畢業(yè)設(shè)計(jì)音頻放大器設(shè)計(jì)

1、本科學(xué)年論文題目：音頻放大器設(shè)計(jì)學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化年級：2008級姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：一直流電源設(shè)計(jì)（一）、設(shè)計(jì)要求：（1）在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為（510）mv，等效負(fù)載電阻rl為8下，放大通道應(yīng)滿足： 額定輸出功率por2w； 帶寬bw（5010000）hz； 在por下和bw內(nèi)的非線性失真系數(shù)3%； 在por下的效率55%； 在前置放大級輸入端交流短接到地時(shí)，rl=8上的交流噪聲功率10mw。（2）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。（二）、設(shè)計(jì)分析：（1）由于220v電源有很多諧波存在，可能會(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

2、作用。（2）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。（3）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。（4） 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： 對上述電路進(jìn)行優(yōu)化，電路如下圖所示：分析得-15v+15v的情況如下圖所示：二、濾波電路設(shè)計(jì)（一）、設(shè)計(jì)要求1.基本要求（1）具有產(chǎn)生正弦波的功能。（2）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）。（3）輸出波形幅度范圍05v（峰-峰值）。2發(fā)揮部分（1）輸出波形頻率范圍擴(kuò)展至10hz200khz。（2）增加穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，

3、輸出電壓幅度變化不大于3%（負(fù)載電阻變化范圍：100）。（二）、關(guān)于濾波器類型的選擇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。級數(shù)選擇：濾波器的級數(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。多級濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)的總特性階數(shù)等于各級階數(shù)之和。當(dāng)要求的 帶外衰減特性為-mdb每十倍頻程（或mdb每十倍頻程）時(shí)，則所取級

4、數(shù)n應(yīng)滿足nm/6(或nm/20)。（三）、運(yùn)放的要求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（35）affh,式中af為濾波通帶的傳輸系數(shù)。 如果濾波器的輸入信號較小，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。元件的選擇： 一般設(shè)計(jì)濾波器時(shí)都要給定截止頻率fc （或c）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

5、.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：濾波器工作頻與電容取值的對應(yīng)關(guān)系表f(hz)11010102102103103104104105105106c(2010)uf(100.1)uf(0.10.01)uf(104103)pf(103102)pf(10210)pf注：表中所示的頻率，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)量級范圍

6、。對于本設(shè)計(jì)的音頻放大器輸入為50 hz的信號，為了減小對電路的干擾，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?yàn)V除干擾頻率的信號的濾波器。（四）、任務(wù)分析1.對低通濾波器進(jìn)行分析對低通濾波器采用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： 已知來求期截止頻率.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，頻率為1，如下圖所示。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

7、（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。2.對高通濾波器進(jìn)行分析在高通濾波電路中仍然采用op1p對電路進(jìn)行放大，若r6=r7，則其增益為1。根據(jù)公式：傳遞函數(shù)：g(w)= 截止頻率：。同上低通濾波器分析，設(shè)定c5=10u，便可以得到r6=r7=15.7k。在輸入有效值為1，頻率為1的正弦波時(shí)，得到如下波形。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)候仍保持較好的截止。形成一個(gè)從10 hz20k hz的帶通濾波器。與理論值相符，波形較好。3.對50 hz陷波濾波器分析對50 hz陷波濾波器采用2個(gè)op07放大

8、。頻率為1的正弦波下分析，得到如下波形。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，體現(xiàn)出良好的性能。4.將三級連起來對濾波器分析因?yàn)槿壥窍嗷オ?dú)立的，所以得到波形應(yīng)該是增益為1，在10 hz20k hz范圍內(nèi)通過，且在50 hz處有陷波。對上電路圖分析。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，角度也很合適。三、音頻放大電路的設(shè)計(jì)及仿真（一）前置放大電路：r15kr25kr3100k3267481u1op07+15v-15vc1(+)outputc14u

9、7c1(+)圖中c1為隔直流電容，是為滿足各級直流全反饋穩(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。（1）當(dāng)輸入是10mv 1000hz的信號時(shí)，輸入輸出波形的變化如下圖所示：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。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。（2）頻率分析：默認(rèn)輸入頻率為10hz1mhz，對前置電路進(jìn)行頻率分析，分析結(jié)果如下圖所示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。

10、（3）失真分析觀察上圖，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。（4）傅里葉分析設(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100k，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：由圖可知，傅里葉分析在處達(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。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),所以需采用二級放大來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。（二）二級放大電路在二級放大電路中，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)

11、計(jì)要求。對以上理論進(jìn)行驗(yàn)證。放大倍數(shù)基本滿足要求。（1）當(dāng)原始輸入端輸入是10mv 1000hz的信號時(shí)，輸入輸出波形的變化如下圖所示：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。（2）頻率分析默認(rèn)輸入頻率為10hz1mhz，對前置電路進(jìn)行頻率分析，分析結(jié)果如下圖所示由圖可知通頻帶滿足設(shè)計(jì)要求，即包含50hz10000hz的頻帶范圍。(3)失真分析設(shè)置仿真頻率為10hz1mhz，對音頻放大器前置放大電路進(jìn)行失真分析觀察上圖，可知失真分析基本滿

12、足要求，所以二級放大電路設(shè)計(jì)方案是正確的。（4）傅里葉分析由圖可知，傅里葉分析在處達(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。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。（三）功率放大電路在本設(shè)計(jì)電路中，要求放大電路的末級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，而是追求在電源電壓穩(wěn)定的情況下，輸出盡可能大的功率。為了滿足以上要求，設(shè)計(jì)思路如下：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

13、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。綜合考慮，最終設(shè)計(jì)如下圖所示：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)的二級管則起到保護(hù)的作用。當(dāng)輸入信號為10mv 1000hz的正弦波時(shí)（即為放大級輸出電壓情況），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。功率放大電路的輸入波形、輸出波形,如下圖所示：（四）音頻放大電路將前三級連起來（前置放大，二級放大，功率放大器），組成音頻放大器。在

14、本次設(shè)計(jì)中，加入音頻信號，對其分析相關(guān)性能。（1）對加入音頻模擬分析（2）當(dāng)輸入信號為10mv 1000hz的正弦波時(shí)（即為放大級輸出電壓情況），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。音頻放大電路的輸入波形、輸出波形,如下圖所示：（3）頻率分析默認(rèn)輸入頻率為10hz1mhz，對前置電路進(jìn)行頻率分析，分析結(jié)果如下圖所示由圖可知通頻帶滿足設(shè)計(jì)要求，即包含50hz10000hz的頻帶范圍。（4）失真分析設(shè)置仿真頻率為10hz1mhz，對音頻放大器前置放大電路進(jìn)行失真分析觀察上圖，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。（5）傅

15、里葉分析由圖可知，傅里葉分析在處達(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。（6）噪聲分析由圖可知，自激噪聲非常小，幾乎不影響輸出地音頻信號。 四、protel制作pcb板（一）、protel電路原理圖（1）、原理圖（2）、生成網(wǎng)絡(luò)表在將整個(gè)電路圖導(dǎo)入到protel中以后，就可以導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)表。而在此之前可以進(jìn)行電路元件屬性檢查。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。網(wǎng)絡(luò)表中包含各個(gè)原件的標(biāo)號、封裝、標(biāo)稱值。（3）、元件列表生成在生成網(wǎng)絡(luò)表之后就可以輸出元件列表（二）、對應(yīng)原理圖的p

16、cb印刷電路板設(shè)計(jì)如下:五、設(shè)計(jì)總結(jié)：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。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：(1) 雖然理論上達(dá)到要求，但在實(shí)際操作過程中理想與現(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)。 (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。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。（3） 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)