毕业设计音频放大器设计.doc

本科学年论文题目：音频放大器设计学院：电子信息工程学院专业：自动化年级：2008级姓名：学号：指导教师：一直流电源设计（一）、设计要求：（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（510）mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR2W； 带宽BW（5010000）Hz； 在POR下和BW内的非线性失真系数3%； 在POR下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流噪声功率10mW。（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。（二）、设计分析：（1）由于220v电源有很多谐波存在，可能会干扰到电源的稳定工作，故应在整流后加入电解电容，以起到滤波作用。（2）为减小输出端的电压波纹，应该在滤波电路后加电解电容。（3）为了抑制瞬态响应，防止或消除高频干扰，还应加入相应的电容。（4） 输出端放入电路前应加一个二极管，防止输出电压过高而烧毁电路，即起到保护作用。综上所述，可设计电路如下所示： 对上述电路进行优化，电路如下图所示：分析得-15V+15V的情况如下图所示：二、滤波电路设计（一）、设计要求1.基本要求（1）具有产生正弦波的功能。（2）输出波形的频率范围为1kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）。（3）输出波形幅度范围05V（峰-峰值）。2发挥部分（1）输出波形频率范围扩展至10Hz200kHz。（2）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%（负载电阻变化范围：100）。（二）、关于滤波器类型的选择一阶滤波电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减特性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这一点上它不如压控电压源型二阶滤波器。级数选择：滤波器的级数主要根据对带外衰减特性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12 dB 每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数的总特性阶数等于各级阶数之和。当要求的 带外衰减特性为-mdB每十倍频程（或mdB每十倍频程）时，则所取级数n应满足nm/6(或nm/20)。（三）、运放的要求在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器。为了获得足够的反馈以保证所需滤波特性，运放得开环增益应在80dB以上。对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限为fH，则运放的单位增益带宽应满足下式:BWG（35）AFfH,式中AF为滤波通带的传输系数。 如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以至使R C网络中电阻元件的值超过100K，则应选低漂移高输入阻抗的运放。元件的选择： 一般设计滤波器时都要给定截止频率fc （或c）带内增益AV，以及品质因数Q(二阶低通或高通一般为0.707)。在设计时经常出现待定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目。因此有许多元件组均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分挡较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照下表初选电容值：滤波器工作频与电容取值的对应关系表f(Hz)11010102102103103104104105105106C(2010)uF(100.1)uF(0.10.01)uF(104103)pF(103102)pF(10210)pF注：表中所示的频率，对低通滤波器是上限频率，对高通滤波器是下限频率，对带通和带阻滤波器是中心频率。其电容值表示的数为数量级范围。对于本设计的音频放大器输入为50 Hz的信号，为了减小对电路的干扰，应设计一个能够滤除干扰频率的信号的滤波器。（四）、任务分析1.对低通滤波器进行分析对低通滤波器采用OP1P进行放大，其中R4=R5，则知道增益为1.根据公式：传递函数G(w)=截止频率： 已知来求期截止频率.若要求截止频率为20k，R4=R5，只要设定一个变量，便可以知道另外一个变量，设C4=1nF.根据公式可求得R4=R5=8k。有理论分析，对理论图分析。在数入有效值为1，频率为1，如下图所示。由上图可以清晰的看到：低通滤波器采用OP1P进行放大，因为最大值始终在0附近，则知道增益近似为1.且在20k附近，刚好达到截止频率（即0.707）20k以内，所有的波形都能通过，波形较好。与理论值相符。2.对高通滤波器进行分析在高通滤波电路中仍然采用OP1P对电路进行放大，若R6=R7，则其增益为1。根据公式：传递函数：G(w)= 截止频率：。同上低通滤波器分析，设定C5=10u，便可以得到R6=R7=15.7k。在输入有效值为1，频率为1的正弦波时，得到如下波形。由图上可以清晰的看到，其最大值在0附近，则其增益为1.且波形在10 HZ以上良好。在20k HZ时候仍保持较好的截止。形成一个从10 HZ20k HZ的带通滤波器。与理论值相符，波形较好。3.对50 HZ陷波滤波器分析对50 HZ陷波滤波器采用2个OP07放大。频率为1的正弦波下分析，得到如下波形。由上图可以清晰的看到在50 HZ时候，该电路表现出较好的陷波作用，在其它范围内，波形全通过，且增益为1，体现出良好的性能。4.将三级连起来对滤波器分析因为三级是相互独立的，所以得到波形应该是增益为1，在10 HZ20k HZ范围内通过，且在50 HZ处有陷波。对上电路图分析。由上图可以清晰的看到在50HZ处的陷波，在20HZ到50 HZ波均能通过，而且幅值始终小于1，较好的反应了增益为1的特性，角度也很合适。三、音频放大电路的设计及仿真（一）前置放大电路：R15kR25kR3100k3267481U1OP07+15V-15VC1(+)outputC14u7C1(+)图中C1为隔直流电容，是为满足各级直流全反馈稳定直流工作点而加的。要求C1必须呈短路，即C1的容抗远小于R1、R2的阻值，所以令C1=4u7。该前置放大电路的放大倍数为AV1=-R2/R1=-20。（1）当输入是10mv 1000Hz的信号时，输入输出波形的变化如下图所示：显示为：输入10mv时，相应输出为200mv，满足最初设计要求。由图中可以读到OUTPUT最大值为200m v.则可以推算其放大倍数为20.与理论值相符。（2）频率分析：默认输入频率为10HZ1MHZ，对前置电路进行频率分析，分析结果如下图所示由图可知通频带满足设计要求，即包含50Hz 10000Hz的频带范围。（3）失真分析观察上图，可知失真分析基本满足要求，所以前置放大电路设计方案是正确的。（4）傅里叶分析设置傅里叶分析开始时间为0，终止时间为1s，最大频率100k，然后对前置放大电路进行傅里叶分析，分析结果如下图所示：由图可知，傅里叶分析在处达到最大值，并且毛刺较少，可知此前置放大电路设计方案能较好的满足要求。由于前置放大电路中, R1、R2的阻值比例关系经计算及实际仿真分析,已达到最优状况,故不能通过改变其阻值来实现设计中要求的放大倍数,所以需采用二级放大来实现此项技术指标。（二）二级放大电路在二级放大电路中，为电路提供放大倍数为4的电路。所以设R4=5k,反馈电阻为20k.则其放大倍数满足设计要求。对以上理论进行验证。放大倍数基本满足要求。（1）当原始输入端输入是10mv 1000Hz的信号时，输入输出波形的变化如下图所示：由图上读取数据：OUTPUT2=41mv ,INPUT2=10mv, 器放大倍数接近4倍，与理论分析很接近，所以是正确的。因为是反向输入，所以得到的波形是OUTPUT2和INPUT2波谷和波峰相对。（2）频率分析默认输入频率为10HZ1MHZ，对前置电路进行频率分析，分析结果如下图所示由图可知通频带满足设计要求，即包含50Hz10000Hz的频带范围。(3)失真分析设置仿真频率为10HZ1MHZ，对音频放大器前置放大电路进行失真分析观察上图，可知失真分析基本满足要求，所以二级放大电路设计方案是正确的。（4）傅里叶分析由图可知，傅里叶分析在处达到最大值，并且毛刺较少，可知此前置放大电路设计方案能较好的满足要求。由于输出电流太小，不能驱动大功率的扬声器工作，故需设计一个功率放大器来实现此项技术要求。（三）功率放大电路在本设计电路中，要求放大电路的末级输出一定的功率来驱动负载。从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有区别，只是功率放大电路既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压稳定的情况下，输出尽可能大的功率。为了满足以上要求，设计思路如下：主要部分采用能够消除交越失真的OCL电路。使两只放大管均工作在临界导通或微导通状态，这样即使输入电压较小，总能保证至少有一个管子导通，也就了消除交越失真的可能。综合考虑，最终设计如下图所示：其中，滑动变阻器RV1起到防止功放输出失真的作用，RV2起到调整输出阻抗的作用。两个串联的二级管则起到保护的作用。当输入信号为10mv 1000Hz的正弦波时（即为放大级输出电压情况），输出波形为电压电压值是58mv的正弦波，我们就可以得到该级的放大倍数是5.8倍，这样就可以达到总的放大倍数。波形未出现失真现象, 很好的满足了设计要求。功率放大电路的输入波形、输出波形,如下图所示：（四）音频放大电路将前三级连起来（前置放大，二级放大，功率放大器），组成音频放大器。在本次设计中，加入音频信号，对其分析相关性能。（1）对加入音频模拟分析（2）当输入信号为10mv 1000Hz的正弦波时（即为放大级输出电压情况），输出波形如下图所示，电路有很大的放大倍数，并且波形未出现失真现象, 很好的满足了设计要求。音频放大电路的输入波形、输出波形,如下图所示：（3）频率分析默认输入频率为10HZ1MHZ，对前置电路进行频率分析，分析结果如下图所示由图可知通频带满足设计要求，即包含50Hz10000Hz的频带范围。（4）失真分析设置仿真频率为10HZ1MHZ，对音频放大器前置放大电路进行失真分析观察上图，可知失真分析基本满足要求，所以此音频放大电路设计方案是正确的。（5）傅里叶分析由图可知，傅里叶分析在处达到最大值，并且毛刺较少，可知此前置放大电路设计方案能较好的满足要求。（6）噪声分析由图可知，自激噪声非常小，几乎不影响输出地音频信号。 四、protel制作PCB板（一）、protel电路原理图（1）、原理图（2）、生成网络表在将整个电路图导入到protel中以后，就可以导出网络表。而在此之前可以进行电路元件属性检查。通过这个表，就可以检查各个原件是否设置了封装，如果某个原件没有设置封装，则网络表无法导出。检查完毕之后，就可以进行网络表的生成。网络表中包含各个原件的标号、封装、标称值。（3）、元件列表生成在生成网络表之后就可以输出元件列表（二）、对应原理图的PCB印刷电路板设计如下:五、设计总结：本次设计以实用音频功率放大器为主，同时对滤波器和波形发生器做了简单的设计。根据要求，本次设计是为了增强我们的动手能力，将书本中学到的知识进一步升华，使我们切切实实明白这些电路的工作原理、如何选择元器件、如何设计电路等等。在我的设计中还有许多不足之处，如电源不可以调幅，电路的性价比不高等问题。在独立完成音频功率放大器设计的过程中，我们对电路的设计能力有显著提高，尤其是对所学电路知识有了新的了解。本电路简单高效，失真小，选频特性较好，达到了设计目的和要求，但在电路的整个设计过程中存在很多问题：(1) 虽然理论上达到要求，但在实际操作过程中理想与现实总是存在很大差异在一些元器件的选择上，性能较好的管子参数很好但性价比较低。更有一些元件视唱上买不到。应此在电路设计时一定要寻求最优化设计。 (2) 在做PCB板时也遇到很多问题：排板不合理，有些元器件需要自己设计封装图，还需要考虑元件散热问题等。在设计电路的每一部份时也有很多问题需要注意：放大倍数和频带宽度是相互矛盾的，此消彼长。在使用电容时更要小心因为电容的串联与并联正好与电阻的相反。如果不多加小心也许会走很多弯路。（3） 在设计电路时考虑到元器件差异，理论与实际的差异及元器件对电路复杂程度的影响和电路的性价比等因素，所以在设计电路时一般都有多于一套的方案及备用元件来更好的完成此次试验。六、参考文献（1）基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真周润景 张丽娜 编著 北京航空航天大学出版社 2006.05.01（2）模拟电子技术基础>> 主编:童诗白 华成英 高等教育出版社 2000.3(3)韩广兴.电子元器件与使用电路基础-电子工业出版社，2002；（4）模拟集成电路设计 （加）David A.Johns Ken Martin著 （曾朝阳 赵阳 方顺 等译） 机械工业出版社2005.11（5）<<集成电路音响放大器>> 徐治邦 编著 新时代出版社 1984.1