功率放大器的设计.docx

功率放大器的设计 课程设计任务书 学生姓名：专业班级：电子1003班 指导教师：葛华工作单位：信息工程学院 题目: 功率放大器的设计 初始条件： 计算机、Proteus软件、Cadence软件 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：2周 2、技术要求： （1）学习Proteus软件和Cadence软件。 （2）设计一个功率放大器电路。 （3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。 3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 2022.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。 2022.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。 2022.11.17-11.21对功率放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 2022.11.22 提交课程设计报告，进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要. I Abstract . II 1 功放的工作原理及分类 (1) 1.1功放的工作原理 (1) 1.2功放的分类 (1) 2 软件介绍 (2) 2.1 Proteus (2) 2.1.1 Proteus简介 (2) 2.1.2工作界面 (2) 2.1.3 对象的放置和编辑 (3) 2.1.4 连线 (4) 2.2Cadence软件 (4) 2.2.1 Cadence简介 (4) 2.2.2 Cadence软件的特点 (4) 2.2.3电路PCB的设计步骤 (4) 3 设计方案 (6) 3.1 运算放大电路的设计 (6) 3.2 功率放大电路的设计 (7) 3.3 音频功率放大电路 (9) 3.4方案总结及仿真 (10) 4 Candence软件操作 (11) 4.1 Cadence画电路原理图 (11) 4.2 布线及PCB图 (11) 4.2.1布线注意事项 (11) 4.2.2 PCB制作 (12) 5.心得体会 (14) 6.参考文献 (15) 摘要 功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 本文用英国Lab Center Electronics公司的Proteus软件设计了一款动率放大器，并且对其仿真，从仿真结果来看基本达到设计要求；再利用Cadence公司的PCB Edit软件画功率放大器的PCB，完成了本次课程设计的要求。 关键字：Proteus、Cadence、PCB、功率放大器 Abstract The power amplifier (English Name: power amplifier), referred to as the "power", refers to the distortion given, can produce maximum power output to drive a load (such as a speaker) amplifier. Power amplifier plays a "pivotal role in organization, coordination" in the sound system, to some extent, dominate the whole system can provide good sound output. The UK Lab Center Electronics's Proteus software to design a dynamic power amplifier, and the simulation, the simulation result shows the basic design requirements; then using Cadence's PCB Edit software to draw the differential operational amplifier PCB, completed the course design requirements. Keywords: Proteus、Cadence、PCB、power amplifier 1 功放的工作原理及分类 1.1功放的工作原理 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。 1.2功放的分类 按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。 甲类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。 乙类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙，所以使用纯B类功放较少。 甲乙类功放介于甲类和乙类功率放大器之间，它的静态工作点选在靠近截止区，即晶体管发射结处于正向运用的时间超过半个周期，但小于一个周期。它通常有两个偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。 丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。 2 软件介绍 2.1 Proteus 2.1.1 Proteus简介 Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、A VR、ARM、8086和MSP430等，2022年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2.1.2工作界面 Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。 图1 工作界面 2.1.3 对象的放置和编辑 (1) 对象的添加和放置 点击工具箱的元器件按钮，使其选中，再点击ISIS对象选择器左边中间的置P按钮，出现“Pick Devices” 对话框，如图3所示。 在这个对话框里可以选择元器件和一些虚拟仪器。下面以添加单片机AT89C51为例来说明怎么把元器件添加到编辑窗口的。在“Gategory(器件种类)”下面，找到“MicoprocessorIC”选项，鼠标左键点击一下，在对话框的右侧，会显示大量常见的各种型号的单片机芯片型号。找到单片机AT89C51，双击“AT89C51”，情形如图2所示。 这样在左边的对象选择器就有了AT89C51这个元件了。点击一下这个元件，然后把鼠标指针移到右边的原理图编辑区的适当位置，点击鼠标的左键，就把AT89C51放到了原理图区。 图2 元件的选择 (2) 放置电源及接地符号 单击工具箱的终端按钮，对象选择器中将出现一些接线端。 在器件选择器里分别“TERMNALS”栏下的“POWER”与“ GROUND”，再将鼠标移到原理图编辑区，左键点击一下即可放置电源符号；同样也可以把接地符号放到原理图编辑区。 2.1.4 连线 Proteus的智能化可在画线时进行自动检测：当鼠标的指针靠近一个对象的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，鼠标左键点击元器件的连接点，移动鼠标(不用一直按着左键)就出现了粉红色的连接线变成了深绿色。如果想让软件自动定出线路径,只需左击另一个连接点即可。这就是Proteus的线路自动路径功能(简称WAR)，如果只是在两个连接点用鼠标左击，WAR将选择一个合适的线径。WAR可通过使用工具栏里的“WAR”命令按钮来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。 2.2Cadence软件 2.2.1 Cadence简介 Cadence 是一个大型的EDA 软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC 设计、FPGA 设计和PCB 板设计。Cadence 在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势。Cadence 包含的工具较多几乎包括了EDA 设计的方方面面。 2.2.2 Cadence软件的特点 1、图形化、平面化和层次化设计能力提高了原理图设计效率； 2、与强大的元件信息系统（CIS）高度集成，促进优选器件和已有器件库的重用，可以加快原理图设计进程，降低项目成本； 3、便于查找元件，并与MRP、ERP、PDM数据库实现高度集成； 4、为用户提供超过200万的免费元件库，便于灵活选择设计元件； 5、集中管理物料编号和器件信息； 6、可进行数据流程、封装以及互联的在线设计规则检查； 7、用户可以对元件、连线、网络、引脚和标题框进行灵活的编辑和定义； 8、可以导入和导出所有常用的设计文件格式； 9、宏记录器可用于复杂的原理图编辑和定制过程的录制。 2.2.3电路PCB的设计步骤 相对于原理图的设计来说，PCB设计是项目的后端。本文中PCB设计是从Capture CIS 输出到PCB Editor环境中开始的，并由原理图设计来约束、决定。PCB的设计流程主要分为准备工作、网表输入、布局、布线、设计检查、设计输出几个步骤。 1 准备工作 在PCB Editor设计环境下，需要进行的准备工作有，加载所需封装库，即和原理图各元件属性相对应的器件封装、加载所需焊盘、创建所需的符号(包括机械、规格等)。 2 网表输入 在PCB Editor设计界面，打开*.brd的PCB文件后，首先要用File>Import>logic命令输入由原理图生成的网络表文件。在网表输入无误之后，设计中所需元件及其电气连接关系就全部加载到PCB编辑界面了。 3 PCB的布局 在布局布线开始之前，要设计好PCB的板框，即Outline。如果没有Outline，元器件将无法放置。另外，需要设定PCB的叠层，制定PCB的设计约束和规则，如不同种类信号线的宽度，走线间距，过孔尺寸，走线颜色等等。 利用手动或者自动放置方法将元器件一一加载到PCB板框周围后，接下来进行元器件的布局。在PCB设计中，布局是一个重要环节，布局好坏将直接影响布线的效果以及最终产品的电气性能。 Allegro布局的方式分为交互式布局和自动布局，但在使用过程中普遍采用的仍然是交互式布局。交互式布局时，应遵守以下的原则：1、首先要完成需要定位元件的定位，再按照“先大后小，先难后易”的原则进行布局;2、参考原理图，以功能单元的核心元件为中心，围绕核心元件进行布局;3、总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流、低电压弱信号完全分开;模拟与数字信号分开;高频与低频信号分开;高频元件的间隔要充分;4、BGA与相邻元件的距离>5mm，其它贴片元件相互间的距离>0.7mm;贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm;5、使用同一种电源的器件尽量放在一起，以便于电源分隔;6、发热元件一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热。7、整体布局应考虑焊接方式和焊接方向，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。 4 PCB布线 布线是将逻辑连接转换为物理连接的过程，包括连线、过孔、焊盘、弧线、填充、多边形覆铜和电源层等。布线方式分为自动布线和交互式布线两种。在对PCB的元器件进行合理的布局后，点击Route>Connect命令，开始进行手动布线。布线时要优先处理好电源和地的导线，再处理重要的信号线如高速、时钟信号线，最后处理普通信号线。在相邻的两层，要选择相互垂直的方向来布线，尽量缩短线与线之间的平行距离。 3 设计方案 设定功率放大器增益为400,使用运算放大集成电路和音频放大集成电路来进行设计，其基本设计结构为： 图3 音频功率放大器基本设计结构 3.1 运算放大电路的设计 由于输入的信号比较弱，我设置了一个前置放大器，又进一步考虑到噪音等的影响，我使用了芯片为LF353集成运算放大器。 LF353集成运算放大器输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200的电阻用来限制输出短路电流。 设计前端放大器放大增益为2，及2112=+R R ,由此可得前置集成运放电路图如下： 图4 运算放大电路 其中所用电源V V CC 12=,V V EE 12-=, 电阻=K R R 1021 2101011121= +=+=K K R R A V 3.1 经过前置放大器放大后可以得到mV mV A V V V i 20210101=?=?=，于是我得 到了下一级的输入mV V V i 20221=。 3.2 功率放大电路的设计 由于实验室实验仪器的限制及要求，我这种方案采用的功率集成放大器芯片为LM386，LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V 电源电压下，它的静态功耗仅为24mW ，使得LM386特别适用于电池供电的场合。 这里选择功率放大器的增益为200，即: 20001 0102=V V V V A i V 3.2