音频小信号功率放大电路设计实验报告

摘要本次电路设计课题是音频小信号放大电路，它属于模拟电路课程设计，所以实验中就需要用到大量的模拟电路知识。对于音频小信号放大电路它是由两级放大电路组成，第一部分是运用到了两级负反馈放大电路，旨在放大电压，第二部分OCL功率放大电路采用复合三极管，目的放大电路电流。两部分放大电路的设计根本目的就是为了将小信号放大为一个大信号而不失真。失真这是设计音频放大电路中的一个难点，电路的巧妙设计可以有效的避免失真，电容的运用是解决失真的关键。目录1选题背景 21．1指导思想 21．2方案论证 21．3基本设计任务 21．4发挥设计任务 21．5电路特点 32电路设计 32.1总体方框图 32.2工作原理 33各主要电路及部件工作原理 33.1第一级—输入信号放大电路 43.2NE5532简要说明 53.3第二级—功率放大电路 63.4直流信号过滤电路 64原理总图 75元器件清单 76调试过程及测试数据（或者仿真结果） 76.1仿真检查 86.1.1第一级仿真检查 86.1.2第二级仿真检查 96.2通前电检查 106.3通电检查 106.3.1第一级电路检查 106.3.2第二级电路检查 106.3.3完整电路检查 106.4结果分析 107小结 108设计体会及今后的改进意见 118.1体会 118.2本方案特点及存在的问题 118.3改进意见 11参考文献 121选题背景在科技发达的现代社会随声听、收音机、mp3、mp4、电视机、手机、电脑……极大丰富了我们的日常生活，这些产品在使用时时常会有音频的播放，而这些产品本身配带的音频播放装置往往功率较小，难以带给人们想要的音乐效果与震撼。因此音频小信号功率放大器就有着广泛的运用空间，能够让人们尽情享受音乐激情与活力。正因为如此我对音频小信号放大电路产生了浓厚的兴趣，希望通过自己的知识和能力亲自动手设计和制作这样一款产品。1．1指导思想利用运算放大器构成第一级放大电路对输入信号进行放大；把放大后的信号接入第二级功率放大电路进行功率放大。1．2方案论证方案一：可使用NE5532配合集成功放TDA2030进行功率放大。这样实现电路简单方便且电路的实现效果会很好，但由于题目要求不允许使用集成音频功放所以此方案不符合，故舍弃此方案。方案二：用NE5532运算放大器对输入信号进行放大，然后用2N3904/2N3906和TIP41/42配合设计成的功率放大电路对放大后的信号的进行功率放大，在输出端加上扬声器实现对音频小信号的功率放大。经论证采取方案二。1．3基本设计任务（1）放大倍数Av≥1000；（2）通频带100Hz~10KHz；（3）放大电路的输入电阻Ri≥1M;（4）在负载电阻为8的情况下，输出功率≥2W；（5）功率放大电路效率大于50%；（6）输出信号无明显失真。1．4发挥设计任务在OCL电路中运用一个可调电位器对电路进行调节消除元器件本身误差。可由手动调节使功率互补放大电路完全对称。1．5电路特点（1）放大倍数大，可以达到1000倍以上；（2）通频带宽，适用于多种音频小信号的放大；（3）输出信号质量好，无明显失真；（4）输出功率较大；（5）放大电路效率高，在60%以上；2电路设计2.1总体方框图输入信号输入信号负反馈放大负反馈放大负反馈放大负反馈放大OCL功率放大输出到负载OCL功率放大输出到负载图2-1总体方框图2.2工作原理信号接入电路后，通过用电容过滤掉输入信号中的直流部分首先经第一个NE5532与电阻33k和1k组成放大倍数为34倍的负反馈电路，再进入第二个放大倍数为36倍的负反馈电路。输入信号经两个负反馈电路放大已经达到1224倍，在流经电路会造成一定衰减但放大倍数依然能够达到1000倍以上。信号经第一级放大放大后经过电容过滤掉直流信号后流进第二级功率放大电路，通过两个复合管构成的OCL互补放大电路对电路进行功率放大。整个电路实现对输入信号的功率放大。3各主要电路及部件工作原理3.1第一级--输入信号放大电路图3-1NE5532负反馈放大电路工作原理：Au1=（R2+R3）/R2=(33k+1k)/1k=34倍Au2=(R5+R6)/R5=(35k+1k)/1k=36倍Au=Au1*Au2=34*36=1224倍所以由第一级连续两个负反馈放大电路理论放大倍数能达到1224倍，虽然在电路中会发生衰减，但是衰减后依然能够大于1000倍。对信号的放大倍数能够达到1000倍以上。3.2NE5532简要说明图3—2NE5532实物图NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。图3—3NE5532封装图3.3第二级--功率放大电路图3-4OCL互补功率放大电路工作原理：由2N3904和TIP41构成一个NPN型的复合管，2N3906和TIP41构成一个PNP型的复合管。用复合管增大对电流的放大系数，以此实现对功率的放大。使用了二极管和电阻配合消除电路的交越失真问题。3.4直流信号过滤电路图3-5直流信号过滤电路工作原理：使用电容形成交流通路将电源中产生的交流信号引入接地，避免其对电路产生影响。在输入信号后接电容阻挡输入中附带的直流信号，使信号中的直流信号不能流入从而避免直流信号对放大电路的影响。4原理总图图4-1原理总图5元器件清单表5-1元器件清单标号名称参数数量NE5532AINE55321C1、C2、C3、C4、C6、C8电解电容10uF6C7电解电容47uF1C5、C9陶瓷电容0.1uF2R1、R4电阻1M2R2、R5电阻1k2R3电阻34k1R6电阻36k1R7R8电阻1002R9电阻10k1R10扬声器5w81R11电位器20k11N4001二极管22N3904三极管12N3906三极管1TIP41A三极管26调试过程及测试数据（或者仿真结果）为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。6.1仿真检查在仿真软件上画好电路图后放上信号发生器和示波器，调整好输入信号。6.1.1第一级仿真检查。1.断开第二级，将信号发生器接入电路输入信号。将示波器连接到第一级的第一个负反馈输出上，调整输入信号的频率，仿真查看波形。波形如下：图6-1第一个负反馈的输出波形2.将示波器连接到第二个负反馈输出上观察波形如下：图6-2第二个负反馈的输出波形经过仿真，观察波形可知电路第一级放大电路完好，输出波形未发生失真；6.1.2第二级仿真检查输入信号调整到20V的Vp-p连接到第二级的输入上，观察输出波形如下图：图6-3第二级输出波形（1）图6-4第二级输出波形（2）经过仿真，观察波形可知第二级功率放大电路可以完美的实现功率放大且不发生失真。6.2通电前检查电路安装完毕后，经检查电路后确认各部分电路接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错。6.3通电检查6.3.1第一级电路检查断开第二级后通电接上输入信号。在第一级的第一个负反馈输出上连接示波器观察波形，示波器上出现了杂乱无章的波形。经检查发现接地处理没有连接，连接后波形不出现失真，与仿真所示图结果一样。第一个负反馈电路经验证无误。在第一级的第二个负反馈输出上连接示波器观察波形，波形不出现失真，与仿真所示图结果一样。第二个负反馈电路经验证无误。综上所述，第一级放大电路功能完好实现。6.3.2第二级电路检查将输入信号调整到20V的峰峰值连接到第二级的输入上，将输出接到示波器上观察发现波形不出现失真，即第二级电路功能玩好。6.3.3完整电路检查直接将第一级电路和第二级电路相连，将输出接到示波器上观察发现波形不出现失真，测量负载上的电压计算功率可以达到2w以上。所以完整电路功能玩好。6.4结果分析本设计方案在电路中采用了OCL互补功率放大电路。有效防止了交越失真，且在互补功率放大电路中其效率。经计算其效率能满足达到60%以上。所以不论在放大倍数、功率放大、还是效率上都能够满足要求。7小结本次设计电路运用了两级放大，在第一级进行输入信号的放大，第二级进行功率的放大，有效改善了电路的失真现象。在第二级采用OCL互补功率放大电路有效消除了输出信号的交越失真；同时，OCL电路中还使用了可调电位器，可调节电阻使OCL电路对称更加准确，严格控制了失真问题。理论设计完成后使用了Multisim电路仿真软件对理论电路进行验证检查。确认电路原理无误后，购买了元器件，进行焊接，连接电路和调试。调试过程中采取了分级逐步调试的方法，避免了两级之间相互可能会发生影响，同时这样检查电路也可以较容易找到电路的问题出现在哪一块，其次这样检查还有效减小电路损坏的损失。经过上述步骤后终于完整的完成了整个实物作品。经通电检验作品确定功能实现完好：放大倍数，放大功率、效率以及作品的通频带均满足设计要求，整个实物作品完成。8设计体会及今后的改进意见8.1体会通过这次的数电实践体验，让我受益匪浅，在整个设计过程中运用到了很多我们学过的模拟电路知识，既是对知识结合实践的运用，也对知识有了更深一层次的理解。对以后学习知识，运用知识有很大的帮助。在设计实践中也遇到了很多问题，从收集积累资料、画理论图到仿真焊接电路以及调试。都是经过一次次的尝试、修正与更改才最终完成。当然付出了辛勤与汗水后，还是有很多收获的。理论总是偏理想化的，在实际中会遇上各种不同的实际困难。在处理了这些问题后我不仅熟悉了仿真软件Multisim的使用与操作，还学会了多种调试电路的方法和电路中一些细节处理的方法。调试中又多次使用了信号发生器和示波器等常用电路调试仪器，对很多操作和知识加深了巩固。本方案特点及存在的问题特点：（1）放大倍数大，超过1000倍，达到放大目标；（2）放大效果好，输出信号不失真；（3）通频带宽，可对多种音频小信号进行放大；（4）自激很小；（5）电路简单易做，成本较低。问题：（1）带负载能力存在不足，需要进行调试；（2）波形可能会出现上下不对称的现象。8.3改进意见1使用集成音频功放，放大的效果会更突出。