模擬電子技術

1、模擬電子技術課程設計課題名稱： 一種音頻功率放大器的設計學生姓名 左金明學 號 1316301194專 業(yè) 電氣工程及其自動化班 級 13級電氣2班指導教師 郭順京第1章 系統(tǒng)總體設計1.1 設計要求本音頻功率放大器設計要求的技術規(guī)范如下：（1）當輸入正弦信號電壓有效值為5mv時，在8電阻負載（一端接地）上，輸出功率5w，輸出波形無明顯失真。（2）通頻帶為20Hz20kHz。（3）輸入電阻為600。（4）盡可能提高功率放大器的整機效率。1.2 設計思路本課題要求設計并制作一個音頻功率放大器，要求當輸入正弦信號電壓有效值為5mv時，在8電阻負載上，輸出功率要大于等于5w，輸出波形無明顯的失真；通

2、頻帶在20Hz到20kHz之間；輸入電阻要求為600；盡可能的提高功率放大器的整機工作效率。根據(jù)這些要求，本設計最好采用二級放大來實現(xiàn)音頻信號的輸出。前級放大主要作用于電壓信號的放大，二級放大主要作用于功率的放大。這樣的設計能保證音頻信號有足夠的功率能從揚聲器輸出。本課題要求設計一種音頻功率放大器，在8電阻負載上輸出波形為無明顯失真的正弦波。設計中采用分立元件組成音頻功率放大器，采用三極管構成一級放大電路，利用NPN和PNP管構成二級放大電路，采用滑動變阻器改變輸入電壓。1.3 整體框圖本設計主要通過輸入信號源，在一級電路將音頻信號的電壓放大后，傳給二級電路進行音頻信號功率的放大，最后通過揚聲

3、器輸出。本設計要求在8電阻負載上輸出波形為無明顯失真的正弦波，當輸入正弦信號電壓有效值為5mv時，輸出功率5w，盡可能提高功率放大器的整機效率。電路通過改變滑動變阻器的阻值來調(diào)節(jié)電壓，使輸出功率隨著電壓的變化而變化，從而達到本設計的設計指標。系統(tǒng)整體設計框圖如圖2-1所示。保護、分壓電路輸出級前級放大電路輸入音頻信號功率放大電路負反饋電路 系統(tǒng)整體設計框圖1.4 方案比較與論證（1）方案一用LM386組成的OTL功放電路如圖2-2所示，信號從腳同相輸入端輸入，從腳經(jīng)耦合電容（220F）輸出。圖2-3為LM386芯片的管腳圖，腳可以接電容，作用是作為去耦濾波電容。腳與腳之間可以接電阻、電容用于調(diào)

4、節(jié)電路的閉環(huán)電壓增益。腳與腳之間接滑動變阻器的話，可以通過改變電阻值，使集成功放的電壓放大倍數(shù)發(fā)生變化。R值越小，電壓增益越大。當需要高增益時，可取變阻器阻值=0。圖1-2輸出端腳所接10電阻和47nF電容組成阻抗校正網(wǎng)絡，抵消負載中的感抗分量，防止電路自激，有時也可省去不用。圖2-2 LM386構成的音頻功率放大器圖1-3 LM386管腳圖方案一電路的優(yōu)點：LM386是一種低電壓通用型音頻集成功率放大器，應用廣泛，大大減少了分立元件的使用，供電電壓要求比較低，412V都可以驅(qū)動。方案一電路的缺點：使用LM386集成塊之后，設計要求無法達到，不能通過二級放大來實現(xiàn)音頻信號的輸出，可調(diào)范圍減小，

5、整機效率都可能小降。（2）方案二采用TDA2030運算放大器，兩個晶體管和一些電容、電阻組成音頻功率放大器電路，其原理圖如圖2-4所示。TDA2030是德律風根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結構。該集成電路廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內(nèi)部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。1腳是正向輸入端 2腳是反向輸入端 3腳是負電源輸入端 4腳是功率輸出端 5腳是正電源輸入端。如圖2-4所示，TDA2030運算放

6、大器為電路的驅(qū)動級電路，而兩個晶體管是為了更好地放大音頻信號的功率，保證能從8負載上盡可能小失真的輸出。而電容有濾除噪聲的功能，減少外界的干擾。而且電路有保護電路，電源可以接到30V。圖1-4 TDA2030構成的音頻功率放大器 方案二電路的優(yōu)點：外接元件非常少； 輸出功率大；采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度； 開機沖擊極??； 內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等； TDA2030無疑是做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放的好元件。方案二電路的缺點：TDA2030在市場上有一

7、些偽品，對于初學者在選購元器件時可能會遇到一些問題TDA2030集成塊和普通的晶體管相比價格略高；此電路中沒有用到滑動變阻器，調(diào)試時數(shù)據(jù)的采集會有一些困難。（3）方案三采用一些晶體管、電阻和電容構成的音頻功率放大器，電路圖如圖2-5所示。本電路圖主要有前置放大電路和功率放大電路兩部分組成。前置放大電路由一些電阻、電容、滑動變阻器、晶體管等元件構成。前置放大電路主要應用了負反饋。負反饋具有提高電路及其增益的穩(wěn)定性，減少非線性失真，擴展通頻帶，改變輸入電阻和輸出電阻等功能。反饋在電子電路中得到廣泛應用。正反饋應用于各種振蕩電路，用作產(chǎn)生各種波形的信號源；負反饋則是用來改善放大器的性能。將放大器輸出

8、信號（電壓或電流）的一部分（或全部），經(jīng)過一定的電路（稱為反饋網(wǎng)絡）送回到輸入回路，與原來的輸入信號（電壓或電流）共同控制放大器，這樣的作用過程稱為反饋。電路中的負反饋屬于電壓并聯(lián)負反饋，R5是反饋元件，它構成反饋網(wǎng)絡。在此電路中負反饋的主要作用是改善放大電路的性能，放大音頻信號的電壓。功率放大電路主要由各種晶體管、電阻和電容等構成。功率放大電路用的是OTL功放電路，還有NPN復合管和PNP復合管。OTL電路具有線路簡單、效率高等特點，但要采用雙電源供電，給使用和維修帶來不便。為了克服這一缺點，可采用單電源供電的互補對稱電路，這種電路又稱為無輸出變壓器的功放電路，簡稱OTL電路。NPN、PNP

9、復合管可以對音頻信號進行放大，獲得很強的信號。圖1-5 分立元件構成的音頻功率放大器方案三電路的優(yōu)點：此電路全部采用分立元件構成音頻功率放大器，應用到了許多模擬電子的知識，能很好的讓我回顧學過的知識，鍛煉我們分析電路的能力。元器件的價格相對集成塊來說比較便宜。方案三電路的缺點：使用的是30V電源，要求的電壓相對較高，具有一定的危險性。綜合以上三種設計方案，方案一不符合設計要求；方案二和方案三都符合設計要求。方案二適用于電子初學者，元器件較少，容易焊接，設計簡單，容易弄懂其工作原理。方案三適用于有一定電子基礎的人，能很好的培養(yǎng)人對電路的分析能力，工作原理具有多樣性，元件價格也便宜，很適合本次設計

10、。最后，本設計決定采用方案三。 第2章 單元電路設計2.1 前級放大電路的設計（1）負反饋的概念本設計的前級放大電路主要運用到了負反饋電路。負反饋放大器的方框圖如圖3-1所示。反饋放大器由基本放大器和反饋網(wǎng)絡兩部分組成。圖中A表示開環(huán)放大器（也叫基本放大器），F(xiàn)表示反饋網(wǎng)絡，Xi表示輸入信號（電壓或電流），X0表示輸出信號，Xf表示反饋信號，Xid表示凈輸入信號。由圖可知：凈輸入信號為Xid=Xi-Xf （式1）開環(huán)放大倍數(shù)（或開環(huán)增益）為A= X0/Xid （式2）反饋系數(shù)為F=Xf/ X0 （式3）放大器閉環(huán)后的閉環(huán)增益為Af = X0/Xi （式4）將方程1、方程2、方程3代入方程4，得

11、Af =A / (1+A F) （式5）方程5表明了反饋放大器的增益與開環(huán)放大器的放大倍數(shù)、反饋系數(shù)的關系。方程5中，若| 1+A F |1，則| Af | A |,說明加入反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)變小了，這類反饋屬于負反饋。圖2-1 負反饋放大器的組成框圖（2）負反饋對放大電路的影響1）提高電路及其增益的穩(wěn)定性直流負反饋穩(wěn)定直流量，能起到穩(wěn)定靜態(tài)（直流）工作點的作用。假如由于某種原因，放大器增益加大（輸入信號不變），使輸出信號加大，從而使反饋信號加大。由于負反饋的原因，使凈輸入信號減小，結果輸出信號減小。這樣就抑制了輸出信號的加大，實際上使得增益保持穩(wěn)定。電流負反饋穩(wěn)定輸出電流，電壓負反饋穩(wěn)定輸出

12、電壓。2）減少非線性失真由于三極管特性的非線性，當輸入信號較大時，就會出現(xiàn)失真，在其輸出端得到了正負半周不對稱的失真信號。當加入負反饋以后，這種失真可得到改善。其過程如圖3-2所示，輸出失真波形反饋到輸入端與輸入信號合成得到上半周小下半周大的失真波形，經(jīng)放大后恰好補償輸出失真波形。圖2-2 負反饋減小非線性失真示意圖3）擴展通頻帶負反饋電路能擴展通頻帶。引入負反饋后增益下降，但通頻帶擴展。對于單RC電路，系統(tǒng)通頻帶擴展（1+A F）倍。通頻帶的擴展，意味著頻率失真的減少，因此負反饋能減少頻率失真。本設計的前級放大電路，電路圖如圖3-3所示。圖2-3 前級放大電路2.2 功率放大電路的設計（1）

13、OTL電路的概念省去輸出變壓器的功率放大電路通常稱為OTL電路。 其中，OTL為Output Transformer Less 的縮寫。 OTL電路為單端推挽式無輸出變壓器功率放大電路。通常采用電源供電，從兩組串聯(lián)的輸出中點通過電容耦合輸出信號。 OTL(Output transformerless )電路是一種沒有輸出變壓器的功率放大電路。過去大功率的功率放大器多采用變壓器耦合方式，以解決阻抗變換問題，使電路得到最佳負載值。 但是，這種電路有體積大、笨重、頻率特性不好等缺點，目前已較少使用。OTL電路不再用輸出變壓器，而采用輸出電容與負載連接的互補對稱功率放大電路，使電路輕便、適于電路的集成

14、化，只要輸出電容的容量足夠大，電路的頻率特性也能保證，是目前常見的一種功率放大電路。 它的特點是：采用互補對稱電路(NPN、PNP參數(shù)一致，互補對稱，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出)，有輸出電容，單電源供電，電路輕便可靠。 “兩組串聯(lián)的輸出中點”可理解為采用互補對稱電路(NPN、PNP參數(shù)一致，互補對稱，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出)。 OTL電路的優(yōu)點是只需要一組電源供電。缺點是需要能把一組電源變成了兩組對稱正、負電源的大電容；低頻特性差。（2）OTL功率放大電路的工作原理如圖3-4所示為OTL低頻功率放大器。其中由晶體三極管T1組成推動級，T2、T3是一對參數(shù)

15、對稱的NPN和PNP型晶體三極管，他們組成互補推挽OTL功放電路。由于每一個管子都接成射極輸出器形式，因此具有輸出電阻低，負載能力強等優(yōu)點，適合于作功率輸出級。T1管工作于甲類狀態(tài)，它的集電極電流Ic1的一部分流經(jīng)電位器RW2及二極管D，給T2、T3提供偏壓。調(diào)節(jié)RW2，可以使T2、T3得到適合的靜態(tài)電流而工作于甲、乙類狀態(tài)，以克服交越失真。靜態(tài)時要求輸出端中點A的電位UA=1/2UCC，可以通過調(diào)節(jié)RW1來實現(xiàn)，又由于RW1的一端接在A點，因此在電路中引入直流電壓并聯(lián)負反饋，一方面能夠穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點，同時也改善了非線性失真。圖2-4 OTL低頻功率放大器當輸入正弦交流信號ui時，經(jīng)T

16、1放大、倒相后同時作用于T2、T3的基極，ui的負半周使T2管導通（T3管截止），有電流通過負載RL，同時向電容C0充電，在ui的正半周，T3導通（T2截止），則已充好電的電容器C0起著電源的作用，通過負載RL放電，這樣在RL上就得到完整的正弦波。 C2和R 構成自舉電路，用于提高輸出電壓正半周的幅度，以得到大的動態(tài)范圍。（3）OTL電路的主要性能指標：1）最大不失真輸出功率Pom理想情況下，Pom=UCC2/8RL，在實驗中可通過測量RL兩端的電壓有效值，來求得實際的POm=UO2/RL。2）效率=POm/PE×100%PE直流電源供給的平均功率理想情況下，功率Max=78.5%。

17、在實驗中，可測量電源供給的平均電流Idc，從而求得PE=UCC×Idc，負載上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以計算實際效率了。3）頻率響應當聲音功率比正常功率低3dB時，這個功率點稱為頻率響應的高頻截止點和低頻截止點。高頻截止點與低頻截止點之間的頻率，即為該設備的頻率響應。4）輸入靈敏度輸入靈敏度是指輸出最大不失真功率時，輸入信號Ui之值。（4）復合管的概念輸出功率較大的電路，應采用較大功率的功率管。大功率管的電流放大系數(shù)往往較小，且選用特性一致的互補管也比較困難。在實際應用中，往往采用復合管來解決這兩個問題。在一個電子管的殼內(nèi)裝有兩個以上電極系統(tǒng)，每個電極系統(tǒng)各自獨立通過電

18、子流，實現(xiàn)各自的功能，這種電子管稱為復合管。復合管是指用兩只或多只三極管按一定規(guī)律進行組合，等效成一只三極管，復合管又稱達林頓管。本設計的功率放大電路，電路圖如圖2-5所示。圖2-5 功率放大電路2.3 總電路的設計總電路主要由前置放大電路和功率放大電路兩部分組成，電路圖如圖2-5所示?？傠娐返墓ぷ髟砣缦拢?V1組成激勵級，它的基極偏壓取自于中點電位1/2VCC。Rp引入交直流電壓并聯(lián)負反饋。V2、V4復合成NPN管，V3、V5復合成PNP管，V6給兩只復合管提供偏壓，以消除交越失真。V6還具有溫度補償作用。R3為V1集電極負載電阻。R7用于減小復合管穿透電流。R9、R10為負反饋電阻，用于

19、穩(wěn)定工作點和減小失真。C7為輸出耦合電容，充當另一組電源。當V1集電極輸出正半周信號電壓時，V2、V4導通，V3、V5截止，被放大的正半周信號電流經(jīng)C7送到負載喇叭上，形成正半周輸出電壓。同時，C7上被充上VCC/2的電壓。當V1集電極輸出負半周信號電壓時，V2、V4截止，V3、V5導通。此時，電源VCC不供電，由C7放電提供V3、V5工作所需直流功率，在負載上形成負半周輸出電壓。它與正半周輸出電壓合成一個完整的正弦波。電路中的C2、R6組成具有升壓功能的“自舉電路”。不接C2時，信號越強，V2、V4導通越充分，K點電位上升越多，將使V2、V4的正偏電壓UBE減小，輸出電流也減小，限制了輸出功

20、率的提高。在電路中加入C2后，其兩端被充上一定的電壓值。當正半周信號通過V2、V4使K點電位上升時，G點電位跟著升高，UG=UK+U C2，UG可高于Vcc,使V2、V4基極電位升高，保證了V2、V4的大電流輸出，提高了輸出功率。R6為隔離電阻，防止輸出信號經(jīng)電容C2短路到地。這種因C2的作用使G點電位隨K點電位升高而上升的方式叫“自舉”。具有自舉功能的電路叫做自舉電路。 第3章 硬件電路的制作與調(diào)試3.1 硬件設計本設計硬件電路板采用手工焊接，按照總電路圖焊接對應的元器件。在焊接時，將運用到電烙鐵、焊錫絲、斜口鉗等工具。焊接時，掌握好電烙鐵的溫度很重要?？辞宄骷墓苣_后在進行焊接，做到不

21、漏焊、虛焊。硬件制作的目的是在原有的理論基礎上通過示波器等一些常規(guī)的實驗儀器來驗證電路原理的過程，實現(xiàn)電路設計要求。本設計由前級放大電路和功率放大電路兩部分組成。電路板采用單面板，一面用來放置元器件，另一面用于焊接。整個系統(tǒng)的硬件部分調(diào)試可分為各個模塊調(diào)試和逐級聯(lián)成整體調(diào)試，這樣確保了調(diào)試的成功率。在音頻功率放大器中主要是通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，輸出不同頻率的正弦波來滿足設計要求。前級電路的調(diào)試較為簡單，只要測量一下輸出電壓是否符合驅(qū)動要求；功率放大電路的測量較為復雜，含有較多的三極管，對整個電路的影響較大，需要多次測量來獲得較為正確的數(shù)據(jù)。3.2 系統(tǒng)調(diào)試電路板焊接完成后，先進行全面的檢查

22、。檢查無誤后，開始進行電路板的有源調(diào)試。調(diào)試步驟如下：（1）輸出波形的調(diào)試：先利用函數(shù)信號發(fā)生器，將信號設置成電壓有效值為5mv正弦波信號，然后連接到i，將信號送入音頻功率放大器。在喇叭的兩端通過測試線連接到數(shù)字雙蹤示波器，接通電源后，觀察示波器的波形，并記錄輸出功率的大小，畫出波形圖。完成數(shù)據(jù)的記錄后，與設計中要求的數(shù)據(jù)進行比較，確定硬件電路是否符合設計要求。（2）通頻帶的調(diào)試：測量放大器通頻帶，測的是放大器增益隨頻率變化的情況。在改變輸入信號頻率時，保持輸入信號幅值不變，輸出信號幅值的變化正比于增益的變化。兩級放大器的增益是各級放大器增益的乘積，因此兩級放大器的通頻帶比單級放大器的通頻帶要

23、窄。在調(diào)試時，將函數(shù)信號發(fā)生器與i相連，數(shù)字雙蹤示波器接到喇叭的兩端。改變輸入信號的頻率，保持輸入信號幅度不變，通過示波器記錄下輸出信號幅度值。多次測量后，與設計要求數(shù)據(jù)進行比較。電路調(diào)試完成后，現(xiàn)斷開電源，然后整理好儀器，最后對數(shù)據(jù)進行歸納總結。3.3 誤差分析本系統(tǒng)涉及的模擬硬件電路較多。前級放大模塊和功率放大模塊純屬于硬件部分，又屬于高頻部分。這就導致管腳分布時電容對電路的影響極大。因晶體管的特性參數(shù)存在較大差別，所以實際測試結果與理論數(shù)據(jù)值存在一定的誤差。不過在測試硬件電路時反復調(diào)整滑動變阻器和電容的具體數(shù)值，也可達到理想的結果。在設計電路時，選用元器件也要有所考慮，盡量減小誤差值。當

24、然在焊接電路的過程中，由于焊接工藝的好壞，也會間接影響電路的輸出。在焊接電路時避免虛焊，漏焊等狀況。在音頻功率放大器的調(diào)試中，還會受到外界信號的干擾。這種干擾通常是無法消除的，只能盡可能的較小。第4章 結論 本課題音頻功率放大器的設計與制作終于完成。在這次畢業(yè)設計的課題一種音頻功率放大器的設計中運用了很多我學過的知識，比如模擬電子，高頻電子等專業(yè)知識，這次的畢業(yè)設計是對我這三年來所學知識的綜合考察。通過這次的畢業(yè)設計不僅讓我對許多知識有了更深的了解，還鍛煉了我的獨立思考問題的能力，這為我以后步入社會工作奠定了一個基礎。在設計過程中我遇到了很多問題，一開始的設計使自己感到很迷茫不知道該從何入手，甚至都覺得這個課