2022年音频功率放大器设计方案与制作.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用毕业设计论文课题名称： 音频小信号功率放大电路设计与制作同学姓名 欧大连学 号 0501100219 学院 系）机械与电子工程学院专 业 应用电子技术班 级 10 应电是原先的 倍的大信号,这现象称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；常见的功率放大器工作方式有以下几种：A 类放大器的主要特点是：放大器的工作点 Q设定在负载线的中点邻近,晶体管在输入信号的整个周期内 均导通；放大器可单管工作,也可以推挽工作；由于放大器工作在特性曲线的线性范畴内,所以瞬态失真和交替失真较小；电路简洁,调试便利；但效率

2、较低,晶体管功耗大,功率的理论最大值仅有25%,且有较大的非线性失真；由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用；B 类放大器的主要特点是：放大器的静态点在VCC,0处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率；在 Vi 的正半周期内, Q1导通 Q2截止,输出端正半周正弦波：所以必需用两管推挽工作；其特点是效率较高 78%,但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是 交越失真 较大；即当信号在-0.6V 0.6V 之间时, Q1 Q2 都无法导通而引起的；所以 这类放大器也逐步被设计师摒弃；AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期,必需用 两管推挽工作；可以防止交越失真；交替

3、失真较大,可以抵消偶次谐波失真有效率较高,晶体管功耗较小的特点；D类 数字音频功率 放大器是一种将输入模拟音频信号或 PCM数字信息 变换成 PWM或 PDM脉冲密度调制 的脉冲信号 , 然后用 PWM名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用或 PDM的脉冲信号去掌握大功率开关器件通 关放大器；具有效率高的突出优点；T 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制/ 断音频功率放大器,也称为开D 类功率放大器相同,功率晶体管也是工作在开关状态,效率和 D类功率放大器相当；音频功率放大器的显现让我们的生活

4、布满了活力与颜色,它是音响技术 领域无法或缺的一部分；有了它,把我们带进了电子产品的有声世界；1.2 音频功率放大器的进展回忆一下功率放大器的进展历程,对我们广大音响爱好者来说或许是一件 饶好玩味的事情；音频功率放大器的应用主要是音响技术领域；音响技术的进展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个 阶段；1906 年美国人德福雷斯特创造了真空三极管,开创了人类电声技术的先河；1927 年贝尔试验室创造了负反馈技术后,使音响技术的进展进入了一个崭新的时代,比较有代表性的如威廉逊 放大器,较胜利地运用了负反馈技术,使放大器的失真度大大降低；至 50 岁月电子管放大器的进展达到了一个高潮时

5、 期,各种电子管放大器层出不穷；由于电子管放大器音色甜蜜、圆润,至今仍 为发烧友所偏爱； 60 岁月晶体管的显现,使广大音响爱好者进入了一个更为宽阔的音响天地；晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范畴等特 点；在 60 岁月初,美国第一推出音响技术中的新成员集成电路；到了 70 岁月 初,集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点,逐步被音响界所熟悉；进展至今,厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路；70 岁月的中期,日本生产出第一只场效应功率管；由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜蜜的音色,以及动态范畴达90dB 、THD0.01%100kHz时）的特

6、点,很快在音响界流行；现今的很多放大器中都采纳了场效应管作为 末级输出；80 岁月 ,数字功放成为了新一代的宠儿；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1.3 本课题设计意义随着电子技术的快速进展,音频小信号功率放大器的用途也越来越广泛；很多电子产品都要用到音频功率放大器,诸如音响、电视机、收音机等,均要求放大电路的末级有足够的功率去推动扬声器喇叭）音圈振动发出声音；这种用于向负载供应足够信号功率的放大电路称为功率放大电路,简称功放；音 频功率放大器的作用是将柔弱的声音电信号放大为功率或幅度足

7、够大、且与原 来信号变化规律一样的信号,即进行不失真的放大；音频功率放大器应用最广 的是音响技术领域,用于扬声器的发声,是音响设计与制作中必不行少的一部 分；本设计音频功率放大器是如今使用特别广泛的一类器件,为电子产品的发 声供应了很多的解决方案；本文设计的是一种音频小信号功率放大器,设计中 采纳了 OTL 功放作为本课题的主要组成部分,通过前级放大电路与音频功率 放大电路的结合,利用两次放大,从而实现音频信号的输出；本设计制作的基本技术指标要求： 1）当输入正弦信号电压有效值为5mv 时,在 8 电阻负载 一端接地）上,输出功率8w ,输出波形无明显失真；2 ）通频带为20Hz150kHz

8、；3）输入电阻为 效率；600 ；4）尽可能提高功率放大器的整机本设计音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大,使 其功率增加,然后输出；前级放大主要完成对小信号的放大,使用一个由 电阻和电容组成的电路对输入的音频小信号的电压进行放大,得到后一级 所需要的输入；后一级主要是对音频进行功率放大,使其能够驱动电阻而得到需要的音频；本设计用到了两个晶体管：性一样；组成互补对称式射极输出器；仍用到了 本设计的核心部分；NPN 、PNP 各一支；两管特 OTL 功率放大器,这些是新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的显现之后产生的,音频 功率放大器同样也不会例外；在科技日新月异的时代,我们

9、有理由期望更完善 的功率放大器的显现；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用第 2 章 系统总体设计方案2.1 设计要求2.1.1设计依据1）与电子电路设计有关的国家和行业法规、技术标准与规范等；2）本音频功率放大器设计任务书要求的技术范畴；2.1.2基本要求1）当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时,在 8 电阻负载 一端接地）上,输出功率8w,输出波形无明显失真；2）通频带为 20Hz150kHz ；3）输入电阻为 600；4）尽可能提高功率放大器的整机效率；2.2 设计思路本课题要求设计

10、并制作一个音频功率放大器,要求当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时,在 8 电阻负载上,输出功率要大于等于 8w,输出波形无明显的失真；通频带在 20Hz 到 150kHz 之间；输入电阻要求为 600；尽可能的提高功率放大器的整机工作效率；依据这些要求,本设计最好采纳二级放大来实现音频信号的输出；前级放大主要作用于电压信号的放大,二级放大主要作用于功率的放大；这样的设计能保证音频信号有足够的功率能从扬声器输出；本课题要求设计一种音频功率放大器,在 8 电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波；设计中采纳分立元件组成音频功率放大器,采纳三极管构成一级放大电路,利用 阻器转变输入电压；NPN 和

11、 PNP 管构成二级放大电路,采纳滑动变名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用2.3 整体框图本设计主要通过输入信号源,在一级电路将音频信号的电压放大后,传给 二级电路进行音频信号功率的放大,最终通过扬声器输出；本设计要求在 8 电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波,当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时,输出功率 8w ,尽可能提高功率放大器的整机效率；电路通过转变 滑动变阻器的阻值来调剂电压,使输出功率随着电压的变化而变化,从而达到 本设计的设计指标；系统整体设计框图如图 1-1 所示；

12、电源电路输 入 音 频前 级 放 大功 率 放 大输出级信号电路电路负 反 馈 电 路图 2-1 系统整体设计框图示意图2.4 前级放大设计方案比较与论证2.4.1方案一用 LM386 组成的 OTL 功放电路如图 入,从脚经耦合电容 NE5532功能特点简介 : NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器；相比较大多数标准运算放大器,如1458,它显示出更好的噪声性能,提高输出驱动才能和相当高的小信号和电源带宽；这使该器件特殊适合应用在高品质和专业音响设备,仪器和掌握电路和电话通道放大器；假如噪音特别最重要的,因

13、此建议使用 5532A版,由于它能保证噪声电压指标；NE5532特点：.小信号带宽： 10MHZ .输出驱动才能：600 ,10V 有效值 .输入噪声电压： 5nV/Hz典型值 电压增益： 50000 .直流 .沟通电压增益：2200-10KHZ .功率带宽： 140KHZ .转换速率： 9V/ s .大的电源电压范畴：3V - 20V .单位增益补偿 NE5532引脚图：名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 1 NE5532 8 脚引脚图图 2 NE5532 16 脚封装引脚功能图NE

14、5532 内部原理图 :图 3 5532 内部电路图NE5532 电气参数 :名师归纳总结 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 肯定最大额定值RATING 数值UN第 11 页,共 33 页SYMBOL 符号 PARAMETER 参数IT 单- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用位VS Supply voltage 电源电压 22 V VIN Input voltage 输入电压 VSUPPLY V VDIFF Differential input voltage1 差分输入电压 0.5 V NE5532/A 0 t

15、o 70 Tamb Operating temperature range 工作温度范畴SA5532 40 to +85 55 to SE5532/A +125 Tstg Storage temperature 储备温度 65 to +150 Tj Junction temperature 结温150 mW D8 package 780 PD Maximum power dissipation, Tamb = 25 8 N package 1200 mW still-air 最大功耗,Tamb = 25 焊接温度 10 秒最大值 230 DC ELECTRICAL CHARACTERISTIC

16、S直流电气特性Tamb = 25 ；VS = 15 V, unless otherwise specifiedNE5532/A, SA5532 数UNITSYMBOL 符号 PARAMETER 参数TEST CONDITIONS SE5532/A 数值值测试条件最小典型最大最小典型最大单位Vos Offset voltage 偏移电压在整个工作温度- 0.5 2 - 0.5 4 mV 3 5 mV VOS/ T 范畴5 5 V/ IOS Offset current 失调电流在整个工作温度范- 200 100 - 10 150 nA 200 200 nA IOS/ T 围200 pA/ IB

17、Input current 输入电流在整个工作温度- 200 400 700 - 200 800 nA 1000 nA IB/ T 范畴5 5 nA/ Icc Supply current 电源电流Over temperature - 8 10.5 13 - 8 16 mA mA VCM Common-mode input range - 12 13 - 12 13 - V 共模输入范畴CMRR Common-mode rejection - 80 100 - 70 100 - dB ratio 共模抑制比PSRR Power supply rejection - - 10 50 10 100

18、 V/V ratio 电源抑制比AVOL Large-signal voltage RL2k ；VO 50 25 100 - 25 100 - V/mV gain 大信号电压增益= 10V Over 40 20 50 15 50 V/mV temperature 15 V/mV RL600 ；10 V/mV VO= 10V Over temperature 名师归纳总结 VOUT Output swing Out ut RL600 12 13 - 12 13 - V 第 12 页,共 33 页swing 输出摆幅电压Over temperature 10 12 10 12 - - - - -

19、- -精选学习资料 - - - - - - - - - RL.600 ；个人资料整理仅限学习使用 15 16 15 16 VS= 18V 12 14 12 14 Over temperature 13 13.5 13 13.5 RL2 k 12 12.5 10 12.5 Over temperature RIN InputResistance输入电阻30 300 - 30 300 - kIsc Output short circuit 10 38 60 10 38 60 mA current 输出短路电流AC ELECTRICAL CHARACTERISTICS 沟通电气特性Tamb = 25

20、；VS = 15 V, unless otherwise specified.UNIT单位W % V/mV MHz V/ s kHz kHz NE/SE5532/A, SA5532 SYMBOLPARAMETER 参数TEST CONDITIONS测试条件最小典最大值符号值型ROUT Output resistance输出电阻AV = 30dB Closed-loop f = - 0.3 - 10kHz, RL = 600 - Overshoot 上冲电压Voltage-follower VIN=100 mVP-P - 10 - CL=100pF； RL=600Av Gain 增益f = 10

21、kHz - 2.2 - GBW Gain bandwidth product 带宽增CL = 100 pF ； RL = 600 - 10 - 益SR Slew rate 转换率- - 9 - VOUT = 10V- 140 - - Power bandwidth 功率带宽VOUT = 14V； RL = 600 , - 100 - VCC= 18V ELECTRICAL CHARACTERISTICS电气特性 Tamb = 25 ； VS = 15 V, unless otherwise specifiedSYMBOL 符号PARAMETER 参数输TEST NE/SE5532 最大值NE/

22、SA/SE5532A UNITUNIT CONDITIONS测最小值典型最小值典值最大值单位试条件VNOISE Input noise voltage 入噪声电压fO = 30Hz 8 8 12 nV/Hz fO = 1kHz 5 5 6 nV/Hz INOISE Input noise current 入噪声电流输fO = 30Hz 2.7 2.7 pA/Hz fO = 1kHz 0.7 0.7 pA/Hz Channel separation 声f = 1kHz ；110 110 dB 道隔离RS = 5k EN5532 前级放大应用电路名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页

23、,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用方案二电路的优点： EN5532 是一种低电压通用型音频集胜利率放大器,应用广泛,大大削减了分立元件的使用,供电电压要求比较宽, 3V- 20V 都 可以驱动,通频带较宽；2.4.3方案三采纳一些晶体管、电阻和电容构成的音频功率放大器,电路图如图 1-5 所 示；本电路图主要有前置放大电路和功率放大电路两部分组成；前置放大电路 由一些电阻、电容、滑动变阻器、晶体管等元件构成；前置放大电路主要应用 了负反馈；负反馈具有提高电路及其增益的稳固性,削减非线性失真,扩展通 频带,转变输入电阻和输出电阻等功能；反馈

24、在电子电路中得到广泛应用；正反馈应用于各种振荡电路,用作产生各种波形的信号源；负反馈就是用来改善放大器的性能；将放大器输出信号 电压或电流）的一部分或全部）,经过肯定的电路称为反馈网络）送回到输入回路,与原先的输入信号 放大器,这样的作用过程称为反馈；电压或电流）共同掌握电路中的负反馈属于电压并联负反馈,R5 是反馈元件,它构成反馈网络；在此电路中负反馈的主要作用是改善放大电路的性能,放大音频信号的电名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用压；功率放大电路主要由各种晶体管、电阻和电容等构成；功

25、率放大电路用的是 OTL 功放电路,仍有 NPN 复合管和 PNP复合管；OTL 电路具有线路简洁、效率高等特点,但要采纳双电源供电,给使用和修理带来不便；为了克服这一缺点,可采纳单电源供电的互补对称电路,这种电路又称为无输出变压器的功放电路,简称 可以对音频信号进行放大,获得很强的信号；OTL 电路； NPN、PNP 复合管图 2-5 分立元件构成的音频功率放大器方案三电路的优点：此电路全部采纳分立元件构成音频功率放大器,应用到了很多模拟电子的学问,能很好的让我回忆学过的学问,锤炼我们分析电路的才能；元器件的价格相对集成块来说比较廉价；方案三电路的缺点：使用的是 定的危急性；30V 电源,要

26、求的电压相对较高,具有一名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用综合以上三种设计方案,方案一不符合设计要求；方案二和方案三都符合 设计要求,从各各方面考虑,我打算采纳方案三；方案二适用于电子初学者,元器件较少,简洁焊接,设计简洁,简洁弄懂其工作原理；方案三适用于有一 定电子基础的人,能很好的培育人对电路的分析才能,工作原理具有多样性,元件价格也廉价,很适合本次设计；最终,我打算采纳方案三的电路作为本课题的讨论对象；第 3 章 单元电路设计3.1 前级放大电路的设计3.1.1 负反馈的概念本设计

27、的前级放大电路主要运用到了负反馈电路；负反馈放大器的方框图 如图 3-1 所示；反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成；图中 A 表示开环放大器 也叫基本放大器）, F 表示反馈网络, X i 表示输 入信号 电压或电流）, X 0 表示输出信号, X f 表示反馈信号, X id 表示净输入 信号；由图可知：净输入信号为X id=Xi-Xf方程一）开环放大倍数 或开环增益）为 A=X 0/X id方程二）反馈系数为 F=Xf/X 0方程三）放大器闭环后的闭环增益为 A f=X 0/X i 方程五）方程五说明白反馈放大器的增益与开环放大器的放大倍数、反馈系数的关 系；方程五中,如 | 1+

28、A F | 1,就|Af | A |, 说明加入反馈后闭环放大倍数变名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用小了,这类反馈属于负反馈；图 3-1 负反馈放大器的组成框图3.1.2 负反馈对放大电路的影响一、提高电路及其增益的稳固性直流负反馈稳固直流量,能起到稳固静态直流）工作点的作用；假如由于某种缘由,放大器增益加大 输入信号不变）,使输出信号加大,从 而使反馈信号加大；由于负反馈的缘由,使净输入信号减小,结果输出信号减 小；这样就抑制了输出信号的加大,实际上使得增益保持稳固；电流负反馈稳 定

29、输出电流,电压负反馈稳固输出电压；二、削减非线性失真 由于三极管特性的非线性,当输入信号较大时,就会显现失真,在其输出 端得到了正负半周不对称的失真信号；当加入负反馈以后,这种失真可得到改 善；其过程如图 3-2 所示,输出失真波形反馈到输入端与输入信号合成得到上 半周小下半周大的失真波形,经放大后恰好补偿输出失真波形；名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3-2 负反馈减小非线性失真示意图三、扩展通频带负反馈电路能扩展通频带；引入负反馈后增益下降,但通频带扩展；对于单 RC 电路,系统

30、通频带扩展 电路是一种没有输出变压器的功率放大电路；过去大功率的功率放大器多采纳变压器耦合方式,以解决阻抗变换问 题,使电路得到正确负载值；但是,这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点,目前已较少名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用使用； OTL 电路不再用输出变压器,而采纳输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路,使电路轻巧、适于电路的集成化,只要输出电容的容量足够大,电路的频率特性也能保证,是目前常见的一种功率放大电路；它的特点是：采纳互补对称电路NPN 、 PNP 参数一样,互补

31、对称,均为射随组态,串联,中间两管子的射极作为输出 ,有输出电容,单电源供电,电路轻巧牢靠；“ 两组串联的输出中点” 可懂得为采纳互补对称电路 NPN 、 PNP 参数一致,互补对称,均为射随组态,串联,中间两管子的射极作为输出 ；OTL 电路的优点是只需要一组电源供电；缺点是需要能把一组电源变成了两组对称正、负电源的大电容；低频特性差；3.2.2 OTL 功率放大电路的工作原理如图 3-4 所示为 OTL 低频功率放大器；其中由晶体三极管 T1 组成推动级, T2、T3 是一对参数对称的NPN 和 PNP 型晶体三极管,他们组成互补推挽 OTL 功放电路；由于每一个管子都接成射极输出器形式,

32、因此具有输出电阻低,负载才能强等优点,适合于作功率输出级；T1 管工作于甲类状态,它的集电极电流 Ic1 的一部分流经电位器 RW2 及二极管 D,给 T2、T3 供应偏压；调剂 RW2,可以使 T2、T3 得到适合的静态电流而工作于甲、乙类状态,以克服交越失真；静态时要求输出端中点A 的电位 UA=1/2U CC,可以通过调剂RW1 来实现,又由于 RW1 的一端接在 A 点,因此在电路中引入直流电压并联 负反馈,一方面能够稳固放大器的静态工作点,同时也改善了非线性失真；名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3-4 OTL 低频功率放大器当输入正弦沟通信号 ui 时,经 T1放大、倒相后同时作用于 T2、T3的基极,ui 的负半周使 T2 管导通 T3 管截止）,有电流通过负载 RL,同时向电容 C0 充电,在 ui 的正半周, T3 导通 T2 截止）,就已充好电的电容器 C0 起着电源的作用,通过负载 RL 放电,这样在 RL上就得到完整的正弦波；C2 和 R 构成自举电路,用于提高输出电压正半周的幅度,以得到大的动态范围；3.2.3 OTL 电路的主要性能指标OTL 电路的