畢業(yè)設計--音頻放大器設計.doc

本科學年論文題目：音頻放大器設計學院：電子信息工程學院專業(yè)：自動化年級：2008級姓名：學號：指導教師：一直流電源設計（一）、設計要求：（1）在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為（510）mv，等效負載電阻rl為8下，放大通道應滿足： 額定輸出功率por2w； 帶寬bw（5010000）hz； 在por下和bw內的非線性失真系數3%； 在por下的效率55%； 在前置放大級輸入端交流短接到地時，rl=8上的交流噪聲功率10mw。（2）自行設計并制作滿足本設計任務要求的穩(wěn)壓電源。（二）、設計分析：（1）由于220v電源有很多諧波存在，可能會干擾到電源的穩(wěn)定工作，故應在整流后加入電解電容，以起到濾波作用。（2）為減小輸出端的電壓波紋，應該在濾波電路后加電解電容。（3）為了抑制瞬態(tài)響應，防止或消除高頻干擾，還應加入相應的電容。（4） 輸出端放入電路前應加一個二極管，防止輸出電壓過高而燒毀電路，即起到保護作用。綜上所述，可設計電路如下所示： 對上述電路進行優(yōu)化，電路如下圖所示：分析得-15v+15v的情況如下圖所示：二、濾波電路設計（一）、設計要求1.基本要求（1）具有產生正弦波的功能。（2）輸出波形的頻率范圍為1khz（非正弦波頻率按10次諧波計算）。（3）輸出波形幅度范圍05v（峰-峰值）。2發(fā)揮部分（1）輸出波形頻率范圍擴展至10hz200khz。（2）增加穩(wěn)幅輸出功能，當負載變化時，輸出電壓幅度變化不大于3%（負載電阻變化范圍：100）。（二）、關于濾波器類型的選擇一階濾波電路最簡單，但帶外傳輸系數衰減慢，一般在對帶外衰減特性要求不高的場合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對參數變化比較敏感，在這一點上它不如壓控電壓源型二階濾波器。級數選擇：濾波器的級數主要根據對帶外衰減特性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6db每倍頻程（-20db每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12 db 每倍頻程（-40db每十倍頻程）的衰減。多級濾波器串接時傳輸函數的總特性階數等于各級階數之和。當要求的 帶外衰減特性為-mdb每十倍頻程（或mdb每十倍頻程）時，則所取級數n應滿足nm/6(或nm/20)。（三）、運放的要求在無特殊要求的情況下，可選用通用型運算放大器。為了獲得足夠的反饋以保證所需濾波特性，運放得開環(huán)增益應在80db以上。對運放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設工作頻率的上限為fh，則運放的單位增益帶寬應滿足下式:bwg（35）affh,式中af為濾波通帶的傳輸系數。 如果濾波器的輸入信號較小，例如在10mv以下，則選低漂移運放。如果濾波器工作于超低頻，以至使r c網絡中電阻元件的值超過100k，則應選低漂移高輸入阻抗的運放。元件的選擇： 一般設計濾波器時都要給定截止頻率fc （或c）帶內增益av，以及品質因數q(二階低通或高通一般為0.707)。在設計時經常出現待定其值的元件數目多于限制元件取值的參數之數目。因此有許多元件組均可滿足給定的要求，這就需要設計者自行選定元件值。一般從選定電容器入手，因為電容標稱值的分擋較少，電容難配，而電阻易配，可根據工作頻率范圍按照下表初選電容值：濾波器工作頻與電容取值的對應關系表f(hz)11010102102103103104104105105106c(2010)uf(100.1)uf(0.10.01)uf(104103)pf(103102)pf(10210)pf注：表中所示的頻率，對低通濾波器是上限頻率，對高通濾波器是下限頻率，對帶通和帶阻濾波器是中心頻率。其電容值表示的數為數量級范圍。對于本設計的音頻放大器輸入為50 hz的信號，為了減小對電路的干擾，應設計一個能夠濾除干擾頻率的信號的濾波器。（四）、任務分析1.對低通濾波器進行分析對低通濾波器采用op1p進行放大，其中r4=r5，則知道增益為1.根據公式：傳遞函數g(w)=截止頻率： 已知來求期截止頻率.若要求截止頻率為20k，r4=r5，只要設定一個變量，便可以知道另外一個變量，設c4=1nf.根據公式可求得r4=r5=8k。有理論分析，對理論圖分析。在數入有效值為1，頻率為1，如下圖所示。由上圖可以清晰的看到：低通濾波器采用op1p進行放大，因為最大值始終在0附近，則知道增益近似為1.且在20k附近，剛好達到截止頻率（即0.707）20k以內，所有的波形都能通過，波形較好。與理論值相符。2.對高通濾波器進行分析在高通濾波電路中仍然采用op1p對電路進行放大，若r6=r7，則其增益為1。根據公式：傳遞函數：g(w)= 截止頻率：。同上低通濾波器分析，設定c5=10u，便可以得到r6=r7=15.7k。在輸入有效值為1，頻率為1的正弦波時，得到如下波形。由圖上可以清晰的看到，其最大值在0附近，則其增益為1.且波形在10 hz以上良好。在20k hz時候仍保持較好的截止。形成一個從10 hz20k hz的帶通濾波器。與理論值相符，波形較好。3.對50 hz陷波濾波器分析對50 hz陷波濾波器采用2個op07放大。頻率為1的正弦波下分析，得到如下波形。由上圖可以清晰的看到在50 hz時候，該電路表現出較好的陷波作用，在其它范圍內，波形全通過，且增益為1，體現出良好的性能。4.將三級連起來對濾波器分析因為三級是相互獨立的，所以得到波形應該是增益為1，在10 hz20k hz范圍內通過，且在50 hz處有陷波。對上電路圖分析。由上圖可以清晰的看到在50hz處的陷波，在20hz到50 hz波均能通過，而且幅值始終小于1，較好的反應了增益為1的特性，角度也很合適。三、音頻放大電路的設計及仿真（一）前置放大電路：r15kr25kr3100k3267481u1op07+15v-15vc1(+)outputc14u7c1(+)圖中c1為隔直流電容，是為滿足各級直流全反饋穩(wěn)定直流工作點而加的。要求c1必須呈短路，即c1的容抗遠小于r1、r2的阻值，所以令c1=4u7。該前置放大電路的放大倍數為av1=-r2/r1=-20。（1）當輸入是10mv 1000hz的信號時，輸入輸出波形的變化如下圖所示：顯示為：輸入10mv時，相應輸出為200mv，滿足最初設計要求。由圖中可以讀到output最大值為200m v.則可以推算其放大倍數為20.與理論值相符。（2）頻率分析：默認輸入頻率為10hz1mhz，對前置電路進行頻率分析，分析結果如下圖所示由圖可知通頻帶滿足設計要求，即包含50hz 10000hz的頻帶范圍。（3）失真分析觀察上圖，可知失真分析基本滿足要求，所以前置放大電路設計方案是正確的。（4）傅里葉分析設置傅里葉分析開始時間為0，終止時間為1s，最大頻率100k，然后對前置放大電路進行傅里葉分析，分析結果如下圖所示：由圖可知，傅里葉分析在處達到最大值，并且毛刺較少，可知此前置放大電路設計方案能較好的滿足要求。由于前置放大電路中, r1、r2的阻值比例關系經計算及實際仿真分析,已達到最優(yōu)狀況,故不能通過改變其阻值來實現設計中要求的放大倍數,所以需采用二級放大來實現此項技術指標。（二）二級放大電路在二級放大電路中，為電路提供放大倍數為4的電路。所以設r4=5k,反饋電阻為20k.則其放大倍數滿足設計要求。對以上理論進行驗證。放大倍數基本滿足要求。（1）當原始輸入端輸入是10mv 1000hz的信號時，輸入輸出波形的變化如下圖所示：由圖上讀取數據：output2=41mv ,input2=10mv, 器放大倍數接近4倍，與理論分析很接近，所以是正確的。因為是反向輸入，所以得到的波形是output2和input2波谷和波峰相對。（2）頻率分析默認輸入頻率為10hz1mhz，對前置電路進行頻率分析，分析結果如下圖所示由圖可知通頻帶滿足設計要求，即包含50hz10000hz的頻帶范圍。(3)失真分析設置仿真頻率為10hz1mhz，對音頻放大器前置放大電路進行失真分析觀察上圖，可知失真分析基本滿足要求，所以二級放大電路設計方案是正確的。（4）傅里葉分析由圖可知，傅里葉分析在處達到最大值，并且毛刺較少，可知此前置放大電路設計方案能較好的滿足要求。由于輸出電流太小，不能驅動大功率的揚聲器工作，故需設計一個功率放大器來實現此項技術要求。（三）功率放大電路在本設計電路中，要求放大電路的末級輸出一定的功率來驅動負載。從能量控制和轉換的角度看，功率放大電路與其它放大電路在本質上沒有區(qū)別，只是功率放大電路既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓穩(wěn)定的情況下，輸出盡可能大的功率。為了滿足以上要求，設計思路如下：主要部分采用能夠消除交越失真的ocl電路。使兩只放大管均工作在臨界導通或微導通狀態(tài)，這樣即使輸入電壓較小，總能保證至少有一個管子導通，也就了消除交越失真的可能。綜合考慮，最終設計如下圖所示：其中，滑動變阻器rv1起到防止功放輸出失真的作用，rv2起到調整輸出阻抗的作用。兩個串聯的二級管則起到保護的作用。當輸入信號為10mv 1000hz的正弦波時（即為放大級輸出電壓情況），輸出波形為電壓電壓值是58mv的正弦波，我們就可以得到該級的放大倍數是5.8倍，這樣就可以達到總的放大倍數。波形未出現失真現象, 很好的滿足了設計要求。功率放大電路的輸入波形、輸出波形,如下圖所示：（四）音頻放大電路將前三級連起來（前置放大，二級放大，功率放大器），組成音頻放大器。在本次設計中，加入音頻信號，對其分析相關性能。（1）對加入音頻模擬分析（2）當輸入信號為10mv 1000hz的正弦波時（即為放大級輸出電壓情況），輸出波形如下圖所示，電路有很大的放大倍數，并且波形未出現失真現象, 很好的滿足了設計要求。音頻放大電路的輸入波形、輸出波形,如下圖所示：（3）頻率分析默認輸入頻率為10hz1mhz，對前置電路進行頻率分析，分析結果如下圖所示由圖可知通頻帶滿足設計要求，即包含50hz10000hz的頻帶范圍。（4）失真分析設置仿真頻率為10hz1mhz，對音頻放大器前置放大電路進行失真分析觀察上圖，可知失真分析基本滿足要求，所以此音頻放大電路設計方案是正確的。（5）傅里葉分析由圖可知，傅里葉分析在處達到最大值，并且毛刺較少，可知此前置放大電路設計方案能較好的滿足要求。（6）噪聲分析由圖可知，自激噪聲非常小，幾乎不影響輸出地音頻信號。 四、protel制作pcb板（一）、protel電路原理圖（1）、原理圖（2）、生成網絡表在將整個電路圖導入到protel中以后，就可以導出網絡表。而在此之前可以進行電路元件屬性檢查。通過這個表，就可以檢查各個原件是否設置了封裝，如果某個原件沒有設置封裝，則網絡表無法導出。檢查完畢之后，就可以進行網絡表的生成。網絡表中包含各個原件的標號、封裝、標稱值。（3）、元件列表生成在生成網絡表之后就可以輸出元件列表（二）、對應原理圖的pcb印刷電路板設計如下:五、設計總結：本次設計以實用音頻功率放大器為主，同時對濾波器和波形發(fā)生器做了簡單的設計。根據要求，本次設計是為了增強我們的動手能力，將書本中學到的知識進一步升華，使我們切切實實明白這些電路的工作原理、如何選擇元器件、如何設計電路等等。在我的設計中還有許多不足之處，如電源不可以調幅，電路的性價比不高等問題。在獨立完成音頻功率放大器設計的過程中，我們對電路的設計能力有顯著提高，尤其是對所學電路知識有了新的了解。本電路簡單高效，失真小，選頻特性較好，達到了設計目的和要求，但在電路的整個設計過程中存在很多問題：(1) 雖然理論上達到要求，但在實際操作過程中理想與現實總是存在很大差異在一些元器件的選擇上，性能較好的管子參數很好但性價比較低。更有一些元件視唱上買不到。應此在電路設計時一定要尋求最優(yōu)化設計。 (2) 在做pcb板時也遇到很多問題：排板不合理，有些元器件需要自己設計封裝圖，還需要考慮元件散熱問題等。在設計電路的每一部份時也有很多問題需要注意：放大倍數和頻帶寬度是相互矛盾的，此消彼長。在使用電容時更要小心因為電容的串聯與并聯正好與電阻的相反。如果不多加小心也許會走很多彎路。（3） 在設計電路時考慮到元器件差異，理論與實際的差異及元器件對電路復雜程度的影響和電路的性價比等因素，所以在設