畢業(yè)設(shè)計(jì)--音頻放大器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科學(xué)年論文</b></p><p>　　題目：音頻放大器設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)院：電子信息工程學(xué)院</p><p><b>　　專業(yè)：自動(dòng)化</b></p><p><b>　　年級(jí)：2008級(jí)</b></p><p&g

2、t;<b>　　姓名：</b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p><b>　　一．直流電源設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。ㄒ唬?、設(shè)計(jì)要求：</b>&

3、lt;/p><p>　?。?）在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為（5～10）mV，等效負(fù)載電阻RL為8Ω下，放大通道應(yīng)滿足：</p><p>　?、?額定輸出功率POR≥2W；</p><p>　?、?帶寬BW≥（50～10000）Hz；</p><p>　?、?在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)≤3%；</p><p>

4、　　④ 在POR下的效率≥55%；</p><p>　　⑤ 在前置放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8Ω上的交流噪聲功率≤10mW。</p><p>　?。?）自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　（二）、設(shè)計(jì)分析：</b></p><p>　?。?）由于220v電源有很多諧波存在，可

5、能會(huì)干擾到電源的穩(wěn)定工作，故應(yīng)在整流后加入電解電容，以起到濾波作用。</p><p>　?。?）為減小輸出端的電壓波紋，應(yīng)該在濾波電路后加電解電容。</p><p>　?。?）為了抑制瞬態(tài)響應(yīng)，防止或消除高頻干擾，還應(yīng)加入相應(yīng)的電容。</p><p>　?。?） 輸出端放入電路前應(yīng)加一個(gè)二極管，防止輸出電壓過高而燒毀電路，即起到保護(hù)作用。綜上所述，可設(shè)計(jì)電路如下所示

6、： </p><p>　　對上述電路進(jìn)行優(yōu)化，電路如下圖所示：</p><p>　　分析得-15V~+15V的情況如下圖所示：</p><p><b>　　二、濾波電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（一）、設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　1

7、.基本要求</b></p><p>　?。?）具有產(chǎn)生正弦波的功能。</p><p>　?。?）輸出波形的頻率范圍為1kHz（非正弦波頻率按10次諧波計(jì)算）。</p><p>　?。?）輸出波形幅度范圍0～5V（峰-峰值）。</p><p><b>　　2．發(fā)揮部分</b></p><p&

8、gt;　　（1）輸出波形頻率范圍擴(kuò)展至10Hz～200kHz。</p><p>　　（2）增加穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓幅度變化不大于±3%（負(fù)載電阻變化范圍：100Ω～∞）。</p><p>　?。ǘ㈥P(guān)于濾波器類型的選擇</p><p>　　一階濾波電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對帶外衰減特性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋

9、型濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，在這一點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。</p><p>　　級(jí)數(shù)選擇：濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對帶外衰減特性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12 dB 每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)的總特性階數(shù)等于各級(jí)階數(shù)之和。當(dāng)要求的 帶外衰減特性為-mdB每十倍頻程（或mdB每

10、十倍頻程）時(shí)，則所取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n≥m/6(或n≥m/20)。</p><p><b>　?。ㄈ⑦\(yùn)放的要求</b></p><p>　　在無特殊要求的情況下，可選用通用型運(yùn)算放大器。為了獲得足夠的反饋以保證所需濾波特性，運(yùn)放得開環(huán)增益應(yīng)在80dB以上。對運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為fH，則運(yùn)放的單位增益帶寬應(yīng)滿足下式:BWG≥（3

11、~5）AFfH,式中AF為濾波通帶的傳輸系數(shù)。</p><p>　　如果濾波器的輸入信號(hào)較小，例如在10mV以下，則選低漂移運(yùn)放。如果濾波器工作于超低頻，以至使R C網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100K，則應(yīng)選低漂移高輸入阻抗的運(yùn)放。</p><p><b>　　元件的選擇：</b></p><p>　　一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc （或ωc

12、）帶內(nèi)增益AV，以及品質(zhì)因數(shù)Q(二階低通或高通一般為0.707)。在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)待定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)之?dāng)?shù)目。因此有許多元件組均可滿足給定的要求，這就需要設(shè)計(jì)者自行選定元件值。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱值的分擋較少，電容難配，而電阻易配，可根據(jù)工作頻率范圍按照下表初選電容值：</p><p>　　濾波器工作頻與電容取值的對應(yīng)關(guān)系表</p><p>　　注：表中所

13、示的頻率，對低通濾波器是上限頻率，對高通濾波器是下限頻率，對帶通和帶阻濾波器是中心頻率。其電容值表示的數(shù)為數(shù)量級(jí)范圍。</p><p>　　對于本設(shè)計(jì)的音頻放大器輸入為50 Hz的信號(hào)，為了減小對電路的干擾，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?yàn)V除干擾頻率的信號(hào)的濾波器。</p><p><b>　?。ㄋ模?、任務(wù)分析</b></p><p>　　1.對低通濾波器進(jìn)行

14、分析</p><p>　　對低通濾波器采用OP1P進(jìn)行放大，其中R4=R5，則知道增益為1.根據(jù)公式：傳遞函數(shù)G(w)=截止頻率： </p><p>　　已知來求期截止頻率.</p><p>　　若要求截止頻率為20k，R4=R5，只要設(shè)定一個(gè)變量，便可以知道另外一個(gè)變量，設(shè)C4=1nF.根據(jù)公式可求得R4=R5=8k。有理論分析，對理論圖分析。在數(shù)入有效值為1，頻

15、率為1，如下圖所示。</p><p>　　由上圖可以清晰的看到：低通濾波器采用OP1P進(jìn)行放大，因?yàn)樽畲笾凳冀K在0附近，則知道增益近似為1.且在20k附近，剛好達(dá)到截止頻率（即0.707）20k以內(nèi)，所有的波形都能通過，波形較好。與理論值相符。</p><p>　　2.對高通濾波器進(jìn)行分析</p><p>　　在高通濾波電路中仍然采用OP1P對電路進(jìn)行放大，若R6=

16、R7，則其增益為1。根據(jù)公式：傳遞函數(shù)：G(w)= 截止頻率：。</p><p>　　同上低通濾波器分析，設(shè)定C5=10u，便可以得到R6=R7=15.7k。</p><p>　　在輸入有效值為1，頻率為1的正弦波時(shí)，得到如下波形。</p><p>　　由圖上可以清晰的看到，其最大值在0附近，則其增益為1.且波形在10 HZ以上良好。在20k HZ時(shí)候仍保

17、持較好的截止。形成一個(gè)從10 HZ~20k HZ的帶通濾波器。與理論值相符，波形較好。</p><p>　　3.對50 HZ陷波濾波器分析</p><p>　　對50 HZ陷波濾波器采用2個(gè)OP07放大。頻率為1的正弦波下分析，得到如下波形。</p><p>　　由上圖可以清晰的看到在50 HZ時(shí)候，該電路表現(xiàn)出較好的陷波作用，在其它范圍內(nèi)，波形全通過，且增益為1，

18、體現(xiàn)出良好的性能。</p><p>　　4.將三級(jí)連起來對濾波器分析</p><p>　　因?yàn)槿?jí)是相互獨(dú)立的，所以得到波形應(yīng)該是增益為1，在10 HZ~20k HZ范圍內(nèi)通過，且在50 HZ處有陷波。對上電路圖分析。</p><p>　　由上圖可以清晰的看到在50HZ處的陷波，在20HZ到50 HZ波均能通過，而且幅值始終小于1，較好的反應(yīng)了增益為1的特性，角度也

19、很合適。</p><p>　　三、音頻放大電路的設(shè)計(jì)及仿真</p><p>　?。ㄒ唬爸梅糯箅娐罚?lt;/p><p>　　圖中C1為隔直流電容，是為滿足各級(jí)直流全反饋穩(wěn)定直流工作點(diǎn)而加的。要求C1必須呈短路，即C1的容抗遠(yuǎn)小于R1、R2的阻值，所以令C1=4u7。該前置放大電路的放大倍數(shù)為AV1=-R2/R1=-20。</p><p>　　

20、（1）當(dāng)輸入是10mv 1000Hz的信號(hào)時(shí)，輸入輸出波形的變化如下圖所示：</p><p>　　顯示為：輸入10mv時(shí)，相應(yīng)輸出為200mv，滿足最初設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　由圖中可以讀到OUTPUT最大值為200m v.則可以推算其放大倍數(shù)為20.與理論值相符。</p><p><b>　?。?）頻率分析：</b></p>

21、;<p>　　默認(rèn)輸入頻率為10HZ—1MHZ，對前置電路進(jìn)行頻率分析，分析結(jié)果如下圖所示</p><p>　　由圖可知通頻帶滿足設(shè)計(jì)要求，即包含50Hz~ 10000Hz的頻帶范圍。</p><p><b>　?。?）失真分析</b></p><p>　　觀察上圖，可知失真分析基本滿足要求，所以前置放大電路設(shè)計(jì)方案是正確的。&l

22、t;/p><p><b>　?。?）傅里葉分析</b></p><p>　　設(shè)置傅里葉分析開始時(shí)間為0，終止時(shí)間為1s，最大頻率100kＨＺ，然后對前置放大電路進(jìn)行傅里葉分析，分析結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　由圖可知，傅里葉分析在１ＫＨＺ處達(dá)到最大值，并且毛刺較少，可知此前置放大電路設(shè)計(jì)方案能較好的滿足要求。</p><

23、;p>　　由于前置放大電路中, R1、R2的阻值比例關(guān)系經(jīng)計(jì)算及實(shí)際仿真分析,已達(dá)到最優(yōu)狀況,故不能通過改變其阻值來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中要求的放大倍數(shù),所以需采用二級(jí)放大來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　（二）．二級(jí)放大電路</p><p>　　在二級(jí)放大電路中，為電路提供放大倍數(shù)為4的電路。所以設(shè)R4=5k,反饋電阻為20k.則其放大倍數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。對以上理論進(jìn)行驗(yàn)證。放大倍數(shù)基本

24、滿足要求。</p><p>　?。?）當(dāng)原始輸入端輸入是10mv 1000Hz的信號(hào)時(shí)，輸入輸出波形的變化如下圖所示：</p><p>　　由圖上讀取數(shù)據(jù)：OUTPUT2=41mv ,INPUT2=10mv, 器放大倍數(shù)接近4倍，與理論分析很接近，所以是正確的。因?yàn)槭欠聪蜉斎?，所以得到的波形是OUTPUT2和INPUT2波谷和波峰相對。</p><p><b&

25、gt;　　（2）頻率分析</b></p><p>　　默認(rèn)輸入頻率為10HZ—1MHZ，對前置電路進(jìn)行頻率分析，分析結(jié)果如下圖所示</p><p>　　由圖可知通頻帶滿足設(shè)計(jì)要求，即包含50Hz~10000Hz的頻帶范圍。</p><p><b>　　(3)失真分析</b></p><p>　　設(shè)置仿真頻率為

26、10HZ—1MHZ，對音頻放大器前置放大電路進(jìn)行失真分析</p><p>　　觀察上圖，可知失真分析基本滿足要求，所以二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)方案是正確的。</p><p><b>　　（4）傅里葉分析</b></p><p>　　由圖可知，傅里葉分析在１ＫＨＺ處達(dá)到最大值，并且毛刺較少，可知此前置放大電路設(shè)計(jì)方案能較好的滿足要求。</p>

27、<p>　　由于輸出電流太小，不能驅(qū)動(dòng)大功率的揚(yáng)聲器工作，故需設(shè)計(jì)一個(gè)功率放大器來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)要求。</p><p>　?。ㄈβ史糯箅娐?lt;/p><p>　　在本設(shè)計(jì)電路中，要求放大電路的末級(jí)輸出一定的功率來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。從能量控制和轉(zhuǎn)換的角度看，功率放大電路與其它放大電路在本質(zhì)上沒有區(qū)別，只是功率放大電路既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電

28、壓穩(wěn)定的情況下，輸出盡可能大的功率。</p><p>　　為了滿足以上要求，設(shè)計(jì)思路如下：</p><p>　　主要部分采用能夠消除交越失真的OCL電路。使兩只放大管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)，這樣即使輸入電壓較小，總能保證至少有一個(gè)管子導(dǎo)通，也就了消除交越失真的可能。</p><p>　　綜合考慮，最終設(shè)計(jì)如下圖所示：</p><p>　

29、　其中，滑動(dòng)變阻器RV1起到防止功放輸出失真的作用，RV2起到調(diào)整輸出阻抗的作用。兩個(gè)串聯(lián)的二級(jí)管則起到保護(hù)的作用。</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)為10mv 1000Hz的正弦波時(shí)（即為放大級(jí)輸出電壓情況），輸出波形為電壓電壓值是58mv的正弦波，我們就可以得到該級(jí)的放大倍數(shù)是5.8倍，這樣就可以達(dá)到總的放大倍數(shù)。波形未出現(xiàn)失真現(xiàn)象, 很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　功率放大

30、電路的輸入波形、輸出波形,如下圖所示：</p><p>　?。ㄋ模纛l放大電路</p><p>　　將前三級(jí)連起來（前置放大，二級(jí)放大，功率放大器），組成音頻放大器。在本次設(shè)計(jì)中，加入音頻信號(hào)，對其分析相關(guān)性能。</p><p>　?。?）對加入音頻模擬分析</p><p>　?。?）當(dāng)輸入信號(hào)為10mv 1000Hz的正弦波時(shí)（即為放大級(jí)

31、輸出電壓情況），輸出波形如下圖所示，電路有很大的放大倍數(shù)，并且波形未出現(xiàn)失真現(xiàn)象, 很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　音頻放大電路的輸入波形、輸出波形,如下圖所示：</p><p><b>　　（3）頻率分析</b></p><p>　　默認(rèn)輸入頻率為10HZ—1MHZ，對前置電路進(jìn)行頻率分析，分析結(jié)果如下圖所示</p>

32、<p>　　由圖可知通頻帶滿足設(shè)計(jì)要求，即包含50Hz~10000Hz的頻帶范圍。</p><p><b>　?。?）失真分析</b></p><p>　　設(shè)置仿真頻率為10HZ—1MHZ，對音頻放大器前置放大電路進(jìn)行失真分析</p><p>　　觀察上圖，可知失真分析基本滿足要求，所以此音頻放大電路設(shè)計(jì)方案是正確的。</p&

33、gt;<p><b>　?。?）傅里葉分析</b></p><p>　　由圖可知，傅里葉分析在１ＫＨＺ處達(dá)到最大值，并且毛刺較少，可知此前置放大電路設(shè)計(jì)方案能較好的滿足要求。</p><p><b>　　（6）噪聲分析</b></p><p>　　由圖可知，自激噪聲非常小，幾乎不影響輸出地音頻信號(hào)。 <

34、/p><p>　　四、protel制作PCB板</p><p>　?。ㄒ唬?、protel電路原理圖</p><p><b>　?。?）、原理圖</b></p><p><b>　?。?）、生成網(wǎng)絡(luò)表</b></p><p>　　在將整個(gè)電路圖導(dǎo)入到protel中以后，就可以導(dǎo)出網(wǎng)

35、絡(luò)表。而在此之前可以進(jìn)行電路元件屬性檢查。</p><p>　　通過這個(gè)表，就可以檢查各個(gè)原件是否設(shè)置了封裝，如果某個(gè)原件沒有設(shè)置封裝，則網(wǎng)絡(luò)表無法導(dǎo)出。檢查完畢之后，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)表的生成。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)表中包含各個(gè)原件的標(biāo)號(hào)、封裝、標(biāo)稱值。</p><p>　?。?）、元件列表生成</p><p>　　在生成網(wǎng)絡(luò)表之后就可以輸

36、出元件列表</p><p>　　（二）、對應(yīng)原理圖的PCB印刷電路板設(shè)計(jì)如下:</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)總結(jié)：</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)以實(shí)用音頻功率放大器為主，同時(shí)對濾波器和波形發(fā)生器做了簡單的設(shè)計(jì)。根據(jù)要求，本次設(shè)計(jì)是為了增強(qiáng)我們的動(dòng)手能力，將書本中學(xué)到的知識(shí)進(jìn)一步升華，使我們切切實(shí)實(shí)明白這些電路的工作原理、如何選擇

37、元器件、如何設(shè)計(jì)電路等等。在我的設(shè)計(jì)中還有許多不足之處，如電源不可以調(diào)幅，電路的性價(jià)比不高等問題。</p><p>　　在獨(dú)立完成音頻功率放大器設(shè)計(jì)的過程中，我們對電路的設(shè)計(jì)能力有顯著提高，尤其是對所學(xué)電路知識(shí)有了新的了解。本電路簡單高效，失真小，選頻特性較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求，但在電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中存在很多問題：</p><p>　　(1) 雖然理論上達(dá)到要求，但在實(shí)際操作過程中理

38、想與現(xiàn)實(shí)總是存在很大差異在一些元器件的選擇上，性能較好的管子參數(shù)很好但性價(jià)比較低。更有一些元件視唱上買不到。應(yīng)此在電路設(shè)計(jì)時(shí)一定要尋求最優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p>　　(2) 在做PCB板時(shí)也遇到很多問題：排板不合理，有些元器件需要自己設(shè)計(jì)封裝圖，還需要考慮元件散熱問題等。</p><p>　　在設(shè)計(jì)電路的每一部份時(shí)也有很多問題需要注意：放大倍數(shù)和頻帶寬度是相互矛盾的，此消彼長。在使用電容

39、時(shí)更要小心因?yàn)殡娙莸拇?lián)與并聯(lián)正好與電阻的相反。如果不多加小心也許會(huì)走很多彎路。</p><p>　?。?） 在設(shè)計(jì)電路時(shí)考慮到元器件差異，理論與實(shí)際的差異及元器件對電路復(fù)雜程度的影響和電路的性價(jià)比等因素，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)一般都有多于一套的方案及備用元件來更好的完成此次試驗(yàn)。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　

40、?。?）〈〈基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真〉〉周潤景 張麗娜 </p><p>　　編著 北京航空航天大學(xué)出版社 2006.05.01</p><p>　?。?）〈〈模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)>> 主編:童詩白 華成英 高等教育出版社 2000.3</p><p>　　(3)韓廣興.《電子元器件與使用電路基礎(chǔ)》-電子工業(yè)出版社，2002