音频功率放大器设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

摘要随着当今社会的飞速发展,人们的生活要越来越高,同时随着音响技术的发展,人们对音响质量的要求也越来越高，为了满足人们的需求，设计音频功率放大器，它耗能少、效率高。主要是采用分离元器件组成的OTL功率放大电路。OTL功放最显著的特点就是电源利用率高，耗能少，相同条件下要比OCL功放输出的功率要大得多。本次电路设计主要分前级放大电路和OTL功率放大电路，一般输入的音频信号电压相当小，大约为十几毫伏，因此在前级加一级电压放大电路，对微弱的输入信号进行放大。选取负载功率为0.5W，在这里的整个电路的放大倍数较大，除了后级少量的放大倍数，剩余的就分配给前级放大电路。在电路中为了提高质量，还考虑加入了很多滤波电路以净化信号和电源，同时也加入了反馈电路和保护电路。OTL功放在较小的直流电压下，也可以获得较大的输出功率，它不仅可以用于大功率输出情况，也可以用在低压供电情况下，这样就可以节约能量，给人们带来很多方便。这个电路简单易懂，并且好仿真，为了学以致用，因此运用学过的知识设计OTL分离元器件功放。关键词前置放大级；电子开关；功率放大级I目录摘要.1第章绪论.2第2章设计方案及框图.32.1功率放大器的介绍.32.1.1按所用的放大器件分类.32.1.2按输出级与扬声器的连接方式分类.32.1.3按输出管的偏置和工作状态分类.42.2功率放大器的主要技术指标.42.2.1输出功率.42.2.2频率响应.42.2.3输入阻抗.52.2.4信噪比.52.3方案选择.52.3.1放案选择.52.3.2方案框图.5第3章OTL音频功率放大器设计.63.1单元电路设计.63.1.1电源电路设计.63.1.2电子开关电路设计.73.1.3前置功率放大级电路设计.73.1.4推动级电路设计.83.1.5OTL互补对称功放电路设计.93.2整机电路工作原理.9第章电路仿真与调试.114.1MULTISIM10仿真软件介绍.114.2输入波形调试与观察.11II4.3输出波形的调试与观察.124.4输入与输出波形的调试与观察.13总结.15致谢.16参考文献.17附录1整机原理图.18附录2元件明细表.19第0页共19页第章绪论音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了很大的进步。回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件很有趣味的事情。半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。早在60年代以前，电子管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用A类(甲类)或AB类(甲乙类)，并由变压器与负载偶合。随后，使用锗器件的设计首先出现，但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难，热逃逸这个词由此诞生。之后硅材料的NPN型半导体管出现，在一段时期里，绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖于输入和输出变压器进行偶合。显然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，再加上其低频和高频相移，严重地限制了可安全使用的负反馈量，从而增加了其伤害性。后来，人们已认识到在功率晶体管和8扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变压器了。于是出现了无变压器的Lin氏电路组合，从而构成了准互补输出级。因为当时已有相当不错的PNP激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成NPN型管，合适的互补功率器件，出现在60年代后期。这时，全互补输出级立刻证明了它比准互补电路具有失真较小的优点。大约在同一时期由于晶体管差放对已成为人们熟悉的电路单元，直流偶合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。根据现在人们消费和生活质量的提高，对音频功率放大器的要求也相对有了更高的基准，一个新型高效率音频功率放大器可以带来很高的效益，所以有很多的企业和个人投入到了对高效率音频功率放大器的设计之中。第1页共19页第2章设计方案及框图2.1功率放大器的介绍功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器已经经历了几个不同的发展阶段：电子管功放、晶体管功放、集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型。2.1.1按所用的放大器件分类可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器）目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放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温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，仅是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦一些，其缺点是耗电大、体积大、电子管有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到0.05%以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，若能把其离散性较大的缺点加以克服，场效应管放大器将有更为强大的生命力。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，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。2.1.2按输出级与扬声器的连接方式分类经常使用的功率放大器有OTL电路、OCL电路、BTL电路等形式。第2页共19页OTL电路：它是一种无输出变压器式推挽功放电路，输出极与扬声器之间采用电容耦合，在收音机中常见。OTL电路具有便于集成化，频率性好等优点。OCL电路：该电路是OTL电路的改进型，工作原理电路结构与OTL电路相同但它的输出极与扬声器之间采取直接耦合的方式，可进一步改善低频响应和失真度。BTL电路：它是两对互补对称桥式电路组成，功率大、失真小，工作状态发生变化时容易烧坏。2.1.3按输出管的偏置和工作状态分类可分为甲类（A类）、乙类（B类）、甲乙类（AB类）、丙类和丁类。甲类（A类）：当输入正弦波信号时整个周期内输出管总处在导通工作状态，其特点是失真小但效率低耗电多。乙类（B类）：输出管仅导通半个周期，另外半个周期截止，其特点是输出功率大效率高但失真较大。甲乙类（AB类）：输出管导通时间大于半个周期，其输出功率随信号的大小而变化。甲乙类放大器既可以避免产生乙类放大器的交越失真，又可以解决A类放大器功耗过大的问题,还能在低负载阻抗时较好的工作。丙类(C类)：丙类放大器每只输出管的导通时间均小于半个周期，其输出波形为不连续的脉冲信号.虽然效率高，但是失真也较大。丁类(D类)：丁类放大器的工作状态为开关(PWM脉冲)状态或者完全导通。其优点是效率高，功耗低，缺点是有瞬态响应失真，输出噪声辐射干扰大。2.2功率放大器的主要技术指标2.2.1输出功率它则反映了音频放大器对信号的放大能力和对负载的驱动能力。根据不同的标定方法它有额定功率和峰值音乐功率。其中额定功率是指：放大器能长期承的正弦交变功率。它也是标准的输出功率。锋值音乐功率是指：放大器在处理信号时能瞬间输出最大功率。第3页共19页2.2.2频率响应它是放大电路对不同频率的正弦信号的稳态响应。它反应了放大器能够不失真放大信号的有效频率范围。同时也反映了音频放大器对音频范围内各种频率成份的放大能力。它包括幅频特性和相频特性。幅频特性表示：幅度放大倍数与频率的关系。相频特性表示：电压放大倍数的相位与频率的关系。二者的综合全面表征了放大电路的频率响应（或频率特性）。2.2.3输入阻抗是指放大器在输出端的等效阻抗，它的大小影响放大器的带负载能力，输出阻搞越小，带负载能力越强。2.2.4信噪比是指放大器输出的信号电平与噪声电平的比值，用S/N表示，单位用dB，它越大表示放大器性能越好。2.3方案选择2.3.1放案选择方案一：采用专用的功放集成芯片。LM1875是一款功率放大集成块，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大驱动级采用集成片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。方案二：功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，根据设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。故本系统设计选用方案二。该方案的优点是：技术成熟，外围元器件多，保护功能较完善，调试简单，便于扩功等。2.3.2方案框图本任务的电路有四部分组成，分别为电子开关、前置放大级、推动级、和功放放大级，方框图如图2-1所示：第4页共19页前置放大级推动级功率放大级8欧姆扬声器电子开关图2-1功放组成框图第5页共19页第3章OTL音频功率放大器设计最简单的音频功率放大器也称作为功率接续器。在现实生活中已被广泛使用。比如，电脑、MP3、收音机、VCD、DVD，相当的普遍，其音色也相当不错，但是，它只能通过耳机放音，且输出功率小从而不能推动喇叭，如果我们制作一个在较小电压下能输出很大声音的功放，那是大家都想看到的。3.1单元电路设计3.1.1电源电路设计该电路由降压变压器、桥式整流电路和电容滤波电路三部分组成，如图3-1所示。该电路主要是功放进行供电。图3-1电源电路原理图工作原理：先由变压器T1将220V的交流市电电压降压为4.5V的交流电压，变压器的匝数比是48.8：1，当交流电压为正半周的时候，V2，V4导通，V1，V3截止。得到正半周的电压。当交流电压为负半周的时候，V2，V4截止，V1，V3导通。得到反相的正半周的电压。经过整流得到脉动直流电压。再经和构成的电容滤波电路滤除交流成分后输出稳定的4.5V直流电压。2C3D1的作用是隔离限幅，R1,R2分压，F1A保险管起保护作用。第6页共19页3.1.2电子开关电路设计电子开关电路如图3-2所示，整机供电电源为4.5V-5.5V，可由电源或三节干电池来提供。当供电小于4V时，会有较大失真；当供电超过6V时，要烧坏功率三极管V5和V6(图3-4)。电源电子开关主要由三极管V1和V2构成，为了便于分析，将电子开关部分电路重画与图3-2的。电路中，电阻R1、R3、Rw1为V1和V2的偏置电阻，同时Rw1又是音量调节电位器。当开关K断开时，V1、V2均工作于截止状态，此时，电源指示灯LED不亮，流过负载RL的电流为零，即切断各级放大电路电源。当开关K闭合后，+4.5VR1信信信信R3信信信信信R2+4.5VRLV1V2LEDKRw1图3-2电子开关电路经过V1和V2的发射结、电阻R3、开关K、电位器Rw1到地构成回路，产生V2的基极电流，该电流经V2放大后，使三极管V1进入深度饱和状态。由于V1的饱和压降很小，+4.5V几乎全部加在负载上，即接通各级放大电路的电源，同时电源指示灯LED点亮，电阻R2为LED的限流电阻。在这里需要注意两点，一是为了防止音频信号损失过大和电源干扰信号进入放大电路，电阻R3的阻值一定不能太小；二是为保证三极管V1能进入深度饱和，V1和V2的电流放大系数应尽可能选大一些。3.1.3前置功率放大级电路设计如图3-3所示开关K闭合后，音频信号经C1耦合送至由三极管V3构成的前置放第7页共19页大级，R4和C3构成电源滤波电路，用于消除噪声和干扰信号，同时R4和Rw2又是前置放大级的偏置电阻，调节Rw2的滑动触头，可改变V3的静态值。C1V3C3VCCRw2R4信信信信图3-3前置功率放大级3.1.4推动级电路设计如图3-4所示为三极管V4构成功放的推动级，它和V3之间采用直接耦合方式，这样可避免信号在传输过程中的损耗。C4是自举电容，保证输出电压有足够的幅度。C6是电源低频滤波电容，用以滤除电源的交流成分。C7是高频滤波电容，用于滤除高频杂音。第8页共19页图3-4推动级电路3.1.5OTL互补对称功放电路设计如图3-4所示在OTL电路中V5和V6构成了OTL互补对称功放电路，R8、R9、D和R10为其偏置电路，同时二极管D和R10还用以消除交越失真。音频信号经功率放大，经耦合电容C8后去驱动扬声器。电路中的R11和C9组成容性负载，以抵消喇叭音圈电感的部分感性，对功放管V5和V6起到保护作用。V6Q5LSDR8R9R10R11C9VCC+C8图3-4OTL互补对称功放第9页共19页根据前述，最大输出功率计算如Po=RlUcesV2)1/(若忽略饱和压降Uces1,假设扬声器Rl=8,则有Po=0.5Wlc8245.为了防止出现严重的非线性失真，功率管不能工作在接近饱和的区域，因此，实际上本电路的正常输出功率不超过0.5W。3.2整机电路工作原理通过对电源电路、电子开关电路、OTL互补对称功放电路的设计与分析，现在就可以作出整机电路的框图以及对整机电路工作原理的分析。整机电路原理图如附录1所示。它由四部分组成，分别为电子开关、前置放大级、推动级、功率放大器。工作原理：首先是信号的提取，可以由电脑、MP3、收音机、VCD、DVD的耳机插孔来提供；信号提取后经C1耦合送入下一级前置放大级由三极管V3进行电压的放大；电压放大后把信号送入到下一级三极管V4构成的推动级，它和V3之间采用直接耦合方式，这样可避免信号在传输过程中的损耗；最后将信号送入功放由V5和V6构成的OTL互补对称功放电路；最后带动0.5W、8负载。为了达到最佳效果，调节电位器Rw2使电路中A点电位为2.25V左右。调节电位器Rw1应能开关电源，并能调节扬声器的音量。音调控制电路的作用主要是为了满足听音者自己的听音爱好，通过对声音某部分频率信号进行提升或者衰减，使整个的声场更加符合听音者对听觉的要求。第10页共19页第章电路仿真与调试本设计采用的是软件multisim10来进行的仿真，首先按照音频功率放大器的设计原理图在仿真软件中连接原理图，并连接原理图的过程中注意元件的参数设置。4.1Multisim10仿真软件介绍Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)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。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例。它具有这样一些特点：1.通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路。通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为。2.借助高级电路分析,理解基本设计特征。3.通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。4.通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。4.2输入波形调试与观察用信号发生器输入正弦波代替音频信号，要求输入的频率在频率范围3003400Hz之间，我们首先选择=1.5KHz的信号作为输入信号，如果输入较大电压的信号会使三f极管处于饱和状态，输出波形完全失真，经过调试选择输入频率=1.5KHz电压为f10mVp的信号，调节示波器得到如图4-1波形。第11页共19页图4-1输入波形4.3输出波形的调试与观察在仿真过程中输出波形有较严重的交越失真效果如图4-2所示。图4-2输出交越失真波形第12页共19页调节电位器Rw2使A点的电压在2.25V左右使得功放达到最佳效果，从而减小交越失真输出如图4-3所示波形。图4-3正常的输出波形4.4输入与输出波形的调试与观察输入频率1.5KHz，大小为10mV的信号，可观察到输出波形如图4-3所示，可f得到输出功率Po0.5W。第13页共19页图4-3输入与输出波形通过调试可以发现采用前置信号放大器在一定程度上可以提高输出电压，但是中间级电路易失真而导致输出严重失真，前级放大器与功率放大器连接后输出电压很小，这是因为功率放大器的输入电阻很小导致电压放大倍数不高，可以通过减小前级放大器输入电阻和增大功率放大器输入电阻的方法来提高输出电压。第14页共19页总结随着我国教育体制结构的调整，高等职业教育的发展受到用人单位和社会的广泛关注。高等职业教育肩负着培养生产、服务、管理第一线的德、智、体、美、劳全面发展的高等技术应用型专门人才的重任。我们大专毕业生应该具备较强的理论水平，又要有足够的实践能力，而通信技术专业是实践性很强的学科体系，其毕业设计不仅包括电路设计、印制板设计、电路的组装和调试等实践内容，还要清晰的反映学生理论知识的实际应用能力，使理论和实践得到统一。在对我们的大学生涯做一个全面总结的同时，也为我们以后培养职业能力、创新精神、实践能力和创业能力打下坚实的基础。随着电子技术的飞速发展，扩声电路应用越来越广泛，它的种类也越来越繁多。功放集成电路是一种大规模的集成电路。使用功放集成电路，通过简单的外接电路即可获得语音或是各种模拟的声响。功放集成电路价格便宜，电路结构简单，工作稳定可靠，耗电省，所以在简单的电子产品中广泛应用。此次毕业设计是我们从大学毕业走向未来的重要一步。从最初的选题，开题到计算直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改电路，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了话筒扩声放大电路的用途及工作原理，熟悉了的扩声电路的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和基础知识的一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。当然，在这次毕业设计中我真心的感谢王老师及电子工程系其他老师给予我的帮助与支持，还有同学给我的建议与帮助使我顺利的完成了本次毕业设计。这使我的专业知识得到了强化，能够将所学到的知识很好的运用到实际之中来，毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料，分析数据，但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有第15页共19页所贡献的人，为中国电子工业添上自己的微薄之力。第16页共19页致谢在此要感谢王老师对我悉心的指导，感谢母校给我这样的机会锻炼。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。再次感谢不经意间给了我很多灵感的人。谢谢你们