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机械毕业设计
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高保真音频功率放大器的设计与制作,机械毕业设计
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电子技术基础 课程设计（论文） 题目： 高保真音频 功率放大器 的设计与制作 院（系）： - 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 2006.6.12 2006.6.23 nts课程设计（论文）任务及评语 院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电子信息 工程 学 号 040302041 学生姓名 贾真 专业班级 自动化 042 课程设计（论文）题目 高保真音频功率放大器的设计与制作 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音频功率放大器。 2. 额定输出功率 WP 100 3. 负载阻抗 8LR 。 4. 失真度 %3 5. 设计放大器所需的直流稳压电源。 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 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 目 录 第 1 章 高保真音频放大器 设计方案论证 . 1 1.1高保真音频放大器 的应用意义 . 1 1.2高保真音频放大器 设计的要求及技术指标 . 1 1.3 设计方案论证 . 2 1.4 总体设计方案框图及分析 . 3 第 2 章 高保真音频放大器 各单元电路设计 . 4 2.1 输入调整电路设计 . 5 2.2 中间级放大电路设计 . 5 2.3 输出级电路设计 . 5 2.4 增益调整电路设计 . 6 第 3 章 高保真音频放大器 整体电路设计 . 7 3.1 整体电路图及工作原理 . 7 3.2 电路参数计算 . 7 3.3 整机电路性能分析 . 8 第 4 章 设计总结 . 9 参考文献 . 10 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 1 高保真音频放大器 设计方案论证 1.1高保真音频放大器 的应用意义 在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。 1.2高保真音频放大器 设计的要求及技术指标 设计要求 （ 1）画出电路原理图； （ 2）确定元器件及元件参数； （ 3）进行电路模拟仿真； 设计指标 1采用全部或部分分立元件设计一种音频功率放大器。 2额定输出功率 WP 100 3负载阻抗 8LR 。 4失真度 %3 5设计放大器所需的直流稳压电源。 1.3设计方案论证 这款功放采用了典型的 OCL 功放电路，为全互补对称式纯甲类 DC 结构，功放的每一级放大均工作于甲类状态。输入级和电压放大级采用线性较好的沃尔漫电路，差分管及电流推动管分别为 K170、 J74（可用 K389、 J109 孪生对管对 换）对管和 K214、 J77中功率 MOS 管，功率输出级为 2SC5200 和 2SA1943 大功率东芝管并联输出，功率强劲，驱动阻抗 2的喇叭也轻松自如。 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 2 1.4总体设计方案框图及分析 甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器它有吸引人的音质。甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子始终工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器始终保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬间升降能迅速反映。因而输出功率发生 急剧变化时，电源电流变化微乎其微。由这种强大的驱动者来推动扬声器就能轻而易举的获得高保真的重放效果。为了能得到好的音质 ,在设计时 ,我采用了前后级分离。前置低放和末级功放完全分离 ,甚至分开供电。电路的方框图如图 1所示。 高保真音频放大器 各单元电路设计 2.1输入调整电路设计 输入音 频信号 前置放大级电路 共射 -共基电路 共射 -共基电路 恒压源电路 推动级 反馈电路 至末级 功放 沃尔漫电路 图 1 电路框图 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 3 主电路部分如图 2 所示，音频信号经 R1缓冲进入 Q1和 Q2组成的双差分输入电路。C1和R2对输入信号中的高频干扰起到旁路的作用。 R2作为输入电阻 .Q1、 T1， Q2、 T2， Q3、 T3和 Q4、 T4构成共射共基电路。 这种电路最显著的特点是具 有失真低、频响宽、增益高、线性好。 R4、 R6、 RP1、 R7、 R9 构成分压电路给 T1、 T2、 T3、 T4的基极提供 12V基极偏压。这样， Q1 Q4四只结型场效应管的漏极工作电压只有 11.3V（ 12-0.7） 左右 ,保证了结型场效应管安全可靠地工作 ,这是因为结型 场效应管的工作电压较低 ,不能直接工作在较高的电压下。 RP1(兼作输出级输出中点电位的调节 )为输入电路静态电流的调节电阻 ,设计时输入级静态电流设定在 1.4mA左右。这样， R3、 R8上产生 2.1V压降作为下一级电路的偏置电压。 电压放大级同样是由 T5、 T6、 T7、 T8构成共射 共基电路。 D1、 R16、 D2为 T6、 T8的基极供基准工作电压。调节 RP3 将该级的电流设定在 4.8mA 左右， R36 上电压降为1.45V。正负半周的信号经 T9 T13共射放大电路后由其集电极进入 T10、 T12组成的共基电路，并从两 管的集电极输出，经 R37、 R38 缓冲送入 Q5、 Q6组成的末级电路。 T7、 R17、 D3 、 RP3 构成恒压电路，调节 RP3可以改变 Q5, Q6两管栅极电位差，从而改变末级静态工作电流。 C6、 C7 及输入级的 C2、 C3 为高频退耦电容，减少了电源的调频内阻过大引起 自激的可能。关于末级管 5、 6电流到底设计在多大，以前有人作过探讨，结论是静态电流大于 80mA 后，胆味才更浓郁。为了获得 10W 左右的功率，本设计中将Q5、 Q6 的静态电流设计在 80mA 左右。如果想得到更大一点的功率，我们可以改变末级T1C 2 2 4 0T2C 2 2 4 0T9D 6 6 7T7D 6 6 9T8D 6 6 7T5B 6 4 7T6B 6 4 7T4A 9 7 0T3A 9 7 0Q2K 1 7 0Q1K 1 7 0Q3J 7 7Q4J 7 7Q5K 2 1 4Q6J 7 7R11kR2100kR31 . 5 kR420kR51 . 5 kR611kR711kR81 . 5 kR920kR 1 01 . 5 kR 1 11kR 1 21MR 1 310kR 1 4150R 1 5300R 1 639k/1WR 1 76 . 8 kR 1 820/2W*2R 1 9470R 2 0470R 2 1R P 11kR P 21kR P 310kD1D27 . 5 vD31N4148C1100pC20 . 1 uC30 . 1 uC42 . 2 uC5C60 . 1 uC7C80 . 1 uC968pC 1 068pINOUTOUT图 2 输入调整 电路图 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 4 功放的电源电压，把场效应管的漏极电流调到 100mA左右。这样，不仅有大的功率，而且有胆机的味道。场效应管属电压控制器件，栅极输入阻抗高，静态电流调大时，会产生寄生振荡，解决的办法是在 Q5、 Q6 的栅 漏之间并联 C10、 C9 来消除。 R18、 R21 为末级管的源级电阻，当该级电流为 100mA时，其上的压降为 2V左右。 R11、 R12、 R13、 C4、 C5 组成电压反馈网络，这种反馈的特点是：通频带、转换速率等指标最优（在该电路中）。 R11、 R13将整机的闭环电压放大倍数定在 10倍左右，这也是前级电路常规的放大倍数设定方法。至于相位补偿电容 C5的使用，有一个原则是能小则小，能不用则不用。 C5的使用影响整机的转换速率，使整机的动态变软（ C5在这里可以不用，不会产生自激）。电路特点：静态下没有噪音，噪声系数低，背景干净，动态范围大，电路简单且易于集成，稳定性高。音频放大电路中均采用了高音频专用管，使整机提高了信噪比。提高了转换速率且减少开关失真。推动管采用了 2SK214 和 2SJ77并将推动管的工作点调至最佳工作状态。 总的来说，本机播放的音乐定位准确、平稳、乐器质感逼真、自然、动态范围宽，瞬态响应讯速灵敏，干净利落。 。 2.2中间级放大电路设计 选择电路时，我们希望其频响应尽量平坦宽阔，在整个音频范围内平衡度好。电路的转换速率和失真也相对低。通过第五章的学习，我们了解到晶体管 Cbe、 Ccb和 Co的反馈或分流效应，造成输入、输出信号中的高频分量减少，其中以 Ccb的影响最大。高频信号经该电容反馈主生的 “密勒效应”，相当于在放大器输出端并接了一个容量等于 Cm(密勒电容 )的电容 。 Cm和 Ccb的关系是： Cm=(1+Kv)Ccb 可以认为 Cm是影响放大器高频响应的主要因素。而耦合电容的容抗主要影响放大器低频频响。这些因素与电路组态有关。 通过学习我们知道共基放大器由于基极交流接地，集电极电容 Ccb的反馈条件被破坏， Ccb转化为 CO（共基接地时晶体管的输出电容）。其影响比 Cm自然小得多，而集电极与发射极之间的寄生电容基电路有很好的高频响应。在音频放大电路中，共一般极小，管子内部反馈的影响也小得多。所以共基电路不单独作用，而是与共射或场效应管共源放大器nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 5 直接耦合组成共射 -共基或共源 -共基放大器。共射 -共基差分电路如图 3所示。 互补对称放大器是用不同极性的放大器件（ N 型或 P 型）构成的高保真放大器中最常用的放大器。其结构有互补对称双管放大器和互补对称差分放大器两种。信号由不同极性的器件分别放大后在其输出端合成。由于它们工作在对称放大状态，具有类似差分的特性抵消失真中的偶次谐波，获得较低的失真度。鉴于此，我在这里用了沃尔漫电路。形式如图 4所示。 2.3输出级电路设计 根据以下条件来选择。电源电压与晶体管的选择应根据： T1 T2R31 .5 kR51 .5 kR P 11kVCCUiVbOUTT3T4图 3 共射 -共基差分电路 T1C 2 2 4 0T2C 2 2 4 0T4A 9 7 0T3A 9 7 0Q2K 1 7 0Q1K 1 7 0Q3J 7 7Q4J 7 7R11kR2100kR31 . 5 kR420kR51 . 5 kR611kR711kR81 . 5 kR920kR 1 01 . 5 kR P 11kINC1R 1 1- V C C+ V C Co u to u to u t o u t图 4 沃尔漫电路 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 6 VCC=来确定。为了留有裕量，实际电压值应比计算值高出 3 5。对输出管的要求： 为 40 80， fT 20M， BRCEO 2VCC 我们可以根据以上的公式来确定三极管的型号。如图 6所示，这是二级推挽射极接地功放。 这个 末级功放工作在甲类状态。三极管的型号已在图 6中标明。表 1所示是它的一些主要参数。当前面的低放管 Q5、 Q6的漏极电流 80mA时， 图 6所示功放输出功率 PO: PO=2*0.7*8 10W （ 6） 高保真音频放大器 整 体电路设计 3.1 整体电路图及工作原 理 T4C 5 2 0 0T3C 5 2 0 0T1A19 43T2A19 43R1 10R2 10R4R310*2R50 . 2 2 / 2 W * 4R6R7R8+ V C C- V C CL1C1104R910/2Wo u tININ图 6 末级功放电路 C1C2C6C9C 1 31 0 0 u / 2 5 VD51 N 4 0 0 4D2D3D4D1IC 1L M 7 8 1 2T2D 6 6 9 AT1C 9 4 5T3B 6 4 9 AT4A 7 3 3 36 *21N4004*4C3C4C5C 1 20 . 1 uC 1 10 . 1 uC8C 1 50 . 1 uC 1 40 . 1 uR11 . 8 KR21 . 8 KD633VD733V+ 12 V+ 31 . 5V- 3 1. 5 V220U/50v*20.1U*20 . 1U * 21 00 0U / 3 5V * 2图 5 电源 电路图 T1C2240T2 C2240T9 D667T7D669T8D667T5 B647T6 B647T4A970T3A970Q2K170Q1 K170Q3J77Q4J77Q5 K214Q6 J77R1 1kR2100kR3 1.5kR4 20kR5 1.5kR6 11k R711kR8 1.5kR9 20kR101.5kR111kR121MR1310kR14150R15300R1639k/1WR176.8kR1820/2W*2R19470 R20470R21RP11kRP21kRP310kD1D27.5vD31N4148C1100pC20.1uC3 0.1uC4 2.2uC5C60.1uC7C8 0.1uC968pC1068pINT4 C5200T3 C5200T1A1943T2A1943R110R210R4 R310*2R50.22/2W*4R6R7 R8+VCC-VCCL1C1 104R910/2Woutnts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 7 工作原理在前面的整体方案论证及各部分分力元件的介绍中已经阐述，这里不在详细说明。 3.2电路参数计算 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 8 VCC=为 40 80， fT 20M， BRCEO 2VCC ICM VCC/RL PCM=2（ 0.05VCC2/RL） +VCCIC PO=2*0.7*8 10W 3.3整机电路性能分析 甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器，在当今众多性能优良的放大器中，它仍有吸引人的音质。 甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子始 终工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器始终保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬间升降能讯速反映。因而输出功率发生急剧变化时，电源电流变化微乎其微。由这种强大的驱动者来推动扬声器就能轻而易举的获得高保真的重放效果。 三极管型号 特 征频率fT C-E 间的击穿电压 BRCEO C 最大充许电流 ICM C 最大耗散功率 PCM 2SC5200 FT 30M BRCEO 160V ICM 15A PCM 150W 2SA1943 FT 30M BRCEO -160V ICM -15A PCM 150W nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 9 第 4 章 设计总结 通过为期两周的实习，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题 ，要比考试的时候考虑的多的多。所以，一开始，我遇到了很多麻烦。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题 的全面性。 设计电路，还要考虑到它的前因后果。什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我的分析问题的能力。 原来，我们学习的电路只是一个理论知识，通过这次实习。使我的理论知识上升到了一个实践的过程。同时在实践中也加深了我们对理论知识的理解。 另外，这次实习不仅使我的电学知识有一个很大的提高，而且还使我学到了许多其他方面的知识。比如， 在计算机上制图，提高了我的动手能力。 总之，通过这次实习，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，
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