音頻功率放大器電路設(shè)計(jì)及仿真分析3

1、音頻功率放大器電路設(shè)計(jì)及仿真分析1任課老師:院系:專業(yè):年級:姓名:學(xué) 號:本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，從而了解 音頻功率放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時也進(jìn)一步加深對模擬電路中所學(xué)知識的掌握 和認(rèn)識，并通過單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和組合方法。實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)要求復(fù)習(xí)和掌握運(yùn)算放大器的使用方法，即運(yùn)放同相比例放大器和反相比例 放大器的結(jié)構(gòu)、計(jì)算和運(yùn)用。同時也要求復(fù)習(xí)和掌握有源濾波電路的基本結(jié)構(gòu)和原理。在電 路設(shè)計(jì)中和實(shí)驗(yàn)中也需要了解對元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，掌握一些常用元件的性能。另外，在本實(shí)驗(yàn)中還增加了直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求通過實(shí)驗(yàn)掌握直流穩(wěn)壓電

2、源的基 本結(jié)構(gòu)、工作原理以及三端穩(wěn)壓器的使用方法，同時復(fù)習(xí)和加深對橋式整流電路理解。熟悉Proteus軟件的使用方法，掌握該軟件的仿真分析方法，同時學(xué)會應(yīng)用Proteus軟件 分析其他電路，為以后更好的學(xué)習(xí)電子電路準(zhǔn)備條件。二、實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)分析本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，整體功能 框圖如下圖所示：線性直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源輸出可以分為音頻放大和直流電源兩大部分。其中音頻放大電路的功能是將其他電子設(shè)備的音源 信號進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過功率放大，最后去推動揚(yáng)聲器輸出，簡單來說，就是一個擴(kuò)音器。 直流電源部分則負(fù)責(zé)將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使

3、用，同時，為了減 小電源波動引起的噪聲對放大電路的影響，電源部分采用線性直流穩(wěn)壓電源。三、直流穩(wěn)壓電源的分析和設(shè)計(jì)為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中專門增加線性穩(wěn)壓電路，由三端穩(wěn)壓器 7915和7815構(gòu)成，7915為負(fù)三端穩(wěn)壓，7815為正三端穩(wěn)壓。直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖如下:7815 ZS bi:. . -10WQ- -SZSD2 : . 10MXJ- . 4EXr卒。3 :1恤 4EXTa ：O4：io皿，dEXT，.VI：C1：:&4 EHSQ .44444U2VO8*4444-C4：1CCOJ由上圖可知直流穩(wěn)壓電源可輸出15V的電壓1、全橋整流電路從圖中可以看到，220V的交流電

4、源經(jīng)變壓器降壓后，由全橋整流電路輸出直流，再由 穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流，提供給放大電路使用。在設(shè)計(jì)中，音頻放大電路需要對稱的雙電 源，因此必須選擇次級有三端抽頭的變壓器，經(jīng)全橋電路整流和電容C1和C2濾波后，輸 出對稱的正負(fù)電源。在這里需要重點(diǎn)注意的是，變壓器次級的中心抽頭就是所有電路中的公共地線。2、三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的線性直流穩(wěn)壓電源要構(gòu)成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器。這種集成電路塊內(nèi) 部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護(hù)電路和啟動電路等功能，但是外部引 腳只有三個端I】，分別接輸入電源，地，另一個端II輸出，其使用十分簡單，只要將三個端 I按規(guī)定接入電

5、路就可以使用。四、音頻放大電路的分析和設(shè)計(jì)1、前置放大電路前置放大電路的作用簡單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音頻信號進(jìn)行放大并輸出。 前置放大器是一個高輸入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信號放大電路，實(shí)質(zhì)是一個反 相比例放大電路，其電路圖如下：(1)電路輸入與輸出分析由上圖可知輸出信號與輸入信號反相，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號電壓值為-10mV,輸出信號對應(yīng)電壓值為206mV,放大倍數(shù)約為20,與前置放大電路的計(jì)算值200/10=20 (倍)相符。(2)電路頻率響應(yīng)特性分析S 焚Q(mào)U我，REPONSE PR0SPICE31 FREQUENCY RESPONSE - PROSFfCH陽 Ifejfil

6、e Vie* Graph Options Hdp圖(2)由圖(1)可知，系統(tǒng)的最大頻率增益為26.0dB,則截止頻率處增益應(yīng)為26.0X0.707=18.38dBo依次測量電路截止頻率,如圖(2)所示從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為1063.7kHz.(3)電路噪聲分析徑上毋3。實(shí)鬼督畫皿圖(2)測量頻率為10,10000Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值。測量系統(tǒng)最大噪聲電壓，如圖(1)所示，為604nV/Jl&從系統(tǒng)測量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范I韋I為57 1 nV/ VHz 604 nV/ VHz (4)電路失真分析U D：STORTION ANALYSIS - D

7、ROVKE;ile Viev. Graph Options HdpBEA *饑巳PHfin IIS VSM VIBIIIA1 SY!；n M MIIDtlLING失真分析仿真結(jié)果圖置 ZOCRTICN ANALYSK - PROSICE1時Efile Me* GraplCptions Help5QW0.W-二胡-：L.ZT ?TO?T22-a。T&-teeKMN ：rfiL_=L_!二*=93:eT0成-%?.；!l uui ru i/二/:/疽:/k二:/二:一_._j:，/7_/17 /、L _=rj./r*,/1、u :_ I/N_、*-A/.(J_ /一/N二:_7 /、二h Y -I

8、1/X_:N1K二/二二/IfTPHT jE_FW5E一：10.D 胡.03D.01E0cE032億1.3 E?c歐3.Bk 1B.Ek 西欣：0.Ek103 ffltk：0k i.an測量頻率為10Hz、10000Hz時電路二次諧波失真測量頻率為10Hz、10000Hz時電路三次諧波失真(5)傅里葉分析 i m o G oooroftorG eneraitor N aims:INIRUTs:ccsc。Atnologujc TpQ令 DCS ine Pulse PiyulimFileAudioE xponent SFFMEasn HDLD igitol 丁口=令Sready StteS ing

9、le E dgeS inale Pulse Clock.Pottom Eey HDLCurrent S ource? ls：olte B efore? M mricjml Edits：?1 l-l ido P*ropcrtic?OKCancel輸入信號輸入信號為頻率為100Hz.幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號基波增益Vom1=198mVREQ:69.9醫(yī)出豪實(shí)&吸Q留輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益Vom2=8.62mVuuiru11輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益 Vom3=2.83mV此時系統(tǒng)的失

10、真度為:g (8. 622+2. 832) /19825%2、二級放大電路由圖可知此二級放大電路由低通電路和高通電路組成(1)電路輸入與輸出分析從模擬圖表的仿真結(jié)果可知，電路對輸入信號進(jìn)行了同相放大，同時輸出信號相位發(fā)生了偏移。放大倍數(shù)約為1.51/0. 2=7. 6o(2)電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）圖(3)由圖(1)可知系統(tǒng)的最大頻率增益為1807Db,則截止頻率處增益應(yīng)為18.7X0. 707=13. 2Db,據(jù)此測量電路截【I：頻率，從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍 為 38. 5Hz2. 71kHz。(3)電路噪聲分析File Mw Sp卜 Options Help測量頻率為1

11、0Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值測量頻率為10kHz時系統(tǒng)的噪聲電壓值從系統(tǒng)測量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范I韋I內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為75.1-213 nV/Vhz（4）電路失真分析枝玄旁5。實(shí)鬼鬼Q炫REQQUIPUIgS DISTORFON ANALYSE PR。叫CE file View Graph Options Help10Hz1MHz系統(tǒng)二次諧波與三次諧波引起的電路失真。輸入信號頻率為100Hz.幅值200mV的正弦波信號時輸出信號基波增益為1.49VFOURIER ANALYSIS-ROSPICERe We* Graph Opticns Help輸入信號頻率為100Hz、幅值200m

12、V的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益為2.11mV輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益為1.70mV此時系統(tǒng)的失真度為:g (0. 002112+0. 001702) /L 4*0.2%(1)電路輸入與輸出分析模擬仿真參數(shù)設(shè)置添加輸出功率變化曲線模擬仿真分析結(jié)果，從圖中的仿真結(jié)果可知系統(tǒng)輸入信號經(jīng)功率放大電路后功率被放大。& ANALOGUE ANALVSK - 3R0S3ICEfile View Graph Options HelpVln I UAL改變滑動變阻器RV1的參數(shù)后模擬仿真結(jié)果。從上述仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)以恒定功率輸入信號，而調(diào)節(jié)RV1可調(diào)節(jié)電

13、路輸入阻抗。（2）電路失真分析電路仿真結(jié)果如卜圖所示4、音頻功率放大電路分析皆 ANALOGUE ANALYSIS - PROSPICE日旭 |苔File View Graph Options Hdp|修盅男18中駕包性浪I垮|電路輸入信號為電壓幅度10mV、頻率為1kHz的正弦信號，輸入-輸出仿真結(jié)果圖，由 上圖可知電路對輸入信號進(jìn)行了反相放大，放大倍數(shù)約為：4740/10=474（倍），同時還有一 定的相位偏移。（2）電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）S gQUENCY RESPONSE - PROSPICE Ale View Graph Opdor Hdp圖(3)由圖(1)可知系統(tǒng)的最大頻率增

14、益為57.2dB,則截止頻率處增益應(yīng)為57.2 X0.707=40.4dBo測量電路截止頻率如圖(2)和圖(3) 從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為9.73Hz10.4kHz。(3)電路噪聲分析S NOISE ANALYSIS-ROSICEfile View Graph Optcns Help潦.7”20.2uSU-.m,e.：u11. E-喝-:u,llU.HTutput Fl (XJTFUricp/、K.1列J心。佃UK d n t/ / r/l:/1./廠1 :/ / / 1 i7/ / /J.7.1in a i/1(i :/ f,z3.：j頃 -.1/J1 Inc zk *10.

15、020.093.010D灑E031.PCL .02V5.2OID.Ek 20.BS0.0kEflEkRfk 1.KM建也尹爭與電曳狽遂區(qū)全為全寸乓&龜強(qiáng)|以畫圖(2)Pile View Graph Op6on$ Help圖(3)從噪聲分析仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)對輸入噪聲進(jìn)行了放大。測量頻率為50, 10000 Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值。如圖(2)和圖(3)所示。測量系統(tǒng)最大噪聲電壓值，如圖(1)所示。從系統(tǒng)測量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范I韋I為3.41 |jV/VHz 21.9 pV/Vliz（4）電路失真分析仿真結(jié)果如下圖所示（5）傅里葉分析輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號基波增益Vom1=6.31Vif FOURIER ANALYSIS - PROSPICE o T 0Fite Vi Graph Options Help輸入信號為頻率為1kHz.幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益 Vom3=6.61mV系統(tǒng)失真度為：De (0. 007632+0. 006612) 4-6. 31、。. 16%(6)音頻分析回ra團(tuán)備mod ，甬六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、通過本實(shí)驗(yàn)使我了解了音頻放大電路的基本組成及工作原理，