高保真放大器音频功率放大器(共18页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学模拟电子技术基础_课程设计（论文）题目：高保真音频功率放大器的设计与制作院（系）： 电气工程学院 _专业班级： _ 学 号： _ _学生姓名： 孙航 指导教师： _（签字）起止时间：2013.07.012013.07.12专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电子与信息工程学 号学生姓名孙永志专业班级测控112课程设计题目高保真音频功率放大器的设计与制作课程设计（论文）任务设计参数：1. 采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。2. 额定输出功率3. 负载阻抗。4. 频率响应2020KHZ设计要求

2、：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩总成绩： 指导教师签字： 年 月 日摘 要音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它它主要应用于对弱音频信号

3、的放大、音频信号的传输增强，与输音器、放大器、音频转换器等配接使用，其品质的优劣影响到音频传输效果的好坏。本设计较严谨地处理了各个环节大的技术衔接和设计，能较好地达到音频传输效果，利用分立元件和集成元件设计电路有其使用价值和研究价值。关键词：音频功率放大器；信号；输出级；前置放大级目录第1章 高保真音频功放大器方案论证1.1 高保真音频功率放大器设计意义高保真功率放大技术的发展，使整个音频功率放大技术领域发生了巨大的变化。现代人对听觉水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，高保真音频功率放大技术克服了这个缺点，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，

4、同时对声音信号进行必要的修饰和加工，因此，我们这次的研究对象是高保真功率音质放大技术，本文主要介绍LM1875音频放大器的设计，它在音频应用场合提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有了高增益、快速转换速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性。系统采用大回环电压负反馈控制输出，配以普通双路桥式整流滤波电路，放大器采用内部补偿，增益控制在26dB左右。它可用与高品质音频系统、立体声唱机等等。 1.2 高保真音频功率放大器要求和技术指标设计参数：1.采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。2.额定输出功率3.负载阻抗。4.频率响应2020KHZ设计要求：1

5、 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.3 总体设计方案 音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源的种类有很多种，故输出信号的电压差别很大，从零

6、点几毫伏到几百毫伏。一般动率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器的话，对于输入信号过低的，功率放大器功率输出不足，不能充分发挥功放的作用；加入输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真。这样就失去了音频放大的意义了，所以一个实用音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。最后音频放大器由直流稳压电源和前置放大器和功率放大器三部分组成。传统的静态”测试方法和频响、失真度、信噪比三大考核指标已不足以全反映设备的音质，有时会出现测试指标与听音评价不一致的情况。如

7、现代晶体管功效频响已可达(0一100)kHz以上，失真度也可达0.01以下，音质已相当好，但与频响约30Hz一18kHs，失真度1左右的电子管功放相比，许多人还是认为电子管功放的音质比晶体管功放好。而训练有素的专业人员通过听音评价就能直接对设备的音质作出比较切合实际的定性判断。故在测试手段尚未进一步完善时辅以主观听音来对设备进行音质评价很有必要。1.4 总体设计方案框图及分析1.4.1 设计方案论证对高保真音频功率放大器可选以下方案: 方案一.直接耦合低功放电路OCL低功放输出采用了全互补功率管，去掉自举电容，加强了对中点电位的稳定措施，各级施加了局部负反馈，降低了大环负反馈深度，提高了稳定性

8、，因此实际是一个改进型的分立元件OCL低功放电路。这一电路存在的缺点是电路的对称性较差，使瞬态响应和放大器线性变差。为提高电路的对称性，可采用DC低功放设计。DC低功放是一种全直流化的OCL电路，可把输入差放电路改成互补平衡差放电路。方案二.无输出耦合电容的分立元件低功放分立元件低功放可分输入级,偏置中间级和功率输出级三部分组成。为保证低频响应电路中采用直接耦合，同时为使电路工作稳定，输入级采用串联反馈式稳压电源。采用基极分压式射极偏置电路，这对提高线性，降低波形失真起到很大的作用。末级输出电路工作在甲乙类状态，这既保证了线性不失真放大，又可使效率达到指标。对于这两种方案均可达到实验目的要求,

9、但对于实际操作性和简易复杂度,以及成本高低选择方案二更优越一些。本次实验将采用双极射极电路和甲乙类放大器对管组成的低功放电路。 根据本设计要求，第二种方案所设计的低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设计及论证。1)电源部分本设计的电源通过变压器变为24 V交流电，经整流滤波得到31 V的直流电；供应前置放大电路和功率放大器使用。2)信号放大部分前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的方式，作为左右通道的信号放大。功率放大电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三极管组成差分放大电路，推动级由一个三极管组成，输出级由两个三极管对称构

10、成。两输出管分别由正、负两组电源供电，扬声器直接接在两输出管的输出端与地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。1.4.2 总体设计方案框图及分析总体设计方案框架图：（如下图1.1所示）图1.1 总体设计方案框架图图2-2前置放大级设计图第2章 高保真音频放大器各单元电路设计2.1 直流稳压电源设计220 V市电经变压器输出一组独立的24V交流电，大电容滤波得到31V直流电，再加一个1F小电容滤除电源中的高频分量。万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加全波桥式整流器可使反相电流流向输入端起到保护作用。（如图2.1所示）图2.1直流稳压电源设计图2.2 前置放大级设计图2.2

11、前置放大级设计图前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比。失真度和噪声对系其统的影响最大，是应该优先考虑的指标。我采用两级共射放大电路（如图2-2所示）。信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。为了更好的实现对信号的放大，我将放大倍数定为30 dB左右，取Rf = 76 k,R0 = 2.5 k，Avf = 1+76/2.5 = 31.4 dB。2.3 功率放大器设计甲乙类双电源互补对称电路由两个二极管组成，如图所示。因此消除了基极回路电流变化对输出的影响。图示的电路是克服交越失真的一种办法，由图可见，T3组成了前置放大

12、级，T1和T2组成互补输出级。静态时，在D1和D2上产生的压降为T1，T3提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。由于电路工作在甲乙类，即使输入很小，也可以进行线性地放大。因此这种激励方法增益高，失真小，使输出获足够的激励，故输出功率大，效率高。图2-2前置放大级设计图第3章 高保真音频放大器整体电路设计3.1 整体电路图及工作原理图3.1高保真音频放大器整体电路图220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放，用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供能量。普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双极射极电路进行放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输出

13、端输出，形成初步放大信号。初步放大信号流入由单电源供电的双极射极偏置电路中，功放的输出端与扬声器直接耦合，实现了全频带放大。在扬声器的两端并联RL与C3串联的消振网络，能改善扬声器的高频特性。考虑到如果电路出现故障，导致输出端静态不为0 V。由于扬声器的直流电阻很小，这样会有很大的直流电流流过扬声器和输出管，会使它们烧坏。在加入保险丝之后，如出现这种现象，保险丝熔断，保护了扬声器和输出管。3.2 电路参数计算与选择 1集成运放采用24V,则输入Vim=5mV,可满足第二级输出幅度Vom=2.5V左右的要求.对第一级Q1,保证输出不失真。既要求Vim=700mV，Volm=10V。所以，Av1=

14、 Volm/Vim=10/0.7=14.3取Av1=14，当输入信号最小Vim=5mV，放最大位置Volm为Volm=Av1*Vim=14*5=70mV第二级要求输出Vom2.5V为在输入信号最小为70V,其增益 Av2=Vom/Vo1m=35.72功率放大为甲乙类双电源互补对称电路。因此供电电压值可根据输出功率来进行计算。题目中要求在RL负载上输出功率Por10W，所以可计算出负载上输出电压峰值：Vom=2Rl*Por=11.64V则供电电压 Vcc=12v拟采用Vcc=12V双电源供电。 Pomax=Vomax*Vomax/RL测得Vomax=13,5V,RL=8可计算得Pomax=22.

15、78W2) 效率测量方法：在不失真输出功率情况下，测出流进12V电源的电流Icc,计算电源供给功率Pdm=Icc*2Vcc.则效率为 =Pomax/Pdm调整电路或输入信号电压，使不失真输出功率Por=10W,测出电源电流Ioc,则Pd=2*Vcc*Ioc,效率为=Por/Pdm 若Pomax=22.78W时测得Icc=1.25A,则=60.7.Por=10W时,测得Ioc=0.55A,则=60.63)失真系数的测量方法：在额定输出功率下直接用失真度测量仪测量。 4.整体电路性能分析此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出最大功率为20W，失真系数r0.1，基

16、本符合设计要求。5.低功放输入，输出电阻测量1)输入电阻的测量。方法：将低频信号发生器对功放输入的正弦信号，并在输入端串连一电阻R.用毫伏表测出Vs和Vi可得 Ri=Vi*Rs/(Vs-Vi)若测得Vs=100Mv,Vi=51.7Mv,且Rs=20 K可计算得Ri=16.68 K2)输出电阻的测量。方法：将低频信号发生器对功放输入f=1kH的正弦信号,然后测出空载和有载时的输出电压Vo1,Vo2,则输出电阻为 Ro=(Voi-Vo2)*Rl/Vo2若测得Vo1=3v,Vo2=2.98v,且Rl=8可计算得Ro=0.0543 . 输出功率的测量。1) 最大输出功率Pomax的测量.方法：输入f=

17、1kH的正弦信号，在输出波形系数r3的情况下，测出输出负载RL=8最大电压幅度Vomax，则最大输出功率为 Pomax=Vomax*Vomax/RL测得Vomax=13,5V,RL=8可计算得Pomax=22.78W2) 效率测量方法：在不失真输出功率情况下，测出流进12V电源的电流Icc,计算电源供给功率Pdm=Icc*2Vcc.则效率为 =Pomax/Pdm调整电路或输入信号电压，使不失真输出功率Por=10W,测出电源电流Ioc,则Pd=2*Vcc*Ioc,效率为=Por/Pdm 若Pomax=22.78W时测得Icc=1.25A,则=60.7.Por=10W时,测得Ioc=0.55A,

18、则=60.63)失真系数的测量方法：在额定输出功率下直接用失真度测量仪测量。 4.整体电路性能分析此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出最大功率为20W，失真系数r0.1，基本符合设计要求。3.3 电路仿真结果 3.3.1 前置放大级电路原理图波形比对图3.2 前置放大级电路1-1 总体设计方案框架图3.3.2 前置放大级电路仿真波形图图3.3前置放大级电路仿真波形图1-1 总体设计方案框架图第4章 课程设计总结本设计为保证低频响应电路中采用直接耦合，同时为使电路工作稳定，输入级采用串联反馈式稳压电源。采用基极分压式射极偏置电路，这对提高线性，降低波形失真起

19、到很大的作用。末级输出电路工作在甲乙类状态，这既保证了线性不失真放大，又可使效率达到指标。本设计采用市电供电，将市电220 V通过变压器变成24 V的直流电，供前置放大器与功率放大器使用。输入信号通过前置放大电路进行初步放大，再经过功率放大器进行进一步的放大。最后通过输出端输出，即得到所需。通过Multisim.10仿真软件，对电路仿真后结果，满足设计要求。参考文献1 电子技术基础（第五版）（模拟部分）康华光主编北京：高等教育出版社 2 电子技术基础实验与课程设计章忠全主编北京：中国电力出版社 20013 电子技术基础-模拟电子技术郝波主编4 全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选全国大学生电子设

20、计大赛组委会北京：北京理工大学出版社 2003.35 模拟电子技术顾海运主编6 电子技术常用器件应用手册陈汝全北京：机械工业出版社 20047 集成电路原理及应用谭博学 苗江静主编附录器件清单：稳压电源部分：元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电桥D1(D1D4)IN54024电容C12 m F电桥D2(D5D6)IN54022电容C21 F电阻R11 K/1W运放Q1LM7824电阻R21 K/1W运放U1LM7924电阻R3510/1W运放T2 2N3904电阻R4300/1W运放T32N3904电阻R5300/1W电阻RL150/1W滑动电阻1 K 50% 前置放大级部分：元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电阻R150电容C110 F电阻R2 10 k电容C210 F电阻R3 50 k电容C350 F电阻R4100电容C450 F电阻R55k电容C510 F电阻R6800直流电源V115v电阻Rc35k功放Q12N3904电阻Re1300功放Q22N3904电阻Re2700电阻Re3200功率放大器部分：元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电阻R71 k功放Q32N3904电阻R81 k功放Q42N3904电阻R91k功放Q52N3904电阻R108保险丝限流1mA二极管D11N202C二极管D11N202C