高保真音频功率放大器.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 高保真音频功率放大器高保真音频功率放大器 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2013 7 12013 7 1 2013 7 122013 7 12 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电子与信息工程学院 教研室 电子信息工程 学 号学生姓名专业班级 课程设计 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 4采用全部或部分分立元件设计一种音频功率放大器 5额定输出功率WP10 0 6负载阻抗 8 L R 7失真度 3 8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 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 III 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 IV 摘 要 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长 足的进步 回顾一下功率放大器的发展历程 对广大学生来说也许是一件饶有趣 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 功率放大器的作用是给音响放大器的负载 RL 提供一定的输出功率 当负载 一定时 希望输出的功率尽可能大 输出的信号的非线形失真尽可能的小 效率 尽可能的高 功率放大器的常见电路形式有 OTL 电路和 OCL 电路 有用运算放大 器和晶体管组成的功率放大器 也有专集成电路功率放大器 本设计采用 LM324D 进行前置放大 再采用甲乙类双电源互补对称电路进行功率放大 普通信号经由输入端输入到前置放大电路 通过 2 级同比例放大电路进行前 置放大 完成小信号的电压放大任务 LM324D 运放具有内部补偿功能 短路保护 输出 第一级放大倍数为 1 R5 R4 11 第二级放大倍数同为 11 倍 总体放大倍 数 121 倍 可有效的对小信号进行电压放大 信号经前置放大初步放大后进入后 级功率放大 功率放大采用射级输出 其电压增益为 1 输出的电压将保持不变 可对电流进行放大 从而输出电流增大 导致功率放大 关键词 LM324D 前置放大 功率放大 甲乙类 本科生课程设计 论文 IV 目 录 第 1 章 高保真音频功率放大器方案论证 1 1 1 高保真音频功率放大器的设计意义 1 1 2 高保真音频功率放大器的设计要求和技术指标 1 1 3 总体设计方案 2 1 3 1 方案论证 2 1 3 2 总体方案框图 4 第 2 章 高保真音频功率放大器各单元电路设计 5 2 1 直流稳压电源设计 5 2 2 前置放大级设计 5 2 3 功率放大器设计 6 第 3 章 高保真音频功率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 电路的参数计算与选择 8 3 2 1 输入级参数的计算与选择 8 3 2 2 输出级参数的计算与选择 8 3 3 电路的仿真结果 8 第 4 章 设计总结 11 参考文献 12 附录 I 总体电路图 13 附录 II 元器件清单 14 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 高保真音频功率放大器方案论证 1 1 高保真音频功率放大器的设计意义 高保真功率放大技术的发展 使整个音频功率放大技术领域发生了巨大的变 化 现代人对听觉水平要求越来越高 所以对音响的音质真实性要求越来越多 高保真音频功率放大技术克服了这个缺点 它能够如实的反映出声音信号的音色 音高和音强等音质状况本来面貌的能力 同时对声音信号进行必要的修饰和加工 1 2 高保真音频功率放大器的设计要求和技术指标 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WP10 0 3 负载阻抗 8 L R 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 本科生课程设计 论文 2 1 3 总体设计方案 1 3 1 方案论证 方案一 简要原理分析 当输出信号处于正半周期时 Q1 导通 Q3 截止 于是 Q1 以射极输出的形式 将信号传递给负载 同时向 C3 充电 因为 C3 电容量大 1 其上电压基本不变 维 持在 1 2VCC 当输出信号处于负半周时 Q3 导通 Q1 截止 已充电的 C3 充当 Q3 的电源 同时放电 Q3 也以射极输出形式将信号传输给负载 R9 这样在 R9 上 得到了完整的输出波形 如图 1 1 所示 图 1 1 完全分立元件阻容耦合多级放大器原理图 方案二 简要原理分析 采用 2 个同相比例放大电路对输入电压进行前置放大 小信号经前置放大后 再采用甲乙类电源互补对称电路对功率进行放大 其电压增益接近为 1 通过放 大电流 从而放大功率 如图 1 2 所示 本科生课程设计 论文 3 图 1 2 多级前置放大甲乙类互补对称功率放大电路原理图 对于以上两种方案均可达到本设计要求 方案一分立元件电路 电路中所用元器件多 成本高 焊接难 方案二中采 用 LM324D 进行前置放大 具有内部补偿功能 短路保护输出 后采用甲乙类双 电源互补对称电路 可有效的克服交越失真 通过比较 本设计采用方案二 根据本课题要求 所设计的功率放大器应由以下几部分组成 直流稳压电源 前置放大及功率放大 1 电源部分 采用 24V 直流稳压电源 2 信号放大部分 前置放大电路采用低噪声双运放 分别以相同放大的方式 作为信号放大 功率放大电路由甲乙类电源互补对称电路进行功率放大 本科生课程设计 论文 4 1 3 2 总体方案框图 24 24 初步放大 输入信号 24 24 图 1 3 总体方案框图 直流 稳压 电源 前置 放大 电路 功率 放大 电路 本科生课程设计 论文 5 第 2 章 高保真音频功率放大器各单元电路设计 2 1 直流稳压电源设计 基本原理 变压部分 通常采用变压器来实现 整流部分 一般桥式整流可采用 4 个整 流二极管接成桥式 也可以也可采用二极管整流桥堆 滤波电路 采用电容滤波 即可 稳压电路 可以采用集成稳压电路 图 2 1 直流稳压电源原理图 2 2 前置放大级设计 前端放大功能是完成小信号的电压放大任务 提高信噪比 失真度和噪声对 系其统的影响最大 是应该优先考虑的指标 本设计采用 2 个 LM324D 运放对电 路进行两级放大 LM324D 运放具有内部补偿功能 短路保护输出 第一级放大倍 数为 Av1 1 R5 R4 11 第二级放大倍数为 Av2 1 R8 R7 11 总体放大倍数 121 倍 可有效的对小信号进行电压放大 如图 2 2 所示 本科生课程设计 论文 6 图 2 2 前置放大器 2 3 功率放大器设计 功率放大器由甲乙类电源互补对称电路构成 可有效的克服交越失真 Q3 组 成前置放大级 Q1 和 Q2 组成互补输出级 静态时 在 D1 D2 上产生的压降为 Q1 Q2 提供了一个适当的偏压 使之处于微导通状态 由于电路对称 有信号时 由于电路工作在甲乙类 即使输入电压很小 基本上可线性的进行放大 因此这 种激励方法增益高 失真小 使输出获足够的激励 故输出功率大 效率高 如图 2 3 所示 图 2 3 功率放大器 本科生课程设计 论文 7 第 3 章 高保真音频功率放大器整体电路设计 3 1 整体电路图及工作原理 220V 市电经变压器 整流 滤波输出 24V 用此电源来给前置放大电路及 功率放大器提供电源 普通信号经由输入端输入到前置放大电路 通过 2 级同比 例放大电路进行前置放大 完成小信号的电压放大任务 LM324D 运放具有内部补 偿功能 短路保护输出 第一级放大倍数为 11 第二级放大倍数同为 11 总体 放大倍数 121 倍 可有效的对小信号进行电压放大 信号经前置放大初步放大后 进入后级功率放大 功率放大采用射级输出 其电压增益为 1 输出的电压将保 持不变 可对电流进行放大 从而输出电流增大 导致功率放大 如图 3 1 所 示 图 3 1 整体电路图 本科生课程设计 论文 8 3 2 电路的参数计算与选择 3 2 1 输入级参数的计算与选择 输入级选择 2 级 LM324D 对电路进行前置放大 电压增益 Av 根据虚短和虚 断的概念 Vp Vn Ip In 0 Vi Vp Vn Vf R4 R4 R5 Vo 从而可得电压 增益为 Av1 R4 R5 R4 1 R5 R4 1 10K 1K 11 Av2 R7 R8 R7 1 R8 R7 1 10K 1K 11 Av Av1 Av2 11 11 121 3 2 2 输出级参数的计算与选择 输出级选择甲乙类互补对称电路进行功率放大 输入信号 Vi 经放大倍数为 121 的两级同比例放大电路放大后输出电压 Vo1 121 Vi 因功率放大电路部分是 采用射级输出 电压增益接近为 1 所以输出电压 Vo Vo1 121 Vi 输出功率 Po Vo Vo R3 3 3 电路的仿真结果 仿真时 前端输入电压为 70mV 频率为 1000HZ 的小信号 图 3 2 整体电路仿真图 本科生课程设计 论文 9 图 3 3 整体电路仿真波形图 输入电压为 90mv 频率为 1000HZ 的小信号 本科生课程设计 论文 10 图 3 4 整体电路仿真波形图 当输入信号为 70mV 1000HZ 的低电压小信号 理论 Po Vo2 R3 9W 电路由 Multisim 仿真后 电路输出电压最大值为 10V 所以 Po Vomax 21 2 2 R3 Vomax2 2R3 7W 当输入信号为 90mV 1000HZ 的低电压小信号 理论 Po Vo2 R3 15W 电路有 Multisim 仿真后 电路输出电压最大值为 13V 所以 Po Vomax 21 2 2 R3 Vomax2 2R3 10 6W 因此该电路额定输出功率 Po 10W 符合设计要求 本科生课程设计 论文 11 第 4 章 设计总结 本设计通过方案对比选出如下方案 220V 市电经变压器 桥式整流 滤波以及运放输出 24V 用此电源来给前 置放大电路及功率放大器提供电源 普通信号经由输入端输入到前置放大电路 通过 2 级同比例放大电路进行前 置放大 完成小信号的电压放大任务 LM324D 运放具有内部补偿功能 短路保护 输出 第一级放大倍数为 Av1 1 R5 R4 11 第二级放大倍数同为 11 倍 总体放 大倍数 121 倍 可有效的对小信号进行电压放大 信号经前置放大初步放大后进入后级功率放大 功率放大采用射级输出 其 电压增益为 1 输出的电压将保持不变 可对电流进行放大 从而输出电流增大 导致功率放大 采用 LM324D 运放 LM324 适合于电源电压范围很宽的电电源使用 也适合用 于双电源工作模式 在推荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用 范围包括传感放大器 直流增益模块和其他所有可用单双电源供电的使用运算放 大器的场合 具有短路保护输出 内部补偿功能 电压增益高 单位增益频带宽 等特点 通过 Multisim 仿真软件对电路进行仿真后 结果满足设计要求 完成本设 计 本科生课程设计 论文 12 参考文献 1 康华光主编 电子技术基础 模拟部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 1 2 周亦武编著 放大电路指南 福建科学技术出版社 2004 10 3 童建华主编 音响设备技术 北京 电子工业出版社 2004 9 4 王静波编著 电子技术试验与课程设计指导 北京 电子工业出版社 2011 11 5 黄永定主编 音响技术及应用 北京 机械工业出版社 2007 9 6 陈汝全主编 电子技术常用器件应用手册 北京 机械工业出版社 1994 6 7 周惠潮编著 常用电子器件及典型应用 北京 电子工业出版社 2007 4 8 邱关源编著 电路 北京 高等教育出版社 2006 5 9 何希才编著 新型稳压电源及应用实例 北京 电子工业出版社 2004 1 本科生课程设计 论文 13 附录 I 总体电路图 本科生课程设计 论文 14 附录 II 元器件清单 元器件名称元器件参数元器件名称元器件