功率放大器、前置放大器、电源等音响电路中经常涉及的电路，也涉及到电压、功率放大、容抗，阻抗匹配，负反馈和频率响应等重要概念和知识点。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。本文以音频放大器的设计为例，介绍基于Proteus仿真技术1-3的音频放大电路的设计和仿真。2 Proteus软件及其对实验教学的意义2.1 Proteus软件Proteus的ISIS是一款电路分析实物仿真系统,提供了30多个元件库,8000多种元件,以及各种虚拟仪器和图表分析4,非常利于仿真电路的测量与调试。2.2 基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义负反馈放大电路、集成运放的应用、功率放大电路及直流稳压电源是模电课中最重要的几个知识点。因此,本课程的实验教学设计思路是:采用项目驱动的方法,即以音频功率放大器的设计为例,将其分解为前置放大模块、音调调节模块、功率放大模块及直流电源模块4个项目,贯穿于平时的实验教学过程中,既验证了各个独立项目包含的基本应用电路,又能让学生通过对参数的调整、结果的分析加深对电路的工作原理等知识的掌握。在课程设计环节则将已验证的电路转化为一个实际的产品,充分的锻炼动手能力,以达到最终的教学目的。在整个实验教学体系中,应用Proteus技术具有如下几个意义:1)由于Proteus仿真中的各种虚拟测试仪器,如示波器、信号源等的操作方法与实际使用十分相似,有助于熟悉并掌握常用电子仪器的使用和测量方法。2)Proteus验证如负反馈放大电路、功率放大电路等经典电路及其结论非常方便,甚至可以通过声卡输出音频效果,有助于获得更直观感性的认识,加深对整个音频电路工作原理的理解,从而激发对课程的学习兴趣,调动学习的主动性。3)应用Proteus仿真技术,可搭建感兴趣的各种应用电路,在仿真环境中验证电路可行性后,再进行硬件操作,既减少了硬件耗材成本,又培养了学生自主创新的能力。4)当对所学的理论知识如何应用、应用在哪里完全没有概念时,就形成了理论与实践的脱节。以Proteus为教学媒介,在设计仿真实操的过程中,引导修改器件及其参数,通过对数据的分析,寻求问题产生的原因及解决的方法,更好地将理论与实践联系起来,实现从教学到实际工程应用的过渡。3 音频放大电路系统设计3.1 设计要求（1）具有音量调节的功能；（2）每个声道具有10W的功率放大；（3）双电源供电。3.2 系统总体框架图前置级UiUo音调控制电路OCL功率放大电路由于音频信号源的输出幅度设计性能，不足以满足功率放大器输出额定功率，因此第一级为前置放大电路，主要是信号源进行阻抗匹配并实现一定的电压放大。第二级为音调控制电路，主要是对信号进行适当的音色处理，实现高低音的提升和衰减。第三级为功率放大电路，实现电路技术指标要求。最终可确定整个音频放大系统5由3级构成，如图3-1所示。图3-1 音频放大电路系统结构框图3.3 总体设计图可以将音频放大电路分解为前置放大模块、音调调节模块、功率放大模块及电源模块4个项目,将项目驱动教学法与Proteus仿真技术相结合,贯穿于整个实验教学过程中。整个系统的电路设计框图如图3-2所示。音源信号输入地线地线地线一点接地前置放大器电源功率放大器音量调节扬声器图3-2音频放大电路设计图 4 功能模块的设计4.1 前置放大模块在音响系统中，特别是进行大功率放大时，功率放大器对输入信号有一定的要求，太弱的输入信号功率放大器是“不理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加一级或多级前置放大器，将小信号的幅度放大到适合的范围，再由功率放大器进行进一步的能量放大。前置放大器电路可以采用多种方式实现，如：晶体管构成的前置放大电路，集成运算放大器构成的前置放大电路6。晶体管构成的前置放大电路，经过一段时期的使用，放大作用会减小或消失，当三极管穿透电流过大或 c-e级漏电时，会产生噪声，有时前置放大管还会出现击穿短路现象，使本级失去放大能力。在本文中，采用集成前置放大器电路。由于两个声道的电路图是一致的，现以左声道为例进行介绍，如图4-1所示。图4-1 前置放大器原理电路图在图4-1中，信号流从左往右，即左边的 VLin是左声道的输入端，接MP3播放器等音源，而右边的 IO2 是左声道的输出端，电压增益为2。4.2 音量控制模块音调控制模块的电路如图4-2所示,核心芯片选用素有“运放之王”之称的NE5532,具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能,其高速的转换性能大大改善了电路的瞬态性能,较宽的带宽则保证信号的低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。采用负反馈型音调控制电路,由R5R11,C2C6组成选频网络与运NE5532组成电压并联负反70馈式音调控制放大电路,由R1、R2、R3分别实现高音、中音、低音调节,实现不同频段提升和衰减功能,达到控制的目的。图4-2音量调节电路4.3 功率放大模块音源的信号经过前置放大器后即进入功率放大器进行能量的提升，以便驱动扬声器工作还原声音信号。 常用的功率放大器有 Class A、Class AB、Class D，其中 Class AB 在音响系统中应用最为普遍， 本文采用 Class AB 放大器进行设计7。同时，在选择功率放大器之前要考虑扬声器的功率有多大，如果输出功率大于扬声器的额定功率，扬声器就有被破坏的危险；反之，扬声器就有些浪费了。本文设计的功率放大器是一个小功率放大器，输出功率为10W。功率放大器电路如图4-3所示。其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后进入 Class AB 放大器中进行功率放大。两对互补管 Q5和 Q6、Q7 和 Q8组成的 Class AB 放大器可向 8扬声器输出9.511.5W的功率。通过调节电位器 R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该 10W 放大器的低音效果得到提升或抑制。 在图 4-3 中既有集成电路（NE5532），又结合了分立式的 Class AB 放大器（ Q5、Q6、Q7、Q8），体现出集成电路与分立式元件协同工作的优势。图 4-3 功率放大器电路图本文用一个小功率放大器改进设计，如图 4-2所示。其中，电位器 R22 控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532 构成的前置放大器中获得电压放大之后，进入 Class AB 放大器中进行功率放大。两对互补管 Q5 和 Q6、Q7 和 Q8组成的 Class AB 放大器可向 8 扬声器输出 9.5-11.5W的功率。通过调节电位器 R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该10W放大器的低音效果得到提升或抑制。4.4 电源模块电源模块的电路如图4-4所示,包含整流电路、滤波电路和稳压电路,主要采用7812和7912三端集成稳压芯片。图4-4 电源模块电路图中,C20和C20、C21和C21起旁路高频干扰信号作用,C22和C22则是改善负载瞬态响应,利用二极管D5和D6的限幅功能保护稳压器。仿真测试可得一组12V稳压电源。5 Proteus设计与仿真5.1 音频放大电路的Proteus设计与仿真5.1.1 前置放大器电路仿真和分析5.1.1.1 电路组成前置放大路要求输入阻抗较高、输出阻抗较小，具有信号传输能力较好和带负载能力强的特点，一边对后面音调控制网络的正常工作影响较小。前置放大电路设计见图5-1，由场效应管的共源放大电路和源极跟随电路两部分组成。此外，电压源需经过一级滤波器滤波，以减小电源对前置级的影响。图5-1 场效应管共源放大器和源级跟随器组成的前置级放大电路5.1.1.2 电路测试与分析（1） 静态工作点测试。在图5-1输入端接入信号发生器，将幅值调至0V，打开仿真开关可测得两级放大电路的静态参数分别为：UGS1=-2.46V,UD1=8V,UGS2=-1.68V,UD2=11.8V,UB3=12.5V,UCE3=1.1V,gm1=gm2=1.1，=164。由此可知，电路的静态工作点处于合适状态。（2） 动态参数测试。在输入端加载幅值为20mV、1kHz的正弦电压信号，分别测得放大电路在接1.2k负载和空载时输出电压波形，如图5-2所示。测得带负载时输出电压uuLpp=120mV，电压放大倍数AuL=3；不带负载时输出电压ucpp=150mV，电压放大倍数Au=3.75，输出电阻r0=0.3k，仿真结果与理论计算非常相近。 a 带负载时输出波形图 b 不带负载输出波形图 图5-2 前置放大电路输出波形图（3） 结果分析。根据图5-2的仿真结果可得电路带负载时的电压放大倍数比不带负载时电压放大倍数小，且负载越小放大倍数越小，电路中引入的电流串联负反馈能很好的提高电路的稳定性。5.2.1 音量调节电路仿真和分析5.2.1.1 电路组成常用音调控制电路有3种；RC衰减式音调控制电路、反馈式音调控制电路和混合式音调控制电路。本级电路设计如图10所示，选用的是由R3R11,C7C9,CV1和Cv2组成选频网络与运放UA741组成电压并联负反馈式音调控制放大电路，具有高、低音提升和衰减功能，且电路简单，失真小。5.2.1.2 电路测试与分析（1） 波形音调测试。根据图5-3所示连接电路，在高低频条件下调节Rv1和Rv2，通过示波器观察输出波形如图5-4所示。（2） 电路高低音衰减测试。对电路进行频率响应分析，其仿真如图5-5所示。（3） 结论分析。由图5-4测试结果可以直观地观测到电路很好地实现了音调的调节功能，并且从扬声器也可清楚地分辨声音提升和衰减的变化，由图5-5（a），5-5（b）可知，电路低音提升量约26db，低音衰减量约-26db。由图5-5（c）、5-5（d）可知，高音提升量约为15.8db，衰减量约为-15.8db。图5-3 音调调节电路图5-4 输出波形图图5-5 输出幅频特性曲线5.2.2 OCL功率放大电路的仿真和分析5.2.2.1 电路组成图5-6为一典型OCL功率放大电路,电路采用双电源供电,由运算放大器741组成前置放大电路,用以提高输入电阻和共模抑制比,调节音量大小,消除交越失真。Q1Q4组成互补对称电路,其中,Q1和Q2组成NPN型,Q3和Q4组成PNP型复合管,其中2和4为大功率三极管。5、1为两复合管基极提供偏置电压,R16、R17用于减少复合管的穿透电流,稳定电路的静态工作点,16、17也称为泄放电阻。R18、R19分别为Q2,Q4的发射极电阻,用于稳定静态工作点,减少非线性失真,还具有过流保护作用。R21、R13、R9构成交流电压并联负反馈电路,保证A点输出电压稳定,并提高电路的带负载能力,实现改善电路性能的目的。图5-6 OCL互补对称功率放大电路5.2.2.2 参数测试1) 电路初始状态调节:先在静态时,测试U=0V,将R4调至有效输入信号最大,调节R5至最下端。在输入端接入=1kH,U=20mV的正弦信号,观察输出波形。发现输出波形出现交越失真(如图14所示),则缓慢调节R5至交越失真刚好消失。回头再测试静态时点电位是否为0V,否则应反复调节R4和R5,直至零点和交越失真都满足条件。2)静态测试:逐渐调大输入信号u并通过示波器观察输出波形,直到输出波形达到最大不失真输出即停止增大输入信号。此时,令输入信号为零,测量得CEQ1=11.4,CEQ2=11.98,CEQ3=11.98,CEQ4=11.98,可验证三极管处于微导通状态可克服交越失真的结论。3)动态测试:接入输入信号,通过示波器观察输出波形,如图9所示。im=0.435,om=9.1,可计算得到:U=20,OM=5.18,PE=8.7W,=59.5%。5.2.3 电源模块仿真与分析电源模块的电路如图5-7所示,包含整流电路、滤波电路和稳压电路,主要采用7812和7912三端集成稳压芯片。图5-7 电源模块电路图5-7中,C20和C20、C21和C21起旁路高频干扰信号作用,C22和C22则是改善负载瞬态响应,利用二极管D5和D6的限幅功能保护稳压器。仿真测试可得一组12V稳压电源。5.2.4 音频放大电路将前面所分析的4部分电路按图3-1组合并仿真,可得电路的频率响应曲线图和失真度图,分别如图5-8和图5-9所示。 图5-8 频率响应图表 图5-9 电路失真分析整个音频放大电路仿真测试可得到如下结论:P=5.1W;在无高低音提升和衰减时,频率响应范围可达4Hz27kHz;在低音和高音处有近20dB衰减量;输入阻抗1M,失真度1 M，失真度3，测试结果满足设计指标。根据仿真的电路进行实际操作，实际测试结果与仿真结果非常接近，证明该电路设计具有可行性。结 论本文系统地介绍了在PROTEUS仿真平台下音频放大电路的设计思想、给出了实现过程，并对结论进行了分析。借助Proteus仿真平台调整更改电路元件及参数，使电路设计更加简单方便