音頻功率放大器電路設(shè)計及仿真分析

1、音頻功率放大器電路設(shè)計及仿真分析 任課老師：院 系：專 業(yè)：年 級：姓 名：學 號： 一、 實驗內(nèi)容和目的本實驗的內(nèi)容是設(shè)計和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，從而了解音頻功率放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時也進一步加深對模擬電路中所學知識的掌握和認識，并通過單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設(shè)計的步驟和組合方法。實驗中重點要求復習和掌握運算放大器的使用方法，即運放同相比例放大器和反相比例放大器的結(jié)構(gòu)、計算和運用。同時也要求復習和掌握有源濾波電路的基本結(jié)構(gòu)和原理。在電路設(shè)計中和實驗中也需要了解對元器件的選擇標準，掌握一些常用元件的性能。另外，在本實驗中還增加了直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求

2、通過實驗掌握直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及三端穩(wěn)壓器的使用方法，同時復習和加深對橋式整流電路理解。熟悉Proteus軟件的使用方法，掌握該軟件的仿真分析方法,同時學會應(yīng)用Proteus軟件分析其他電路，為以后更好的學習電子電路準備條件。二、 實驗電路的結(jié)構(gòu)分析本實驗的內(nèi)容是設(shè)計和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，整體功能框圖如下圖所示：前置放大器二級放大器功率放大器揚聲器前置放大器將信號源輸出信號放大放大，對信號進行適當?shù)囊羯幚砺曉?變壓器全橋整流電路線性直流穩(wěn)壓電路電源輸入220V交流穩(wěn)壓電源輸出可以分為音頻放大和直流電源兩大部分。其中音頻放大電路的功能是將其他電子設(shè)備

3、的音源信號進行放大，然后再經(jīng)過功率放大，最后去推動揚聲器輸出，簡單來說，就是一個擴音器。直流電源部分則負責將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使用，同時，為了減小電源波動引起的噪聲對放大電路的影響，電源部分采用線性直流穩(wěn)壓電源。三、 直流穩(wěn)壓電源的分析和設(shè)計為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實驗的設(shè)計中專門增加線性穩(wěn)壓電路，由三端穩(wěn)壓器7915和7815構(gòu)成，7915為負三端穩(wěn)壓，7815為正三端穩(wěn)壓。直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計圖如下：由上圖可知直流穩(wěn)壓電源可輸出±15V的電壓1、全橋整流電路從圖中可以看到，220V的交流電源經(jīng)變壓器降壓后，由全橋整流電路輸出直流，再由穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的

4、直流，提供給放大電路使用。在設(shè)計中，音頻放大電路需要對稱的雙電源，因此必須選擇次級有三端抽頭的變壓器，經(jīng)全橋電路整流和電容C1和C2濾波后，輸出對稱的正負電源。在這里需要重點注意的是，變壓器次級的中心抽頭就是所有電路中的公共地線。2、三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的線性直流穩(wěn)壓電源要構(gòu)成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器。這種集成電路塊內(nèi)部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護電路和啟動電路等功能，但是外部引腳只有三個端口，分別接輸入電源，地，另一個端口輸出，其使用十分簡單，只要將三個端口按規(guī)定接入電路就可以使用。四、 音頻放大電路的分析和設(shè)計1、前置放大電路前置放大電路的作用簡

5、單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音頻信號進行放大并輸出。前置放大器是一個高輸入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信號放大電路，實質(zhì)是一個反相比例放大電路，其電路圖如下：(1)電路輸入與輸出分析由上圖可知輸出信號與輸入信號反相，當系統(tǒng)的輸入信號電壓值為-10mV，輸出信號對應(yīng)電壓值為206mV，放大倍數(shù)約為20，與前置放大電路的計算值200/10=20（倍）相符。(2)電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）圖（2）由圖（1）可知，系統(tǒng)的最大頻率增益為26.0dB，則截止頻率處增益應(yīng)為26.0×0.707=18.38dB。依次測量電路截止頻率，如圖（2）所示從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為1

6、063.7kHz.(3)電路噪聲分析圖（1）圖（2）測量頻率為10,10000Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值。測量系統(tǒng)最大噪聲電壓，如圖（1）所示，為604nV/從系統(tǒng)測量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為57 1nV/604 nV/。 (4)電路失真分析失真分析仿真結(jié)果圖測量頻率為10Hz、10000Hz時電路二次諧波失真測量頻率為10Hz、10000Hz時電路三次諧波失真(5)傅里葉分析輸入信號輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號基波增益Vom1=198mV輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益Vom2=8.62

7、mV輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益Vom3=2.83mV此時系統(tǒng)的失真度為：D（8.622+2.832）/19825%2、二級放大電路由圖可知此二級放大電路由低通電路和高通電路組成（1）電路輸入與輸出分析從模擬圖表的仿真結(jié)果可知，電路對輸入信號進行了同相放大，同時輸出信號相位發(fā)生了偏移。放大倍數(shù)約為1.51/0.2=7.6。（2）電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）圖（2）圖（3）由圖（1）可知系統(tǒng)的最大頻率增益為1807Db,則截止頻率處增益應(yīng)為18.7×0.707=13.2Db,據(jù)此測量電路截止頻率，從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為3

8、8.5Hz2.71kHz。（3）電路噪聲分析測量頻率為10Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值測量頻率為10kHz時系統(tǒng)的噪聲電壓值從系統(tǒng)測量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為75.1213 nV/（4）電路失真分析10Hz1MHz系統(tǒng)二次諧波與三次諧波引起的電路失真。（5）傅里葉分析輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號基波增益為1.49V輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益為2.11mV輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益為1.70mV此時系統(tǒng)的失真度為：D（0.002112+0.00

9、1702）/1.4920.2%3、音頻功率放大器功率放大電路（1）電路輸入與輸出分析模擬仿真參數(shù)設(shè)置 添加輸出功率變化曲線模擬仿真分析結(jié)果，從圖中的仿真結(jié)果可知系統(tǒng)輸入信號經(jīng)功率放大電路后功率被放大。改變滑動變阻器RV1的參數(shù)后模擬仿真結(jié)果。從上述仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)以恒定功率輸入信號，而調(diào)節(jié)RV1可調(diào)節(jié)電路輸入阻抗。（2）電路失真分析 電路仿真結(jié)果如下圖所示4、音頻功率放大電路分析電路圖如下，由前置放大電路、二級放大電路、功率放大電路組成。 （1）電路輸入與輸出分析電路輸入信號為電壓幅度10mV、頻率為1kHz的正弦信號，輸入-輸出仿真結(jié)果圖，由上圖可知電路對輸入信號進行了反相放大，放大倍數(shù)約

10、為：4740/10=474(倍)，同時還有一定的相位偏移。（2）電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）圖（2）圖（3）由圖（1）可知系統(tǒng)的最大頻率增益為57.2dB，則截止頻率處增益應(yīng)為57.2×0.707=40.4dB。測量電路截止頻率如圖（2）和圖（3）。從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為9.73Hz10.4kHz。（3）電路噪聲分析圖（1）圖（2）圖（3）從噪聲分析仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)對輸入噪聲進行了放大。測量頻率為50，10000 Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值。如圖（2）和圖（3）所示。測量系統(tǒng)最大噪聲電壓值，如圖（1）所示。從系統(tǒng)測量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍

11、為3.41 V/21.9 V/（4）電路失真分析仿真結(jié)果如下圖所示（5）傅里葉分析輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號基波增益Vom1=6.31V輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益Vom2=7.63mV輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益Vom3=6.61mV系統(tǒng)失真度為：D(0.007632+0.006612)÷6.3120.16%(6)音頻分析五、 PCB 設(shè)計六、 實驗總結(jié)1、通過本實驗使我了解了音頻放大電路的基本組成及工作原理，以及直流穩(wěn)壓電源的組成及工作原理。2、通過本實驗電路的設(shè)計過程，更加進一步理解了模擬電路中的一些知識，設(shè)計電路的過程中，通過各種途徑查