模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目音響功率放大器設(shè)計(jì)姓名：所在學(xué)院：計(jì)算機(jī)與電氣自動(dòng)化學(xué)院所學(xué)專業(yè)：電氣工程及自動(dòng)化班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：田洪波完成時(shí)間：2013年6月PAGE3模電課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、基本情況學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)學(xué)分：1學(xué)分課程設(shè)計(jì)代碼：07120102適應(yīng)班級(jí)：11電氣工程、自動(dòng)化二、進(jìn)度安排本設(shè)計(jì)共安排1周，合計(jì)40學(xué)時(shí)，具體分配如下：實(shí)習(xí)動(dòng)員及準(zhǔn)備工作：2學(xué)時(shí)總體方案設(shè)計(jì)：4學(xué)時(shí)查閱資料，討論設(shè)計(jì)：24學(xué)時(shí)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告：8學(xué)時(shí)總結(jié)：2學(xué)時(shí)教師輔導(dǎo)：隨時(shí)三、基本要求1、課程設(shè)計(jì)的基本要求模電課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)完模擬電子技術(shù)課程之后，按照課程教學(xué)要求，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性訓(xùn)練的一個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)的能力，分析問題和解決問題的能力，以及根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。初步掌握模擬電子線路的安裝、布線、焊接、調(diào)試等基本技能；熟練掌握電子電路基本元器件的使用方法，訓(xùn)練、提高讀圖能力；掌握組裝調(diào)試方法。其中理論設(shè)計(jì)包括總體方案選擇，具體電路設(shè)計(jì)，選擇元器件及計(jì)算參數(shù)等，課程設(shè)計(jì)的最后要求是寫出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，把設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行全面的總結(jié)，若有實(shí)踐條件，把實(shí)踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求模電課程設(shè)計(jì)的教學(xué)采用相對(duì)集中的方式進(jìn)行，以班為單位全班學(xué)生集中到設(shè)計(jì)室進(jìn)行。做到實(shí)訓(xùn)教學(xué)課堂化，嚴(yán)格考勤制度，在實(shí)訓(xùn)期間累計(jì)曠課達(dá)到6節(jié)以上，或者遲到、早退累計(jì)達(dá)到8次以上的學(xué)生，該課程考核按不及格處理。在實(shí)訓(xùn)期間需要外出查找資料，必須在指定的時(shí)間內(nèi)方可外出。課程設(shè)計(jì)的任務(wù)相對(duì)分散，每3名學(xué)生組成一個(gè)小組，完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成員之間可以相互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。但每個(gè)學(xué)生必須單獨(dú)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，要有完整的設(shè)計(jì)資料，獨(dú)立撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告雷同率超過50%的課程設(shè)計(jì)考核按不及格處理。四、設(shè)計(jì)題目及控制要求題目：音響功率放大器1、簡(jiǎn)要說明電視機(jī)、音響等電器設(shè)備中都有音響功率放大器。這類放大器過去曾用三極管等分立元件構(gòu)成，現(xiàn)在集成電路音響功率放大器已經(jīng)相當(dāng)普及。以這種器件和集成電路音響前置放大器或集成運(yùn)放為主構(gòu)成音響功率放大器，不僅工作穩(wěn)定，性能好，而且容易安裝調(diào)試，成本低。2、任務(wù)和要求最大輸出功率不小于3W。其條件是：1）以8Ω喇叭（額定功率不小于4W）作為負(fù)載；2）非線性失真不超過2%；3）電源電壓不超過15V。五、設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)完成后，必須撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告必須獨(dú)立完成，格式符合要求，文字（不含圖形、程序）不少于2000字，圖形繪制規(guī)范。設(shè)計(jì)報(bào)告的格式如下：1、封面2、內(nèi)容提要3、目錄4、正文(1)所作題目的意義、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2)方案選擇及論證；(2)設(shè)計(jì)步驟及原理圖；(3)元器件的選擇；(4)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)問題的解決方法；5、心得體會(huì)6、參考文獻(xiàn)六、考核方法模電課程設(shè)計(jì)的考核方式為考查，考核結(jié)果為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，分?jǐn)?shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好，70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，60分以下為不及格?？己朔秩齻€(gè)方面進(jìn)行：平時(shí)考勤：30%實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)成果質(zhì)量：40%課程設(shè)計(jì)報(bào)告：30%有下列情形之一者，課程設(shè)計(jì)考核按不及格處理：1、設(shè)計(jì)期間累計(jì)遲到、早退達(dá)8次；2、設(shè)計(jì)期間累計(jì)曠課達(dá)6節(jié)；3、設(shè)計(jì)報(bào)告雷同率超過50%或無設(shè)計(jì)報(bào)告；4、不能完成設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。 PAGEI摘要這次的模擬電路課程設(shè)計(jì)題目為音頻功率放大器，簡(jiǎn)稱音頻功放，音頻功率放大器主要用于推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，凡發(fā)聲的電子產(chǎn)品中都要用到音頻功放，比如手機(jī)、MP4播放器、筆記本電腦、電視機(jī)、音響設(shè)備等給我們的生活和學(xué)習(xí)工作帶來了不可替代的方便享受。我主要采用了兩種方法對(duì)其進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，一種利用了LM386集成芯片對(duì)其進(jìn)行放大輸出，另一種是利用二極管進(jìn)行偏置的互補(bǔ)對(duì)稱電路，即分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)放大。期間遇到了不少問題，不過好在在老師的指導(dǎo)，同學(xué)的幫助下終于成功調(diào)試成功，聽到了悅耳的嗡嗡聲，設(shè)計(jì)題目也算比較圓滿的完成了。在設(shè)計(jì)的過程中，首先對(duì)自己的設(shè)計(jì)思路有個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，即對(duì)音頻功率放大器的原理了解，在查閱了很多資料，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)器材有了初步了解以后，利用課本及一些資料上所描述的同相放大電路和甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的基本知識(shí)，通過對(duì)兩種方法的對(duì)比評(píng)析確定了下面的課程設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了音頻功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用Protel99SE軟件設(shè)計(jì)完成原理圖。本系統(tǒng)有匹配對(duì)稱三極管完成前置放大級(jí)和功率放大級(jí)最后將音頻小信號(hào)轉(zhuǎn)變成大信號(hào)的功能。通過對(duì)所設(shè)計(jì)的音頻功率放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到了最大輸出功率、放大倍數(shù)、失真度等技術(shù)指標(biāo)。具有最大輸出功率穩(wěn)定，工作效率較高，頻率響應(yīng)失真較小，把小信號(hào)轉(zhuǎn)變成大信號(hào)功能的分立元件功率放大器?；具_(dá)到了任務(wù)書的要求。在社會(huì)當(dāng)中，功放俗稱“擴(kuò)音機(jī)”他的作用就是把來自音源或前級(jí)放大器的弱信號(hào)放大，推動(dòng)音箱防聲。一套良好的音響系統(tǒng)功放的作用功不可沒。功放是音響系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，它的任務(wù)是把來自信號(hào)源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調(diào)音臺(tái)）的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。PAGE14 目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1

引言 12設(shè)計(jì)概述 22.1音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 22.2設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 22.3功率放大器的基本原理 23設(shè)計(jì)過程 33.1第一種設(shè)計(jì)方案： 33.1.1前端放大器的設(shè)計(jì) 33.1.2功率放大器的設(shè)計(jì) 43.2第二種設(shè)計(jì)方案： 53.2.1前端放大器的設(shè)置 53.2.2功率放大器的設(shè)計(jì) 63.2.3實(shí)驗(yàn)用電路圖 74設(shè)計(jì)方案的選擇 94.1第一種方案的評(píng)述 94.2第二種方案的評(píng)述 94.3方案的最終確定 105電路詳細(xì)設(shè)計(jì) 115.1前置放大電路分析 115.2功率放大電路分析 11總結(jié) 13參考文獻(xiàn) 141緒論

1.1

引言伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對(duì)音頻功率放大器的要求越來越高。音頻是多媒體中的一種重要媒體。人能夠聽見的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是60Hz-20kHz其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。

如何通過分析儀器讓音頻功放達(dá)到更高的要求是許多人為之努力的永恒的課題，聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成數(shù)字音頻，音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象以數(shù)字信號(hào)處理的各種理論為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域，頻域內(nèi)一系列特性的過程。

鑒于音頻分析儀價(jià)格高、適用范圍窄等特點(diǎn)，本文應(yīng)用了目前流行的基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)軟件平臺(tái)，結(jié)合高性能的PCI－6024E數(shù)據(jù)采集卡來完成各種測(cè)試。

1.2

音頻功率放大器概述

音響技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場(chǎng)效應(yīng)管四個(gè)階段。1906年美國的德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了人類電聲技術(shù)的先河。1927年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了負(fù)反饋NFB（Negativefeedback）技術(shù)后，使音響技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，比較有代表性的如“威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設(shè)計(jì)Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介紹了一種成功運(yùn)用負(fù)反饋技術(shù)，成為了Hi-Fi史上一個(gè)重要的里程碑。

60年代由于晶體管的出現(xiàn)，使功率放大器步入了一個(gè)更為廣闊的天地。晶體管放大器細(xì)膩動(dòng)人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，各種電路也相應(yīng)產(chǎn)生，如：“OTL（OutputTransformerLess）”無輸出放大器、“OCL（OutputCapacitorLess）”放大器。2設(shè)計(jì)概述2.1音頻功率放大器的設(shè)計(jì)作為模擬電子課程設(shè)計(jì)課題設(shè)計(jì)，本課題提出的音頻功率放大器性能指標(biāo)比較低，主要采用理論課程里介紹的運(yùn)算放大集成電路和功率放大集成電路來構(gòu)成音頻功率放大器。2.2設(shè)計(jì)任務(wù)和要求采用運(yùn)算放大集成電路和功率放大集成電路設(shè)計(jì)音頻功率放大器，其要求如下：輸入信號(hào)為vi=10mV,頻率f＝1KHz;額定輸出功率Po≥2W；負(fù)載阻抗RL=8Ω。2.3功率放大器的基本原理音頻功率放大器實(shí)際上就是對(duì)比較小的音頻信號(hào)進(jìn)行放大，使其功率增加，然后輸出。其原理如圖(一)所示，前置放大主要完成對(duì)小信號(hào)的放大，使用一個(gè)同向放大電路對(duì)輸入的音頻小信號(hào)的電壓進(jìn)行放大，得到后一級(jí)所需要的輸入。后一級(jí)的主要對(duì)音頻進(jìn)行功率放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)電阻而得到需要的音頻。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)整機(jī)電路做出適當(dāng)安排，確定各級(jí)的增益分配，然后對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)思路框圖：3設(shè)計(jì)過程3.1第一種設(shè)計(jì)方案：3.1.1前端放大器的設(shè)計(jì)由于話筒提供的信號(hào)非常弱，要在音調(diào)控制級(jí)前加一個(gè)前置放大器?？紤]到設(shè)計(jì)電路對(duì)頻率響應(yīng)及零輸入時(shí)的噪聲、電流、電壓的要求，前置放大器選用集成運(yùn)算放大器LF353。前置放大電路是由LF353放大器組成的一級(jí)放大電路，放大倍數(shù)為4，即1+R2/R1=4，取R2=30K?,R1=10K?,所用電源Vcc=+12V，Vee=-12V。經(jīng)過前級(jí)運(yùn)放的放大，由Av’===4，可以得到Ui=40mv。于是我們得到了下一級(jí)功率放大電路的輸入電壓，即為Ui=40mv。3.1.2功率放大器的設(shè)計(jì)由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器的限制及要求，我們的第一種方案選用了A386型單片集成功率放大電路，其主要特點(diǎn)是：上升隨率高、瞬態(tài)互調(diào)失真?。惠敵龉β时容^大；外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便；體積小；內(nèi)含各種保護(hù)電路，工作安全可靠。我們選擇功率運(yùn)放電路的增益為200，即把A386的運(yùn)放調(diào)節(jié)電路兩端短路。由Av==200;所以U0=8V;進(jìn)而得出P0===8W然后連接上負(fù)載，可以聽到響亮的蜂鳴聲，實(shí)驗(yàn)成功。其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf，R3=4.7K,RL=8.Av=實(shí)驗(yàn)用電路圖其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf,R1=30K,R2=10K,R3=4.7K,RL=8.3.2第二種設(shè)計(jì)方案：3.2.1前端放大器的設(shè)置在前端放大器設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)一相同，即由LF353放大器組成的一級(jí)放大電路，不過將放大倍數(shù)設(shè)置為40，即1+R2/R1=40，取R2=390K?,R1=10K?,所用電源Vcc=+12V，Vee=-12V。經(jīng)過前級(jí)運(yùn)放的放大，由Av’===40，可以得到Ui=400mv。于是我們得到了下一級(jí)功率放大電路的輸入電壓。3.2.2功率放大器的設(shè)計(jì)這一部分的功率放大電路選用了分立元器件組成的功率放大器，其結(jié)構(gòu)就是集成功率放大器的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)就是對(duì)于電路結(jié)構(gòu)了解的清晰明了，更好的掌握電路。缺點(diǎn)就是復(fù)雜，難理解，使用起來非常不方便，而且容易損壞器件。由前級(jí)放大得到的電路得到了輸入電壓Ui=400mv，然后輸入功率放大器，其中的T1又對(duì)信號(hào)的電壓進(jìn)行放大，T1選擇3DG6三極管，它的放大倍數(shù)10~30，可以得到電壓U0：4v~12v，由P0=得到P0;2w~18w符合P0>2w的要求。用得到的功率連接負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，聽到響亮的蜂鳴聲，設(shè)計(jì)成功。3.2.3實(shí)驗(yàn)用電路圖其參數(shù)：R1=10K,R2=390K,R3=1K,R4=10K,R5=10K,R6=47K,RL=8,C1=14.7uf，C2=100uf，T1選擇3DG6,T2選擇3DG6，T3選擇3DG21，D1選擇2CP10,D2選擇2 CP10。4設(shè)計(jì)方案的選擇4.1第一種方案的評(píng)述通過對(duì)兩種方案的比較我們可以看出，第一種方案無疑是比較好的方案，我們可以從這幾個(gè)方面來作為依據(jù)選擇第一種方案。按照第一種方案我們可以達(dá)到課程設(shè)計(jì)所要達(dá)到的要求，結(jié)果比較準(zhǔn)確，受外界干擾較小，而且第一種方案的實(shí)現(xiàn)非常的簡(jiǎn)單，電路容易理解，實(shí)驗(yàn)容易進(jìn)行，能夠盡少的減小實(shí)驗(yàn)的成本，而且這種方案的主要器件有自我保護(hù)的措施，能夠更好的保護(hù)實(shí)驗(yàn)器件，減少不必要的損失。4.2第二種方案的評(píng)述第二種方案在某些情況下也可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，但是有其不可避免的缺點(diǎn)以及不合理性，下面對(duì)其作出評(píng)析：eq\o\ac(○,1)對(duì)于三極管T1來說，它的放大倍數(shù)是不確定的，這就導(dǎo)致了輸出功率的不確定，直接導(dǎo)致了第二種方案有可能不能夠滿足課程設(shè)計(jì)的要求。從第二種方案的設(shè)計(jì)我們可以得到：由前級(jí)放大得到的電路得到了輸入電壓Ui=400mv，然后輸入功率放大器，其中的T1又對(duì)信號(hào)的電壓進(jìn)行放大，T1是3DG6三極管，它的放大倍數(shù)為10~30倍，可以得到電壓U0：4v~12v，由P0=得到P0：2w~18w符合P0>2w的要求功率P0的范圍是2W~18W最大不失真輸出的功率：P0,max=*==9W通過第二種方案得到的功率的范圍是不符合最大不失真輸出功率的要求的，而且通過對(duì)第二種方案的電路圖的分析我們可以看出，第二種方案的電路圖比較復(fù)雜，連接比較困難，理解也是比較困難的，所以這種方案在最終確定的時(shí)候是要被舍棄的。4.3方案的最終確定最大不失真輸出的功率：P0max=*==9W;每支晶體管的最大允許管耗Pcm>0.2Pom=1.8W;最大集電極電流Icm>==1.2A;反向擊穿電壓|Ueco|>2Ucc=24v。通過對(duì)第一種方案的分析可以看出它的設(shè)計(jì)是符合以上功率放大電路的各種要求的。再結(jié)合以上的各種評(píng)論，我們有充足的理由選擇第一種方案。 5電路詳細(xì)設(shè)計(jì)5.1前置放大電路分析圖5-1前置放大電路此電路簡(jiǎn)潔方便實(shí)現(xiàn)前置放大，放大倍數(shù)由R2和R1的比值確定。uA741通用高增益運(yùn)算通用放大器,早些年最常用的運(yùn)放之一.應(yīng)用非常廣泛,雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓±22V,差分電壓±30V,輸入電壓±18V,允許功耗500mW.其管腳與OP07（超低失調(diào)精密運(yùn)放）完全一樣，所以選擇此芯片完全能實(shí)現(xiàn)要求。5.2功率放大電路分析此部分選擇LM386芯片，因?yàn)殪o態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電。工作電壓范圍寬，4-12Vor5-18V。外圍元件少。電壓增益可調(diào)，20-200。低失真。C4為去耦電容，C1濾掉直流，C2和R3構(gòu)成低階濾波。