模電課程設(shè)計——音頻功率放大器

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　學生姓名： 張建朋 專業(yè)班級： 電信 1002 指導教師： 劉運茍 工作單位： 信息工程學院 </p><p>　　題 目： 音頻功率放大器</p><p>

2、;<b>　　初始條件：</b></p><p>　　具備模擬電子電路的理論知識；具備模擬電路基本電路的設(shè)計能力；具備模擬電路的基本調(diào)試手段；自選相關(guān)電子器件；可以使用實驗室儀器調(diào)試。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1、不失真輸出功率≥2.4 W，頻率響

3、應(yīng)：20HZ～20KHZ</p><p>　　2、輸入阻抗≥ 50KΩ，輸入電壓≤ 5mv</p><p>　　3、具備高音和低音的音調(diào)控制功能</p><p><b>　　4、效率>60%</b></p><p>　　5、安裝調(diào)試并完成符合學校要求的設(shè)計說明書</p><p><b&

4、gt;　　時間安排：</b></p><p>　　一周，其中3天硬件設(shè)計，2天硬件調(diào)試</p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日 </p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年

5、 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 模電課設(shè)概述 ……………………………………………………………………(1)</p><p>　　1.1設(shè)計背景 ……………………………………………………………………(1)</p><p>　　1.2設(shè)計目的及意義 …………………………………

6、…………………………(2)</p><p>　　1.3設(shè)計時間 ……………………………………………………………………(2)</p><p>　　1.4開發(fā)環(huán)境Multisim介紹 …………………………………………………(2)</p><p>　　2 課程設(shè)計內(nèi)容……………………………………………………………………（3）</p><p>　　

7、2.1課程設(shè)計題目 ……………………………………………………………（3）</p><p>　　2.2課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求 …………………………………………………（3）</p><p>　　2.3音頻功率放大器各個電路介紹 …………………………………………（4）</p><p>　　2.3.1直流穩(wěn)壓電源…………………………………………………………（4）</p&

8、gt;<p>　　2.3.2前置放大 ……………………………………………………………（5）</p><p>　　2.3.3帶通濾波電路…………………………………………………………（5）</p><p>　　2.3.4音調(diào)控制 ……………………………………………………………（7）</p><p>　　2.3.5功率放大 ……………………………………………

9、………………（10）</p><p>　　2.4音頻功率放大整體電路圖 …………………………………………………(11)</p><p>　　2.5 仿真過程及分析 ……………………………………………………………(12)</p><p>　　2.6 實際安裝與調(diào)試 ……………………………………………………………(18)</p><p>　　3心

10、得體會…………………………………………………………………………(21)</p><p>　　4參考文獻…………………………………………………………………………(22)</p><p>　　5本科生課程設(shè)計成績評定表 …………………………………………………(23)</p><p><b>　　1 模電課設(shè)概述 </b></p>&

11、lt;p><b>　　1.1 設(shè)計背景</b></p><p>　　音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當成熟的領(lǐng)域,幾十年來,人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?無論從線路技術(shù)還是元器件方面,乃至于思想認識上都取得了長足的進步。</p><p>　　一、早期的晶體管功放   </p><p>　　半導體技術(shù)的進步使晶體管放大器向前

12、邁進了一大步，自從有了晶體管,人們就開始用它制造功率放大器，早期的放大器幾乎全用鍺管來制作,但由于鍺管工藝上的一些原因,使得放大器中所用的晶體管,尤其是功放管性能指標不易做得很高。</p><p>　　二、晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真  </p><p>　　隨著半導體工藝的逐漸成熟,大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加,越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的 OCL電路

13、或 OTL電路，最初的大功率 PNP管是鍺管,而 NPN管是硅管,兩者的特性差別非常顯著,電路的對稱性很差,人們更多采用的是準互補電路,通過小功率硅管Q1與一只大功率的NPN硅管 Q2復(fù)合,得到一只極性與PNP管類似的大功率管,降低了電路因?qū)ΨQ性差而招至的失真。三、功放輸入級——差動與共射-共基  </p><p>　　對稱和平衡是電路發(fā)展的方向?qū)ΨQ和平衡也許是世上事物完美的標志之一。音樂講

14、究各聲部之間的乎衡與統(tǒng)一,美術(shù)以色彩搭配均衡、和諧為美,在服裝設(shè)計中,常常采取看似不對稱的設(shè)計,其實質(zhì)也是為了取得視覺上的均衡.上面所說的都是藝術(shù),對稱和平衡給人一種安定、完美的感覺。有意思的是,在功率放大器中,對稱和平衡也有類似的效果。</p><p>　　1.2設(shè)計目的及意義</p><p>　　1） 培養(yǎng)學生正確的設(shè)計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和勇于探

15、索的創(chuàng)新精神。 2）鍛煉學生自學軟件的能力及分析問題、解決問題的能力。 3）通過課程設(shè)計，使學生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標準與規(guī)范的運用和計算機應(yīng)用方面的能力得到訓練和提高。 4） 鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。 5） 為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好基礎(chǔ)基本要求。</p><p><b>　　1.3設(shè)計時間</b></p><

16、p>　　課程設(shè)計時間：一周，其中3天硬件設(shè)計，2天硬件調(diào)試</p><p>　　1.4開發(fā)環(huán)境Multisim 11.0簡要介紹</p><p>　　NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地

17、解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。 </p><p><b>　　直觀的圖形界面 </b></p><p>　　整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均

18、可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的； </p><p><b>　　豐富的元器件 </b></p><p>　　提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。

19、 </p><p><b>　　強大的仿真能力 </b></p><p>　　以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強設(shè)計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋?lt;/p><p><b>　　2

20、 課程設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　2.1 課程設(shè)計題目</p><p><b>　　音頻功率放大器設(shè)計</b></p><p>　　初始條件：直流穩(wěn)壓電源；變壓器，橋式整流，LM7815，LM7915電容，電阻</p><p>　　前置放大；運算放大器NE5532，電容，電阻若干</p>

21、;<p>　　音調(diào)控制；運算放大器NE5532，電容，電阻若干，變阻器</p><p>　　功率放大；TDA2030，揚聲器，IN4001，電容電阻若干，電位器</p><p>　　可用儀器；萬用表，毫伏表</p><p>　　2.2 課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求</p><p>　　1、不失真輸出功率≥2.4 W，頻率響應(yīng)：20HZ

22、～20KHZ</p><p>　　2、輸入阻抗≥ 50KΩ，輸入電壓≤ 5mv</p><p>　　3、具備高音和低音的音調(diào)控制功能</p><p><b>　　4、效率>60%</b></p><p>　　5、安裝調(diào)試并完成符合學校要求的設(shè)計說明書</p><p>　　2.3音頻功率放大器

23、個單元電路介紹</p><p>　　2.3.1直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　圖2.3.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計圖</p><p>　　如上圖所示，該電路采用的是LM7815和LM7915型號的集成穩(wěn)壓芯片組成的具有同時輸出+15V，-15V直流電壓的穩(wěn)壓電路。該電路對稱性好，溫度特性也近似一致。電源輸出端接有保護二極管D2，D3.如果不接二極管，LM7815的輸出電壓

24、通過外加負載加到LM7915的輸出端，必將燒壞LM7915。</p><p>　　由于模電實驗課上已經(jīng)把恒壓源的設(shè)計作為考試題目，且本題中音頻功放為主題，所以這里就不再詳細分析他了。Protel DXP中沒有相應(yīng)的原件及替代，固用TI設(shè)計了以上電路。上圖也為《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課本的P340頁圖樣，由于仿真元件庫中沒有CW7815和CW7915，固用LM7815和LM7915替代。</p><

25、p><b>　　2.3.2前置放大</b></p><p>　　圖2.3.2.1前置放大圖（實際電路）</p><p>　　本前置放大電路為并聯(lián)電流負反饋方向運算放大，分析可得其放大倍數(shù)即為 ≈33.3</p><p>　　2.3.3帶通濾波器</p><p>　　圖2.3.3.1帶通濾波電路（實際電路）</

26、p><p>　　實驗電路的第三部分即為壓控電壓源二階低通濾波電路，用來過濾帶通外高頻信號。電路中同時引入了正負反饋。當信號趨于零是，由于C5的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當信號趨于無窮大時，由于C3的電抗趨于無窮大，因而輸入集成運放的U趨于零。</p><p>　　由此相當于選擇了加入電路的信號范圍，選擇了前置放大后的信號。在電路中，由帶通電路中的fL=，和電壓放大的作用， 電路的后半部分

27、為二階高通濾波電路，用來過濾通帶外低頻信號，前半部分濾掉了過高的高頻信號，進而起到了選頻的作用。</p><p>　　其實，高通濾波與低通濾波電路具有對偶性，將相應(yīng)的電容換成電阻，電阻換成電容，就可以得到高通濾波電路。所以可以取C1=C2，R3=R4，那么通帶放大倍數(shù)Au1=1+ </p><p>　　設(shè)上限截止頻率為fH= ，下限截止頻率為fL= ，則計算后可得低通濾波電路傳遞函數(shù)

28、即為 </p><p>　　所以只有當<3時，電路才能正常工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。</p><p>　　若取品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，則Au1=Au－ =1.586,符合<3這一條件</p><p>　　同理，Au2=Au1= Au－ =1.586,也滿足條件。</p><p>　　2.3.4音調(diào)控制 </p>

29、<p>　　圖2.3.4.1音調(diào)控制電路（實際電路）</p><p>　　第四部分的音調(diào)控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進行控制，從而達到控制放音音色的目的。本實驗電路采用的是負反饋式音調(diào)控制電路，與衰減式音調(diào)控制電路相比，它具有噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時，其轉(zhuǎn)折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變的特點。 </p><p>　　圖

30、2.3.4.2音調(diào)控制電路（理想電路）</p><p>　?。?）對于低音信號來說，由于C3的容抗很大，相當于開路，此時高音調(diào)節(jié)電位器Rp1在任何位置對低音都不會影響。當?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動端調(diào)到最左端時，C1被短路，此時電路圖2可簡化為圖3(a)。由于電容C2對于低音信號容抗大，所以相對地提高了低音信號的放大倍數(shù)，起到了對低音提升的作用。 </p><p>　　該電路的電壓放大倍數(shù)表

31、達式為：</p><p><b>　　，其轉(zhuǎn)折頻率為：</b></p><p>　　， ?？梢姰旑l率時，</p><p>　?。划旑l率時，。從定性的角度來說，就是</p><p>　　在中、高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以</p><p>　　得到衰減，最小增益為

32、。</p><p>　　（2）電路對于高音信號來說，電容C1、C2的容抗很小，可以認為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1，即可實現(xiàn)對高音信號的提升或衰減。 </p><p>　　該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　其轉(zhuǎn)折頻率為：</b>&l

33、t;/p><p>　　，。當頻率時，；當頻率時，?？梢娫撾娐穼τ诟咭纛l信號起到衰減作用。 </p><p><b>　　2.3.5功率放大</b></p><p>　　圖2.3.5.1功率放大電路（實際電路）</p><p>　　由于集成功率放大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電源利用率高，失

34、真小，具有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消噪等功能，所以使用非常廣泛。TDA2030/2030A集成功放，具有輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護，外圍電路簡單， 但在實際使用的過程中一定要注意，加上散熱片，否則，TDA2030很快就會由于溫度過高而停止工作！</p><p>　　在該電路由TDA2030組成的串聯(lián)電流負反饋負反饋電路，其交流電壓放大倍數(shù)（倍）</p><p>

35、　　2.4音頻功率放大整體電路圖 </p><p>　　圖2.4.1音頻功率放大器整體電路圖</p><p>　　在本實驗電路中，二極管D1、D2起保護作用，一是限制輸入信號最大值，二是防止電源極性接反。R17、C7組成輸出相移校正網(wǎng)絡(luò)，可以使負載接近純電阻。本設(shè)計的音頻功率放大器是一個多級放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功率的確定</p><p>　　電源大小和整個系統(tǒng)的

36、增益。因為音頻功率放大器的輸出功率POM≥2.4W。所</p><p>　　以音頻功率放大器的輸出幅值（V）。當輸入信號最小值為5mV時，整個放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：（倍）。根據(jù)整個放大系統(tǒng)的電壓增益，合理分配各級單元電路的增益。功率放大器級（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取20倍；音調(diào)控制器放大器在中頻（1KHz）處的電壓放大倍數(shù)取1；前置放大器的電壓放大倍數(shù)取30（考慮到實際電路中有衰減）。電壓放大倍數(shù)Au=1

37、+ =21。但是，在實驗過程中，尤其是電路仿真時，一定要根據(jù)實際情況作出適當?shù)恼{(diào)整，以保證輸出達到要求！</p><p>　　2.5仿真過程及分析 </p><p>　　2.5.1前置放大仿真</p><p>　　圖2.5.1.1前置放大仿真效果圖</p><p>　　由上圖可得，輸出前置端的電壓與輸入端的電壓反向。其放大倍數(shù)為 </

38、p><p>　　倍，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。</p><p>　　2.5.2帶通濾波電路仿真</p><p>　　圖2.5.2.1帶通濾波電路仿真效果圖</p><p>　　由上圖可得，輸出帶通濾波電路端的電壓與輸入端的電壓同向。其放大倍數(shù)為 倍，滿足小于3的條件。盡管輸出出現(xiàn)了稍微的相移，但基本上不會構(gòu)成太大的失真，故本帶通濾波電路基本上達到了預(yù)

39、期的設(shè)計要求。</p><p>　　圖2.5.2.2帶通濾波電路上限截止頻率</p><p>　　圖2.5.2.3帶通濾波電路下限截止頻率</p><p>　　由上圖可得，設(shè)計的電路中頻帶在18Hz-20.6kHz,那么，通頻帶一定大于這個范圍，又由所要求的帶通濾波的通帶20Hz-20KHz在實驗仿真電路的中頻帶范圍之內(nèi)，即達到了實驗要求。</p>&

40、lt;p>　　2.5.3音調(diào)控制仿真</p><p>　　圖2.5.3.1音調(diào)控制電路仿真效果</p><p>　　由上圖可得，輸出 端的電壓與輸入端的電壓反向。其放大倍數(shù)為 倍，滿足約等于1的條件，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。</p><p>　　圖2.5.3.2低音放大仿真效果</p><p>　　圖2.5.3.3低音衰減仿真效果圖&l

41、t;/p><p>　　圖2.5.3.4高音衰減仿真效果圖</p><p>　　圖2.5.3.5高音放大仿真效果圖</p><p>　　以上各圖分別為音調(diào)控制電路的仿真效果圖，由圖可知通過對兩個電位器的控制可以控制高音，低音的放大倍數(shù)，進而控制和調(diào)節(jié)高低音的輸出。</p><p>　　2.5.4功率放大 </p><p>

42、　　圖2.5.4.1功率放大仿真</p><p>　　由上圖可得，輸出端的電壓與總輸入端 的電壓同向。其放大倍數(shù)為 倍，基本滿足要求的20倍，將電壓帶入求解功率如下圖所示。</p><p>　　圖2.5.4.2輸出電流 圖2.5.4.3輸出電壓</p><p>　　圖2.5.4.4輸出功率</p><p

43、>　　由上圖可得，輸出功率為5.875W，大于所要求的2.4W，基本滿足設(shè)計要求。</p><p>　　2.5.4輸入電阻的測量</p><p>　　圖2.5.4.1仿真電路中的輸入電阻</p><p>　　由上圖可得電路的輸入阻抗為76.9KΩ滿足輸入阻抗≥ 50KΩ的要求。</p><p>　　2.6實際安裝與調(diào)試</p>

44、;<p><b>　　2.6.1元件列表</b></p><p>　　表2.6.1.1 元件列表</p><p><b>　　2.6.2調(diào)試環(huán)節(jié)</b></p><p>　　音頻功率放大器的調(diào)試</p><p><b>　　1、節(jié)點調(diào)試</b></p>

45、<p>　　焊接電路板的過程中，無論是加飛線，還是埋導線，或者說是拉錫線都要用萬用表測一下通斷情況。尤其是電阻，焊接前一定要測量它的阻值和通斷情況。還有就是一些較小的芯片，上面可能會有好幾個端口，一定要注意不能短路。這些小細節(jié)一定要在調(diào)試的過程中加以注意！</p><p><b>　　2、前置放大器調(diào)試</b></p><p>　　焊接完成后，測量輸入和

46、輸出的電壓數(shù)據(jù)，測得電路輸入電壓為4.8mV，輸出電壓為0.151V，其放大倍數(shù)大致為31，和仿真數(shù)據(jù)十分接近，故前置放大電路幾乎沒有問題。</p><p>　　3、帶通濾波電路調(diào)試</p><p>　　在以上的基礎(chǔ)上，改變輸入信號的頻率，波形依然為正弦波，將輸入信號，輸出信號同時接入示波器。改變輸入信號的頻率，觀察輸入和輸出信號的失真情況。實驗結(jié)果顯示，其頻率在18.Hz開始出現(xiàn)較大范圍

47、的失真，在20.3kHz時出現(xiàn)失真。及其同頻帶寬為18.3Hz-20.3kHz，滿足所要求的頻率。</p><p><b>　　4、功率放大器測試</b></p><p>　　發(fā)現(xiàn)接入電源后，揚聲器的聲音失真很大，斷開電源后發(fā)現(xiàn)一處斷路，然后連接好后再次接入電源，發(fā)生100uF電容爆炸。仔細檢查后發(fā)現(xiàn)電路存在極性電容的正負極接反的情況。進行相應(yīng)調(diào)節(jié)后，揚聲器可以正常工

48、作。</p><p><b>　　5、整機聯(lián)調(diào)</b></p><p>　　現(xiàn)在將各個模塊進行級聯(lián)，進行系統(tǒng)調(diào)試。</p><p><b>　?。?）輸出功率測量</b></p><p>　　將頻率等于50kHz，幅值為5mV左右的正弦波信號接入 輸入端， 測量輸出的電壓和電流值，計算其輸出功率功率