音频功率放大器

中南民族大学 中南民族大学 课 程 设 计 课 程 模拟电子课程设计 题 目 音频功率放大器 学 院 计算机科学学院 专 业 自动化 年 级 2009 姓 名 学 号 09064076 指导教师 2011 年 6 月 8 日 指导教师评语： 总分： 指导教师签名： 电子技术课程设计 评分 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 项目 子项目 满分 得分 1．作品 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 10 50 制作质量 20 完成效果 20 2．设计 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 方案论证 10 40 电路、计算，或仿真 10 调试、测试数据 10 规范性 10 3．其他 工作态度 5 10 答辩 5 总分 100 电子技术课程设计 任务书 设计题目： 音频功率放大器 学生姓名： 学号： 专业班级： 自动化3班 一、设计条件 1．可选元件 （1）运算放大器 、场效应管、大功率晶体管 （2）电阻、电容、电感、电位器若干 （3）导线若干 2．可用仪器 万用表，示波器，交流毫伏表，信号发生器，直流稳压电源 二、设计任务及要求 根据技术要求和已知条件，完成选题电路的设计、装配与调试。 2．设计要求 （1）直流稳压电源供电，多级电压、功率放大 。 （2）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数，选择元件，画出总体电路原理图，阐述基本原理。（用Proteus或MultiSim软件完成仿真） （3）安装调试并按规定 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 写出课程设计报告书。 三、时间安排 1．第9周：布置设计任务，讲解设计要求、实施计划、设计报告等要求，完成选题。 2．第10～14周：完成资料查阅、作品设计、模拟仿真，领取元件、实际制作。 3．第15～16周：制作并调试设计作品。 4．第17周：作品检查、评价、验收，撰写设计报告。 5．第18周：抽选作品答辩，提交设计报告。 指导教师签名： 年 月 日 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要 1 关键词 1 1 绪论 2 2 需求分析 2 2.1 设计任务及要求 2 2.1.1 设计任务 2 2.1.2 设计要求 3 2.2 设计思想 3 3 设计方案 3 3.1 方案论证 3 3.1.1 前置放大电路 3 3.1.2 功率放大电路 4 HYPERLINK \l "_Toc287996993" 3.2 工作原理 4 4 电路详细设计 5 4.1 前置放大电路分析 5 4.2 功率放大电路分析 5 5 实验结果 5 5.1 前置放大实验 5 5.2 各级单元电路测试结果实验 6 5.3 总评测试实验 6 5.4 结果分析 6 6 结论 7 6.1 设计成果 7 6.2 设计特点 7 6.3 存在问题及改进方法 7 参考文献 7 致谢 7 附录A 电路全图 8 附录B 元器件清单 9 音频功率放大器 摘要 这次的模拟电路课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放，音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。 我主要采用了两种方法对其进行了分析和设计，一种利用了LM386集成芯片对其进行放大输出，另一种是利用二极管进行偏置的互补对称电路，即分立元件进行设计放大。期间遇到了不少问题，不过好在在老师的指导，同学的帮助下终于成功调试成功，听到了悦耳的嗡嗡声，设计题目也算比较圆满的完成了。 在设计的过程中，首先对自己的设计思路有个整体的认识，即对音频功率放大器的原理了解，在查阅了很多资料，以及对实验器材有了初步了解以后，利用课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的基本知识，通过对两种方法的对比评析确定了下面的课程设计。 本文设计了音频功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用Protel 99SE软件设计完成原理图 。本系统有匹配对称三极管完成前置放大级和功率放大级最后将音频小信号转变成大信号的功能。通过对所设计的音频功率放大器进行实验测试，达到了最大输出功率、放大倍数、失真度等技术指标。具有最大输出功率稳定，工作效率较高，频率响应失真较小，把小信号转变成大信号功能的分立元件功率放大器。基本达到了任务书的要求。 在社会当中，功放俗称“扩音机”他的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱防声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。 功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。 关键词 音频功率放大器 LM386 1​ 绪论 1.1  引言 伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。 如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。 鉴于音频分析仪价格高、适用范围窄等特点，本文应用了目前流行的基于LabVIEW的虚拟仪器技术软件平台，结合高性能的PCI－6024E数据采集卡来完成各种测试。 1.2  音频功率放大器概述 音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。 60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。 1.3 本课题的目的 功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有数控机床的电机驱动，有应用于新型磁轴承开关，也有在电力电子控制技术种的应用。在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。但所有的功率放大器，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固四年来所学的知识，在实践中锻炼自己，在锻炼中提高自己专业水平。 2 需求分析 2.1 设计任务及要求 2.1.1 设计任务 采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大器 2.1.2 设计要求 直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，要求： ① 3dB通频带：20Hz～20kHz ② 放大倍数：≥40dB ③ 输入阻抗：≥10kΩ ④ 输出功率：5W / 8Ω负载 2.2 设计思想 音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。前置放大主要完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。 =5W ,倍放大倍数：≥40dB,即总放大倍数大于100倍。 2​ 设计方案 2、1 第一种设计方案： 2、1、1 前端放大器的设计 由于话筒提供的信号非常弱，要在音调控制级前加一个前置放大器。考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器ua741。 前置放大电路是由ua741放大器组成的一级放大电路，放大倍数 ，即1+R2/R1，取R2=100KΩ电位器,R1=2KΩ,所用电源Vcc=+12V，Vee=-12V。经过前级运放的放大， 放大倍数由R2可调。 2、1、2​ 功率放大器的设计 由于实验室实验仪器的限制及要求，我们的第一种方案选用了LM386型单片集成功率放大电路，其主要特点是：上升随率高、瞬态互调失真小；输出功率比较大；外围电路简单，使用方便；体积小；内含各种保护电路，工作安全可靠。 我们选择功率运放电路的增益为200，即把LM386的运放调节电路两端短路。 由 Av= =200 所以 U0=8V 进而得出 P0= = =8W > 5W 。 其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf，R3=4.7K ,RL=8 . Av= 实验用电路图 其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf,R1=2K ,R2=100K ,R3=4.7K ,RL=8 . 2、2​ 第二种设计方案： 2、2、1​ 前端放大器的设置 在前端放大器设计中设计方案与设计一相同，即由ua741放大器组成的一级放大电路，不过将放大倍数设置为40，即1+R2/R1=40，取R2=390KΩ,R1=10KΩ,所用电源Vcc=+12V，Vee=-12V。 经过前级运放的放大，由Av’= = =40，可以得到Ui=400mv。于是我们得到了下一级功率放大电路的输入电压。 2、2、2​ 功率放大器的设计 这一部分的功率放大电路选用了分立元器件组成的功率放大器，其结构就是集成功率放大器的的内部结构，其特点就是对于电路结构了解的清晰明了，更好的掌握电路。缺点就是复杂，难理解，使用起来非常不方便，而且容易损坏器件。 由前级放大得到的电路得到了输入电压Ui=400mv，然后输入功率放大器，其中的T1又对信号的电压进行放大，T1选择3DG6三极管，它的放大倍数10~30，可以得到电压U0：4v~12v，由P0= 得到P0：2w~18w符合P0>2w的要求。 2、2、3 实验用电路图 其中参数：R1=10K ,R2=390K ,R3=1K ,R4=10K ,R5=10K ,R6=47K ,RL= 8 ,C1=14.7uf，C2=100uf，T1选择3DG6,T2选择3DG6，T3选择3DG21，D1选择2CP10,D2选择2 CP10。 3、1设计方案的选择 3、1、1第一种方案的评述 通过对两种方案的比较我们可以看出，第一种方案无疑是比较好的方案，我们可以从这几个方面来作为依据选择第一种方案。 按照第一种方案我们可以达到课程设计所要达到的要求，结果比较准确，受外界干扰较小， 而且第一种方案的实现非常的简单，电路容易理解，实验容易进行，能够尽少的减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够更好的保护实验器件，减少不必要的损失。 3、1、2第二种方案的评述 第二种方案在某些情况下也可以达到实验要求，但是有其不可避免的缺点以及不合理性，下面对其作出评析：对于三极管T1来说，它的放大倍数是不确定的，这就导致了输出功率的不确定，直接导致了第二种方案有可能不能够满足课程设计的要求。 从第二种方案的设计我们可以得到：由前级放大得到的电路得到了输入电压Ui=400mv，然后输入功率放大器，其中的T1又对信号的电压进行放大，T1是3DG6三极管，它的放大倍数为10~30倍，可以得到电压U0：4v~12v，由P0= 得到P0：2w~18w符合P0>2w的要求。 功率P0的范围是2W~18W 最大不失真输出的功率：P0,max= * = =9W 通过第二种方案得到的功率的范围是不符合最大不失真输出功率的要求的，而且通过对第二种方案的电路图的分析我们可以看出，第二种方案的电路图比较复杂，连接比较困难，理解也是比较困难的，所以这种方案在最终确定的时候是要被舍弃的。 3、1、3方案的最终确定 最大不失真输出的功率：P0max= * = =9W; 每支晶体管的最大允许管耗 Pcm>0.2Pom=1.8W; 最大集电极电流 Icm> = =1.2A; 反向击穿电压 |Ueco|>2Ucc=24v。 通过对第一种方案的分析可以看出它的设计是符合以上功率放大电路的各种要求的。再结合以上的各种评论，我们有充足的理由选择第一种方案。 3.1 方案论证 总体设计思路框图： 图3-1 方案框图 3.1.1 前置放大电路图 图3-2 前置放大电路 此部分基本能实现预订功能 ，结果如下： 20hz的测试波形 20khz的测试波形 3.1.2功率放大电路图 图3-3 功率放大电路 此部分RC低阶滤波效果不是很好，实际测量的时候在上限截止频率的时候有点失真，说明低阶滤波的衰减比较大，这里的设计有待改进，测试结果如下： 20hz的测试波形 20khz的测试波形 3.2 工作原理 图3-4 功率放大总电路图 音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。其原理如图3-1所示，前置放大主要完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。 =5W,输出电压U =  =6-7V，要使输入为10mv的信号放大到输出的6-7V，所需的总放大倍数为600-700>100。 4 电路详细设计 4.1 前置放大电路分析 图4-1 前置放大电路 此电路简洁方便实现前置放大，放大倍数由R2和R1的比值确定。uA741通用高增益运算通用放大器,早些年最常用的运放之一.应用非常广泛, 双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压±22V,差分电压±30V,输入电压±18V,允许功耗500mW.其管脚与OP07（超低失调精密运放）完全一样，所以选择此芯片完全能实现要求 。 4.2 功率放大电路分析 　　 此部分选择LM386芯片，因为静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电。 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 外围元件少。 电压增益可调，20-200。 低失真。C4为去耦电容，C1滤掉直流，C2和R3构成低阶滤波。 图4-2 功率放大电路 5 实验结果 另外,我们还进行了频域的分析.我们知道,人类耳朵的听觉范围是 20Hz-20kHz,因 而我们需要对其进行频域的分析扫描, 分析前的设置定频率范围是 20Hz-20kHz, 结 果如下: 图 2.6 仿真分析(时域)结果曲线 可以看出来,输入是 100mV(最大值)的电压,经过功率放大之后得到的是 3.2-3.3V (最大值)的输出电压.300 多倍的放大倍数可以满足我们的需求,并且同时也满足理论 上的设计. 另外,我们还进行了频域的分析.我们知道,人类耳朵的听觉范围是 20Hz-20kHz,因 而我们需要对其进行频域的分析扫描, 分析前的设置定频率范围是 20Hz-20kHz, 设置与结 果如下: 图 2.7 频域特性分析扫描结果曲线 在上面的曲线图中可以看出,该电路图的频率特性非常好,中间的峰值是 30.4 分贝, 20Hz 是 28.9 分贝, 20kHz 时是 29.7 分贝, 其最大的分贝下降也不过是 1.5 分贝 (=30.4-2 8.9)要求.另外设置的 1kHz 的峰值也是与理论完美结合. 5.1 前置放大实验 表5-1 前置放大结果 （k） （k） （mv） （mv） 实测 2 20 20 200 11 10.9 2 40 20 400 21 20.8 2 60 20 600 31 31 2 80 20 800 41 40 5.2 各级单元电路测试实验 各级单元电路测试结果如表5-2所示。 表5-2 各级单元电路测试结果 前置放大级 功率放大器 （mv） 20 400 （mv） 400 4000 实测 20.8 10 5.3 总评测试实验 测试结果如表5-3所示。 表5-3 总评测试结果 （mv） 20 输入信号频率f（hz） 1000 800 20000 100 40 （mv） 4000 3896 3765 3568 3321 41 38.5 36.2 33.4 32.1 5.4 结果分析 在输入频率大于于20khz时出现交越失真.波形如下： 在频率输入为1khz时为最大不失真，波形如下： 6 结论 6.1 设计成果 在本次课程设计中 ，通过电路设计，仿真，实际焊接测量，基本能满足要求，在输入信号段输入不同的信号，输出端的喇叭会发出不同的响声，当在输入端接上音乐时，输出端会想起悦耳的音乐，说明设计成功。 6.2 设计特点 实现非常的简单，电路容易理解，实验容易进行，能够尽少的减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够更好的保护实验器件，减少不必要的损失。 6.3 存在问题及改进方法 如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，我们还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。然而这乃是在用高投入成本来获得实际效果增加不多。事实上，当人们把功率放大器的输出功率制做得很巨大时，它也成为中高音单元喇叭的致命杀手！而且使用级后分频方式，在使用到高中低三个单元喇叭的情况下就开始明显表现不佳，级后分频方式仅能在二分频情况下表现得比较良好。只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，我们才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果 ，本次用功放芯片能基本满足课题要求。 参考文献 [1] 康华光．《电子技术基础（模拟部分）》（第四版）．武汉：高等教育出版社，2005.7 [2] 高吉祥 《模拟电子技术电子》工业出版社，2004 [2] 彭介华 电子技术课程设计指导》高等教育出版社，2002 [3] 陈大钦《电子电路实验、设计、仿真》高等教育出版社，2002 [4] 童诗白、华成英 《模拟电子技术基础》高等教育出版社，2006.5 致谢感言 历时二周的课程设计结束了，这给我们带来了不可磨灭的深刻印象，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个过程是充满乐趣和成就感的，在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，不能出现实验结果的情况，经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，才一步步的解决问题，并最终得出实验结果。 在这一周的课程设计中，我的收获是巨大的，首先，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计理念中，这是一个不断成长和成熟的过程。 第二，我学会了怎么去做一个设计者，再设计的过程中，我们必须不断提高，必须通过不间断的学习来解决一个又一个难题，更重要的是遇到难题时我们应该抱有一个平淡的心态，以一个寻求答案的，渴望的思想去找到解决问题的方法，最终将问题解决。 第三，我明白了基本的理论知识和实践设计的差别，好多理论上可以执行的东西有时候是调试不出来的，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是实验设备的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探寻和调试才可以达到目的。 第四，这次课程设计让我得到了很多在课堂上无法获得的知识，以及解决问题的方法，对我来说，这是一次成功的课程设计，实践，永远是熟练自己知识的最根本的方法。 最后 ，感谢所有在本次课程设计中帮助过我的老师和同学，没有你们的无私帮助，我可能就不能完成这次任务，谢谢你们！ 附录A 电路全图 附图A-1 完整电路图 附录B 元器件清单 附表A-1 元器件清单 序号 名称 型号 pcr仪的中文说明书矿用离心泵型号大全阀门型号表示含义汽车蓄电池车型适配表汉川数控铣床 封装 单位 数量 备注 1 电阻 2k 1 2 电阻 4.7k 1 3 电位器 100k 1 4 电容 220uf 1 5 电容 0.1uf 2 6 扬声器 8欧 1 7 功放芯片 LM386 1 8 运放芯片 UA741 1 9 单面板 10x15cm 1 10 导线 若干