模電課程設(shè)計(jì)--音頻功率放大電路

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　1、設(shè)計(jì)題目：音頻功率放大電路</p><p>　　2、設(shè)計(jì)任務(wù)目的與要求：</p><p>　　要求：設(shè)計(jì)并制作用晶體管和集成運(yùn)算放大器組成的音頻功率放大電路，負(fù)載為揚(yáng)聲器，阻抗8。</p><p>　　指標(biāo)：頻帶寬50HZ～20kHZ，輸出波形基本不失真；電路輸出功率大于8

2、W；輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K。</p><p>　　模電這門課程主要講了二極管，三極管，幾種放大電路，信號(hào)運(yùn)算與處理電路，正弦信號(hào)產(chǎn)生電路，直流穩(wěn)壓電源。功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載RL（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出頻率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出的信號(hào)的非線性失真盡可能小，效率盡可能高。功率放大器的常見電路形式有OTL電路和OCL電路。有用繼承運(yùn)算放大器和晶體管組成的功率放

3、大器，也有專集成電路功率放大器。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是一個(gè)OTL功率放大器，該放大器采用復(fù)合管無(wú)輸出耦合電容，并采用單電源供電。主要涉及了放大器的偏置電路克服交越失真，復(fù)合管的基本組合提高電路功率，交直流反饋電路，對(duì)稱電路，并用multism軟件對(duì)OTL功率放大器進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電路圖和給定的原件參數(shù)，使用multism軟件模擬電路，并對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，動(dòng)態(tài)分析，顯示波形圖，計(jì)算數(shù)據(jù)等操作。</p><p><b

4、>　　3、整體電路設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　?、欧桨副容^：</b></p><p>　　①利用運(yùn)放芯片 LM1875和各元器件組成音頻功率放大電路，有保護(hù)電路，電源分別接+30v和-30v并且電源功率至少要50w，輸出功率30w。</p><p>　?、诶眠\(yùn)放芯片TDA2030和各元器件組成音頻功率放大電路，

5、有保護(hù)電路，電源</p><p>　　只需接+19v，另一端接地，負(fù)載是阻抗為8的揚(yáng)聲器，輸出功率大于8w。</p><p>　　通過(guò)比較，方案①的輸出功率有30w，但其輸入要求比較苛刻，添加了實(shí)驗(yàn)難度。而方案②的要求不高，并能滿足設(shè)計(jì)要求，所以選取方案②來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p><b>　?、普w電路框圖：</b></p>

6、<p>　　⑶單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇：</p><p><b>　?、賳卧娐吩O(shè)計(jì)：</b></p><p>　　功率放大器按輸出級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置可分為甲類、乙類和甲乙類三種；若按照輸出級(jí)與負(fù)載的耦合方式，甲乙類又可分為電容耦合 （OTL 耦合）、直接耦合（OCL 電路）和變壓器耦合三種。變壓器耦合容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但體積大， 較笨重。又OCL電路電源輸

7、入要求較高，所以采用OTL電路。采用單電源的OTL電路不需要變壓器中間抽頭，但需要在輸出端接上大電容，且低頻特性不如OCL好。根據(jù)“虛短”、“虛斷”的原理，利用電阻的比值，可求得電路所需的放大倍數(shù)，其中可加入一個(gè)電位器替代反饋電阻，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)電路放大倍數(shù)的調(diào)整。因?yàn)楣β史糯箅娐肥亲非笤陔娫措妷捍_定的情況下，輸出盡可能大的功率，可以采取OTL電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了提高轉(zhuǎn)換功率，我們要對(duì)電路進(jìn)行改善，這主要圍繞功率放大電路頻率響應(yīng)的改善和消除

8、非線性失真來(lái)改進(jìn)電路，因此要用到若干個(gè)電阻電容來(lái)保護(hù)電路。OTL電路會(huì)產(chǎn)生交越失真，為了消除這種失真，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路中的兩只放大管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通的狀態(tài)，這可以通過(guò)加入兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦浴；蛘邔蓚€(gè)有一定對(duì)稱性的NPN和PNP三極管的基極分別和TDA2030的兩個(gè)電</p><p><b>　?、谠骷x擇：</b></p>&

9、lt;p>　　如下面的系統(tǒng)原理圖所示，C2為輸入耦合電容，應(yīng)選取較小的電解電容；R1、R２、R3和C7的作用是組成運(yùn)放TDA2030的輸入偏置電路，取R1=R2=R3，可計(jì)算得TDA2030正向輸入端的電壓為0.5VCC，而電容C7的作用是可以穩(wěn)定這個(gè)電位。另外，R3是為了防止輸入信號(hào)被C7短接到地而設(shè)的。C6是高頻退耦電容，應(yīng)選用較小的陶瓷電容或獨(dú)石電容；C3是濾波電容，應(yīng)選用較大的電解電容。C4、R4、和R11構(gòu)成交流負(fù)反饋，

10、控制交流增益，對(duì)于音頻信號(hào)，可以近似地認(rèn)為C4短路，所以功放的增益為1<<1+R11（有效部分）/R4<<1+100/3.3=31.3。對(duì)于直流信號(hào)，可認(rèn)為C4斷路，所有輸出信號(hào)反饋到反向輸入端，所以直流增益為1。取R6=R8和C8可起著保證TIP31和TIP32的基極電壓相等，從而減少了推挽電路的交越失真。而R7和C5可以濾除TDA2030輸出的高頻信號(hào)。二極管D1、D2保護(hù)運(yùn)放免受揚(yáng)聲器的感應(yīng)電壓而造成損害。

11、電容C1是輸出耦合電容，能夠改善電路的低頻特性，要用容值較大的電解電容。C9和R10能對(duì)揚(yáng)聲器的相位進(jìn)行補(bǔ)償，能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性。運(yùn)放TDA20</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　用高通濾波器和低通濾波器將信號(hào)分成高頻，低頻兩個(gè)部分，進(jìn)入不同的電路中。選用有源二階濾波器電路調(diào)節(jié)高低音。在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值

12、，改變電路增益，來(lái)達(dá)到達(dá)到高低音調(diào)節(jié)的目的。</p><p>　　為了降低電源電壓要求，選用OTL電路。為了消除交越失真，在兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱管基極之間連接一個(gè)二極管和變阻器，以提供偏置電壓。由于OTL電路是電流放大電路，因此需在前面加上一個(gè)前置放大，用于電壓放大，以帶動(dòng)OTL電路。穩(wěn)定兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱管射極電壓在左右，使電路能夠正常工作。</p><p>　　電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)電路圖</p>

13、;<p><b>　　電路結(jié)構(gòu)圖如下：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)電路如下：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的電路總圖：</b></p><p><b>　　元件清單如下：</b></p><p>　　電路調(diào)試過(guò)程與結(jié)

14、果:</p><p><b>　?、贉y(cè)試頻帶寬：</b></p><p>　　調(diào)節(jié)電位器R11的阻值，經(jīng)過(guò)測(cè)試可得其中一個(gè)電路的下限截止頻率為fL=6.41Hz，上限截止頻率為fH=127.481kHz。當(dāng)然在50HZ～20kHZ頻率范圍內(nèi)電路輸出不失真，這滿足條件“頻帶寬50HZ～20kHZ，輸出波形基本不失真”的要求。在實(shí)驗(yàn)室里也經(jīng)過(guò)測(cè)量，顯示可以在50HZ～20

15、kHZ頻率范圍內(nèi)電路輸出不失真。</p><p>　　②測(cè)量輸出電壓放大倍數(shù):</p><p>　　測(cè)試條件：直流電源電壓19v，輸入信號(hào)峰峰值為100mv，輸入頻率為1KHz，電位器R11的有效阻值為66k，負(fù)載電阻8。輸入和輸出的波形如下圖所示：</p><p>　　輸出電壓峰峰值為：Uo=Ui*【1+R11(有效部分)/R4】 </p>

16、<p>　　放大倍數(shù)：Ao=1+R11（有效部分）/R4=1+66/3.3=21 </p><p>　　仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較：</p><p>　　由上表可知，實(shí)際上輸出電壓放大倍數(shù)：Au≠21</p><p>　　誤差分析：因?yàn)樵膶?shí)際數(shù)據(jù)大小與理論的大小存在差異,譬如金屬膜電阻的阻值誤差為1%或5%，電容的容值誤差也有5%～20%。實(shí)際上1n40

17、01、TIP31、TIP32等元器件跟仿真軟件所表現(xiàn)出來(lái)的特性不是完全一樣的。同時(shí)，音頻集成放大芯片發(fā)熱量比較大，比較容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，從而也導(dǎo)致了一定的誤差。另外，在實(shí)測(cè)中讀數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。</p><p>　?、蹨y(cè)量最大不失真功率：</p><p>　　根據(jù)理論可得最大不失真功率為,Uo為輸出電壓峰峰值。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在19V的直流電源，8負(fù)載作用下，調(diào)節(jié)電位器R11，使其允許的

18、最大不失真輸入信號(hào)為Ui=600mv,其最大不失真功率為:Po=8.4w>8w。也滿足“電路輸出功率大于8W”條件。</p><p>　　④測(cè)量輸入靈敏度為100mV時(shí)的輸入阻抗：</p><p>　　在信號(hào)輸入端接上兩個(gè)萬(wàn)用表，分別測(cè)量輸入端的電壓和電流，得Ui≈70 .71mV，Ii≈716.48nA，所以輸入阻抗為Ri=Ui/Ii=98.69K>>47K，明顯也滿足

19、“輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K”的條件。</p><p><b>　　3參數(shù)分析與計(jì)算</b></p><p><b>　　3.1音調(diào)調(diào)節(jié)電路</b></p><p>　　集成運(yùn)放選用LM324</p><p>　　20Hz到20kHz中間頻率</p><p>

20、;　　低通濾波器截止頻率</p><p>　　根據(jù)公式選取R=10k，C=0.001。</p><p>　　同理計(jì)算高通濾波器取R=68k，C=0.001。</p><p>　　R1和是音調(diào)幅度調(diào)節(jié)，取R1=10k,Rf為50k的滑動(dòng)變阻器。</p><p><b>　　3.2功率放大電路</b></p>

21、<p><b>　　3.2.1工作電壓</b></p><p>　　根據(jù)最大不失真平均功率公式設(shè)計(jì)功率3W，負(fù)載電阻8，可算得Vom(max)=7V</p><p>　　因?yàn)閛tl電路充其量只能達(dá)到，為了保證波形不失真，電源適當(dāng)取大，我們?nèi)‰娫?8V。</p><p>　　3.2.2其他元件參數(shù)</p><p&g

22、t;　　i.靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置及三極管選擇。</p><p>　　根據(jù)其參數(shù)范圍，T1管選2SC2655,T2管選2SA1020。T3管為前置放大，選取低噪的9014.</p><p>　　為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，T3管的靜態(tài)工作點(diǎn)。所以設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)=8V，Ic=15mA。為了使電路正常工作，K點(diǎn)電位應(yīng)達(dá)到。</p><p><b>　　Ii電阻選擇</b

23、></p><p>　　為了方便調(diào)節(jié)，R1取3.3k，R2取100k電位器。Rc3取360,R3取1k可調(diào)電阻。</p><p><b>　　Iii電容及其他</b></p><p>　　C1,Ce為耦合電容和旁路電容，為了提高低頻響均取1000；C3為提拉電阻，取100。C2充當(dāng)負(fù)電源應(yīng)滿足</p><p>　　

24、所以C2選取4.7mF</p><p>　　D1取IN4001，R4和D1作用調(diào)節(jié)以消除交越失真，R4取2k電位器。</p><p><b>　　4仿真與調(diào)試</b></p><p><b>　　4.1音頻調(diào)節(jié)電路</b></p><p><b>　　頻率特性曲線</b><

25、;/p><p><b>　　4.2音頻放大電路</b></p><p><b>　　輸入三角波</b></p><p><b>　　輸入正弦波</b></p><p><b>　　輸入方波</b></p><p><b>　　

26、5設(shè)計(jì)體會(huì)及收獲</b></p><p>　　這個(gè)學(xué)期我們開設(shè)了《模擬電路》這么課程，這門課程屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)有莫大的聯(lián)系，給予我們以理論上的指導(dǎo)?！凹埳蠈W(xué)來(lái)終覺淺，絕知此事要躬行”，在模電點(diǎn)課程一結(jié)束之后，緊接著就有了一場(chǎng)讓我們學(xué)以致用，講課上所學(xué)應(yīng)用在實(shí)踐中的課程設(shè)計(jì)。這次的課程設(shè)計(jì)是很及時(shí)的，因?yàn)槲覀儗W(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的，因此本次課程設(shè)計(jì)給予了我

27、們一次機(jī)會(huì)來(lái)鞏固理論，來(lái)更深刻地認(rèn)識(shí)模擬電路。</p><p>　　初次接受音頻放大器這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先面臨的難題就是從理論上來(lái)構(gòu)建音頻放大器的雛形。首先想到的就是從書本上開始尋找各個(gè)部分的相應(yīng)的電路圖，終于在幾天的研究之后將各個(gè)部分都一一找全。緊接著就是參數(shù)的計(jì)算問(wèn)題，在于同組的其他成員一同奮戰(zhàn)之后，參數(shù)最終確定下來(lái)。之后就是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，可是幾次的仿真之后都會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，重新計(jì)算了參數(shù)之后，方

28、針終于可以成功地達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，讓我真的學(xué)到了很多，不僅體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的魅力，也對(duì)于自己的動(dòng)手能力進(jìn)一步提高了，更加深了對(duì)于理論知識(shí)的理解，同時(shí)也懂得了只要付出汗水，總會(huì)得到回報(bào) 。 </p><p>　　同時(shí)，作品所用元器件較少，電源輸入要求較低，頻帶寬6.41HZ～127.481kHZ，輸出波形基本不失真，電路輸出功率大于8W，輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗高于47K，能夠基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的任務(wù)要

29、求；電路中有TDA2030的保護(hù)電路，另外在輸出部分能對(duì)揚(yáng)聲器的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性，作品用了TIP31C和TIP32C組成的推挽放大電路，能夠較少TDA2030的功耗，使TDA2030的發(fā)熱量減少；電位器R11能夠?qū)崿F(xiàn)電路增益的調(diào)整。</p><p><b>　　缺點(diǎn)有：</b></p><p>　　①功率不是很高，最大輸出功率只

30、有8.4W；</p><p>　?、赥IP31C和TIP32C的功耗都比較大，集電極電流輸出不是很大；</p><p>　?、?.2mf的電解電容存在電感，電路的低頻特性不是很好；</p><p>　?、茈娐返碾娫摧斎胗捎跊]有保護(hù)電路，若在調(diào)試時(shí)正負(fù)電源接反可能會(huì)把芯片燒壞。</p><p>　　針對(duì)4個(gè)缺點(diǎn)各自的改進(jìn)方案：</p>

31、;<p>　　缺點(diǎn)1：采用雙電源供電的OCL電路或者用LM1875或TDA2050等運(yùn)放和元器件搭建的電路；</p><p>　　缺點(diǎn)2：2SA1444、2SC3694的功耗只有30W左右，而集電極的輸出電流可達(dá)15A，每只管的耐壓值也為100V，可用這兩只管代替TIP31C和TIP32C。</p><p>　　缺點(diǎn)3：把電路換成OCL電路；</p><p