小功率放大器设计论文

1、上海电力学院模拟集成电路分析与设计题目： 小功率语音放大电路 院系： 计算机与信息工程学院 专业： 电子科学与技术 年级： 2008141 姓名： 韩张 学号： 20082646 指导老师： 阮颖 第一章 绪论1.1 绪论日常生活中，我们常接触到各种音响设备，譬如扬声器，它为什么能把我们微弱的声音放大呢？这肯定离不开功率放大电路。功率放大电路的发展已经有一个世纪了，它是最基本的放大电路。既然它这么有用，又这么基本，我们又能不能把它设计出来呢？下面，让我们一起来探讨小功率放大电路的设计吧！在电子电路中，输入信号常常受各种因素的影响而含有一些不必要的成份（即干扰），或者输入信号是不同频率信号混合在

2、一起的信号，对前者应设法将不必要的成份衰减到足够小，而后者应设法将需要的信号提取出来。而且随着社会的发展，在我们的日常生活中也经常会出现一系列的问题：如在检修各种机器设备的时候，我们要根据故障设备的异常声来寻找故障，这种异常的声响的频谱覆盖面往往很广；同时另外的一种情况我们在打电话的时候，有时往往因声音或干扰太大而难以听清对方的声音，这时我们就需要一种既能放大语音信号又能降低外来噪声的仪器。而且语音放大电路目前的运用很广泛：适用于很多的家用电器上面的运用。例如：便携式收音机、对讲机等很多方面的运用。为了达到这样的一个目的，我们就要考虑到设计一个能识别3003000HZ频率范围内的小信号放大系统

3、，我们可以用设计一个集成运算放大器组成的语音放大电路。1.2 设计任务与要求1.2.1 设计任务设计一个小功率语音放大器。既能放大话音信号，又能降低外来噪声。1.2.2 技术指标各基本单元电路的设计条件分别为：前置放大器输入信号： 输入阻抗： 共模抑制比： 有源带通滤波器带通频率范围： 功率放大器最大不失真输出功率： 负载阻抗： 输出电压有效值： 电源电压： , 输出功率连续可调直流输出电压： (输出开路时)静态电源电流： （输出短路时）总体电路 总放大倍数： 1.2.3 要求（1） 根据设计要求和已知条件，确定前置放大电路，有源带通滤波电路，功率放大电路的方案，计算和选取单元电路的元件参数。

4、（2） 前置放大电路的组装和调试。测量前置放大电路的电压增益Au，并与设计要求值进行比较。（3） 有源带通滤波电路的组装与调试。测量有源滤波电路的电压增益Au，带宽fBW，并与设计要求值进行比较。（4） 功率放大电路的组装与调试。测量功率放大电路的最大不失真输出功率Pom、电源供给功率Pv、输出效率、直流输出电压、静态电源电流等技术指标。（5） 整体电路的联调和试听。1.2.4 分析（1） 电压增益的分配要求电压总增益约为350，放大电路分为四部分。输入级主要索取信号电压，可以是电压跟随器，电压增益为1。考虑到电压总增益不大，而后面还要接功率放大电路，故前置放大电路电压增益不能取太大，约为10

5、为好。带通滤波电路，主要用于滤波，但略有增益。高通和低通合起来可取电压增益约为2.4。那么，功率放大电路电压增益要控制在20以内。（2） 使用价值随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，模拟电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。在多级放大电路中，输出的信号往往都是送到负载，去驱动一定的装置。而语音放大电路的主要功能就是放大微弱的声音信号，一个正常的语音放大电路应该实现以下功能： 具有电压放大功能。通过传感器将声音信号转变成微小的电压信号，再利用集成运放的放大功能将其放大成比较大的电压信号，以作为后一级的输入信号电压，保证后级电路

6、的正常工作。 具有功率放大功能。前置放大级输出的放大了的电压信号作为功率放大级的输入信号，经此级电路之后得到的输出应具有较高的功率，能驱动本实验中的负载101的喇叭，将从输入级输入的声音信号不失真地进行放大。不过既然为小功率语音放大电路，放大能力就不是很强，而且只能放大小信号，输出信号也不大。只适用于输出声音不要求很大的语音设备。比如MP3、收音机之类的。（3） 优缺点该语音放大电路，制造简单，成本低。但是实用性不强，只使适用于小功率放大，而且带宽不大。第二章 电路的设计1.3 框图设计语音放大电路由“输入级”、“前置放大电路”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成。该放大

7、电路的原理框图如图2-1所示。图2-1语音放大电路原理框图1.4 各模块电路的设计1.4.1 输入级当放大电路与信号源相接就成为信号源的负载了，它必从信号源索取电流，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。因此输入电阻越大，就表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路得到的输入电压越接近信号源电压，即信号源内阻上的电压就越小，信号电压损失越小。所以可以连接一个电压跟随器作为放大电路的输入级。电路如图2-2-1所示。图2-2-1电压跟随器 在实验条件下，可取R1=R2=10k。1.4.2 前置放大级 在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经过放大后多用单端方式传输。放大器输入

8、漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗，高共模抑制比，低漂移的小信号放大电路。 由于集成运算放大器是高增益的直流放大器，利用它可以实现放大功能，故前置放大电路采用反相放大器。在实验条件下，放大器的增益为Au2R4/R3。电路如图2-2-2所示。图2-2-2反相比例运算电路 综合考虑，前置放大级可分配增益Au2=10,实验条件下可取R3=10k,R4=100k,R5=10k。1.4.3 有源带通滤波器 滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同

9、一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。 用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串接起来可以实现Butteworth通带响应，如图2-2-3所示。用该方法构成的BPF的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号

10、噪声比（S/N）的音频带通滤波器。根据要求和实验条件，可取R8=R12=47K,R9=R13=27K,故高通电路与低通电路的电压增益都为：Au3=1+R9/R8=1+R13/R12=1+27/471.57总电压增益为：Au3=1.57*1.572.46 图2-2-3 宽带BPF根据带通频率范围：300Hz3kHz,可设C1=C2,R6=R7;C3=C4,R10=R11。在实验条件下，可取C1=C2=0.068F，C3=C4=0.0068F由得R6=R7=7.8k,取标称值R6=R7=8.2k;同理，由可得R10=R11=7.8k,取标称值R10=R11=8.2k1.4.4 功率放大器功率放大器

11、用来放大电流，使信号能够驱动负载（喇叭）。要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。在这个实验中，可用8端集成功放LM386作为单片集成功放器件。它性能优良，功能齐全，并附加有各种保护、消噪声电路，外接元件大大减少，易于安装。电路如图2-2-4所示。图2-2-4 LM386功放电路通过计算可得C5=0.1F C6=470F C7=10F C8=0.01F C9=100F C10=10fR14=10k R15=10 R16=10k R17=10(负载)1.4.5 整体连接 根据以上各模块电路形式，综合考虑，可选用LM324型通用型运放。把各模块连接起来，组成如图2-2-5所示实际电

12、路。图2-2-5放大电路整体实物连接图第2章 电路的调试2.1 各模块的调试2.1.1 电压跟随器 按图2-2-5组装电路，经检查无误后，输入一定频率一定电压的信号。用示波器观察电压跟随器的输入输出波形。如输入一频率为1kHz，电压峰峰值为0.3V的信号，在示波器上可以看到，输入输出波形重合。调整输入信号的频率及电压大小，可以看到输出波形跟着变化，输出波形始终与输入波形重合。这与电压跟随器的特性完全相符，且误差为零，说明电压跟随器能正常工作。2.1.2 前置放大器把信号从电压跟随器的输出端输进去，即直接从反相比例运算电路的输入端输进，并把其输出端接到示波器上观察其输出波形。输入信号：f=1kH

13、z,Ui2opp=0.3V。输出：Uo2opp=2.85V电压增益为：Au=Uo/Ui=2.85/0.3=9.5与理论值误差为：误差在允许范围内，电路能正常工作。2.1.3 有源带通滤波器（1） 高通滤波器电路 把输入信号直接接到滤波器输入端，保持输入信号电压不变，改变输入信号频率，观察并记录其输出电压，把相关数据记录在表3-1中。表3-1 高通滤波电路幅频特性数据记录表（Uiopp=0.30V，电压匀为峰峰值）f/Hz50100150200250285300350400450500U1opp/V0.020.070.140.160.250.330.340.380.420.440.45Au0.0

14、70.230.470.530.831.111.131.271.401.471.50续表f/Hz6007008009001k5k10k20k50k100kU1opp/V0.460.460.470.480.480.470.410.410.360.24Au1.531.531.571.601.601.571.371.371.200.08可知，fL=285Hz与理论值误差为：平均电压增益约为：Au=1.57与理论值相符。误差都在允许范围内，由此可知带通滤波器工作正常。（2） 低通滤波器电路 按（1）中方法测出低通滤波器的幅频特性的相关数据，并记录于表3-2中。 表3-2低通滤波电路的幅频特性数据记录表（

15、Uiopp=0.30V,电压匀为峰峰值）f/Hz105001k1.5k2k2.5k3k3.5k3.6k4kU2opp/V0.470.480.480.460.450.430.390.350.330.30Au”1.571.601.601.531.501.431.301.171.101.00续表f/Hz4.5k5k5.5k6k7k8k9k10k15k20kU2opp/V0.240.220.180.150.120.090.070.060.040.03Au”0.800.730.600.500.400.300.230.200.130.10由低通幅频特性曲线可知，fH=3.6kHz相对误差为：平均电压增益为

16、：Au”=1.60相对误差为：误差在允许范围内。造成低通滤波器上限频率过大的主要原因，可能是电阻电容的真实值与标值相差甚远。但上限频率比理论值大，这是符合要求的（fH3kHz）。 结论：低通滤波器的设计符合设计要求，且能正常工作。（3） 有源带通滤波电路把输入信号接到滤波器的输入端，带通滤波器输出信号接到示波器上，测出其幅频特性数据记录于表3-3中。表3-3带通滤波器幅频特性数据记录表（Uiopp=0.30V,电压匀为峰峰值）f/Hz1050100150200250300350400450500Uo3opp/V0.010.040.100.140.240.380.480.580.620.650.

17、67Au30.030.130.330.470.801.271.601.932.072.172.23续表f/Hz6001k1.5k2k2.5k3k3.5k3.7k4k4.5k5kUo3opp/V0.680.690.690.680.640.590.520.480.450.380.32Au32.272.302.302.272.131.971.731.601.501.271.07续表f/Hz5.5k6k6.5k7k7.5k8k9k10k20k50k100kUo3opp/V0.260.220.190.160.140.120.100.080.040.020.01Au30.870.730.630.530.4

18、70.400.330.270.130.070.03可知，fL=300Hz,fH=3.7kHz,fBw=fH-fL=3.7-0.3=3.4kHz对应的误差为：=0 上限频率误差较大，但实际值比理论值大，所以符合设计要求。电压益大概为：Au3=2.27而理论值为：所以相对误差为： 由此可判断有源带通滤波器设计正确，且能正常工作。2.1.4 功率放大器把信号接到功放电路，输入一频率为：f=1kHz，幅值有效值为Ui=0.10V的正弦波信号。用示波器测出其输出电压，用万用表测出其输电流及电源电流。其测量结果如下：输出： 电源电压为 电流所以,电压增益为：相对误差为：最大不失真输出功率为：相对误差为：电

19、源供给功率：输出效率为：功放电路误差较大,造成误差的主要原因可能与集成LM386运放器有关。电路经多次检测，匀无法修正，只能将就了。2.2 电路的联调2.2.1 输入级与前置放大级联调输入一定频率幅值的电压信号，用示波器观察输入输出波形，并计算其电压增益。通过示波器可观察到： 故电压增益为：误差为：误差在允许范围内，调试结果：电路没问题。2.2.2 输入级至有源带通滤波器的联调输入电压信号，保持输入电压不变，从带通滤波器输出端观测输入级到有源带通滤波器电路的幅频特性。测出相关数据并记录于表3-4中。表3-4输入级前置放大电路有源滤波器联合电路的幅频特性数据记录表（，输出电压为有效值）f/Hz1

20、050100150200250300350400450500Uoopp/V0.40.71.92.63.24.55.25.96.46.86.9Au1.32.36.38.710.715.017.319.721.322.723.0续表f/Hz6001k1.5k2k2.5k3k3.5k3.6k4k4.5k5kUoopp/V7.27.37.16.86.45.95.35.24.43.73.0Au24.024.323.722.721.319.717.717.314.712.310.0续表f/Hz5.5k6k6.5k7k7.5k8k9k10k20k50k100kUoopp/V2.51.71.31.00.80.

21、70.60.50.40.20.1Au8.35.74.33.32.72.32.01.71.30.70.0由此可知，fL=300Hz,fH=3.6kHz,fBw=fH-fL=3.6-0.3=3.3kHz对应的误差为：=0 虽然上限频率误差较大，但实际值比理论值大，所以还是符合设计要求。电压益大约为：Au3=24.3而理论值为：所以相对误差为：误差在允许范围内，电路能正常工作。2.2.3 整体联合调试(1) 各性能指标的测试整体调试，这时再也不能像上面那样随便输入一电压信号，因为这是小功率语音放大器，只能放大小信号。根据要求，输入电压有效值约为：。故可取电压峰峰值为：的输入信号进行整体调试。这时，其

22、有效值约为：。 输入一频率为：f=1kHz，电压峰峰值为的正弦波信号。用示波器测出其输出电压，用万用表测出其输电流及电源电流。其测量结果如下： 输出： 电源电压： 电流：电压增益为：误差为：最大不失真输出功率为：误差为：电源供给功率：输出效率为：为了皱合放大倍数,不顾输出电流,做成功率误差较大,功放电路不过合理。(2) 幅频特性测试同样选取频率为：f=1kHz，电压峰峰值为的正弦波输入信号。保持其电压不变，不断改变信号频率，测出其对应的输出电压峰峰值，记录在表3-5中。 表3-5小功率语音放大电路的幅频特性数据记录表（，输出电压为有效值）f/Hz105010015020025030031035

23、0400Uoopp/V0.20.41.42.73.04.86.26.47.48.0Au6.713.346.790.0100.0160.0206.7213.3246.7266.7续表f/Hz4505006008001k1.5k2k2.5k3kUoopp/V8.48.68.89.09.08.88.78.07.4Au280.0286.7293.3300.0300.0293.3290.0266.7246.7续表f/Hz3.5k4k4.5k5k5.5k6k7k8k9k10kUoopp/V6.45.64.63.83.32.82.11.61.31.1Au213.3186.7153.3126.7110.093.370.053.343.336.7可知，电路的上下限频率分别为： 与理论值误差为： 虽然上限频率误差较大,但实际值比理论值要大,这是符合设计要求的。(3) 总结综上所述，除了最后的功率放大器不太理想，其它部分经过调试匀符合要求。造成误差是多方面，有仪器本身固有的误差、电路的接触不良、导线的短路、短线电阻的存在以及元件标值的误差等。2.3 调试故障分析与解决方案2.3.1 电压跟