电子设计课程报告

1、 电子技术课程设计报告 题 目 音频功率放大 学 院 物理与电子工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 13电子信息工程（2）班 学 号 1336230077 学生姓名 郁吉丽 指导教师 杨善晓 完成日期 2015年5月 18摘 要音频功率放大器是音响系统中不可缺少的重要部分，其主要任务是将弱音频信号进行功率放大以推动外接负载,凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等,给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。本文介绍了一种功率大、失真小的音频功率放大。主要运用分立元件实现OCL功率放大器电路。前级运用UA741运算放大器放大，后级通过互

2、补对称电路输出。关键词分立元件；UA741；音频功率放大；互补对称电路AbstractAudio power amplifier is an important and indispensable part of the sound system, its main task is to amplify weak audio signal power to promote the external load, every sound electronic products are used in the audio power amplifier, such as mobile phones,

3、 MP4 player, notebook computers, televisions, audio equipment, etc., bring to our lives and learning work irreplaceable convenient enjoyment. This paper introduces a kind of large power, small distortion of audio power amplifier. Main circuit using discrete component OCL power amplifier. Before usin

4、g UA741 operational amplifier amplification, after class through complementary symmetry circuit output. Key wordsDiscrete component; UA741; Audio power amplifier; Comple- -mentary symmetry circuit目 录1. 绪论12. 设计任务及技术指标22.1设计任务22.2技术指标23. 方案比较与认证33.1各种方案比较与选择3 3.2方案认证4 4. 系统硬件设计44.1系统总体设计5 4.2电路原理54.3

5、PCB图8 5. 系统调试6 5.1 电路测试方案6 5.2测试仪器仪表75.3测试结果分析8 6. 制作调试过程中遇到的问题97. 总结10 8. 谢辞11 参考文献12 附录1 原理图 12 附录2 PCB13 附录3 实物图14 附录4 元器件清单151.绪论音频功率放大电路是一种很常用的电子电路广泛应用于家庭影院、音响系统、立体声唱机、伺服系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及工业制造中的电机驱动等电子系统1。六十年代以前,电子管功率放大器一直占据主导地位。高保真的功放主要有A类和AB类两种,通过变压器与负载耦合,因此体积比较庞大23。随着半导体器件的出现和发展，功率放大电路也得到了飞

6、速的发展。根据市场需求，功率放大器逐步向模块化、小型化、集成化的方向发展4。随着半导体器件的出现和电子技术的飞速发展，晶体管音频功放的设计也随之产生，而且设计方法不断增多。为适应各种不同的要求，人们设计出各种不同的音频功率电路，大致可分为以下五种类型：A类，AB类，B类，C类和D类。前四种属于模拟音频功放，就是将模拟音频信号直接输入，被放大后推动扬声器发声。D类也称为数字音频放大器。2.设计任务及技术指标2.1设计任务 1. 设计并制作低频功率放大器电路。 2. 掌握功率放大器的主要性能参数及其测试方法。2.2技术指标 1. 输出功率P10W； 2. 频率范围200Hzf10KHz； 3. 转

7、换效率：60%；3.方案比较与认证3.1各种方案比较与选择音频信号输入前置放大推挽放大功率放大信号输出图3.1 音频功率放大框图1. 变压器耦合功率放大电路：可以实现阻抗变换，但是体积庞大，笨重，消耗有色金属，且效率较低，低频和高频特性均较差。2. 无输出变压器的功率放大电路（OTL）：无变压器功放电路，优点是可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路。缺点是需要通过体积较大的电解电容作为输出耦合。3. 无输出电容的功率放大电路(OCL)：无输出电容功放电路，优点是省去体积较大的输出电容，低频特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求稍高。综上优缺点所述，实验室里的电源可以提供双电源，所以相对于

8、电源的要求影响不大，所以我决定用分立元器件来实现OCL功率放大器电路。3.2方案认证我选择的是用分立元件来实现OCL功率放大器电路。在做板之前我查了许多相关资料，并对电路图进行了仿真。下图1是我最初选择的电路图，但根据功率要求以及防止正负电源产生高频自激，我做了相应的功率管替换以及在正负电源上加滤波电容。图2为我仿真的图，从仿真图的输出电压以及频带宽度的测量来看，这个电路可以达到设计的技术指标。图3.2 OCL功率放大器电原理图 图3.3 OCL功率放大器仿真图4.系统硬件设计4.1系统总体设计利用分立元件实现OCL功率放大器电路。前级运用UA741运算放大器作为驱动级，后级通过复合式互补对称

9、电路输出。整体电路如下图所示：图4.1 OCL音频功率放大电原理图4.2电路原理1.基本原理当音频信号为正半周期时，运算放大器UA741的输出电压上升，亦上升，导致VT3、VT4截止，VT1、VT2导通，负载中只有正向电流，且随增加而增加。反之，当为负半周期时，负载中只有负向电流，且随负向增加而增加。只有当变化一周时负载上才可获得一个完整的交流信号。2.参数计算和元器件选择（1）参数计算三极管VT1、VT2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。VT3、VT4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一只管决定，即为PNP型。R4、R5、RP2及二极管VD1、VD2所组成的支路

10、是两对复合管的基极偏置电路，静态时支路电流Io可以由下式计算： （4.1）式中为二极管的正向压降。为减小静态功耗和克服交越失真，静态时VT1、VT3应工作在微导通状态，即满足下列关系： （4.2）RP2用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，所以采用1K的电位器。安装电路时首先应使RP2的阻值为零，调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则静态时因RP2的阻值较大而使复合管的电流过大而损坏。R6、R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，我选择用240。R8、R9为直流负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，在这里VT2 和VT4均为大功率管，因此R8、R9我

11、选择0.5的。R10、R11称为平衡电阻，使VT1、VT3的输出对称，一般为一百欧。R12、C3称为消振网络，可以改善负载接扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能算坏晶体三极管VT2、VT4。R12、C3的取值视扬声器的的频率响应而定，以效果最佳为好。一般R12为几十欧姆，C3为几千PF至0.1uF。在这里我R12用33，C3用104。还有就是在老师的建议下在电源两头都加了滤波电容，防止产生高频自激，这个以后再设计电路时都应注意。（2）功率放大三极管的参数 项目符号额定值单位集电极-基极电压40V集电极-发射极

12、电压25V发射极-基极电压6V集电极电流800mA集电极耗散功率800mW表4.1 三极管S8050主要参数表4.2 三极管S8550主要参数项目符号额定值单位集电极-基极电压-40V集电极-发射极电压-25V发射极-基极电压-6V集电极电流-1.5A集电极耗散功率1W表4.3 功率三极管TIP41C主要参数项目符号额定值单位集电极-基极电压100V集电极-发射极电压100V发射极-基极电压5V集电极电流6A集电极耗散功率20W65W4.3 PCB图图4.2 OCL音频功率放大PCB图5.系统测试5.1电路测试方案正弦波输入功放板示波器观察输出 信号负载mV测输出图5.1 测试连接图先给电路提

13、供±12V电压的供电，然后测其静态工作点，调到接近0后再将信号输入，并接上负载开始测数据。首先先测最大输出功率，因为按照参数计算正负电压最大可以达到±20V，所以将电压调为正负20V，频率调为1KHZ,增加输入电压，等到波形失真的时候记下最大电压。示波器上的电压是峰峰值，所以算最大输出功率的时候电压要除以，再用的公式计算功率。测完最大输出功率后测频率响应。因为±20V电压太高，怕把芯片烧掉，所以测频带的时候将电压调回±12V。然后固定输入电压为300mV左右，先在1KHZ频率下测其电压放大倍数，然后确定放大倍数后从小到大改变频率观察波形电压放大倍数是否在

14、正常之上，并观察波形是否失真。转换效率指电源输入功率与功放输出功率的比值。其中，电源输入功率： 输出功率可以选择最大输出功率或者额定输出功率，效率计算公式如下：。5.2测试仪器仪表测试主要用到的仪器有以下几样：1.双踪示波器（型号：YB4325），用来观察波形以及输入输出电压；2.直流稳压电源（型号：YB1711），用来提供正负电压；3.函数信号发生器（型号：YB1602P），用来提供输入信号。5.3测试结果分析1. 频率响应表5.1 OCL功率放大器的幅频特性频率/Hz输入/mV输出/V电压放大倍数频率/kHz输入/mV输出/V电压放大倍数10.003206.620.636.00030812

15、.339.9415.003367.1921.407.00030012.842.6720.003408.0723.748.00033014.142.7350.003127.7624.8710.00031213.342.63100.003208.0225.0612.0003101341.93200.003168.0725.5415.00030011.638.67500.003208.0225.0618.00030410.634.871000.0003208.626.8820.0003049.832.242500.000330927.325.0003007.5255000.0003201134.33

16、0.0003006.4821.6 正负电压为±12V由测试数据可得在200HZ到10KHZ之间波形能不失真的放大将近30倍以上，达到技术指标。以下是相关点的波形： 图5.1 50Hz时的波形图图5.2 2.5kHz时的波形图 图5.3 10kHz时的波形图通过测量获得了上图主要的波形，也记下了输出电压、放大倍数随着频率的变化而变化的一系列数据，从而可以画出如下的带宽图:图5.4 幅频特性曲线2.最大输出功率在频率为1KHZ、正负电压调到±20V的情况打，最大不失真电压为32.8V，然后除以得到有效电压值约等于11.59V，再根据公式得最大输出功率为13.456W>10

17、W，达到设计要求。3.转换效率因为输入功率无法测量，所以转换效率我用带负载时的最大输出功率除以空载时的最大输出功率。实际： 所以。6. 制作调试过程中遇到的问题功放原本就不是很容易就做好，稍有不慎，声音听出来就会变音，而且功率要求10W，像网上一般的功放电路功率都在2W左右，所以电路每个器件的参数都要清楚，并且对每一支路的电压电流都要进行计算，防止测试时会有烧坏现象。还有就是在PCB的布局上，功放中有些电阻要用功率电阻，一般的电阻封装太小，我一开始没有注意，就想着先做出来调一下，然后就导致器件放不下的现象，然后就只好重新做板子。这就告诉我们以后在PCB布局以及封装大小时都要注意实际器件的大小，

18、不然可能就要导致重新布局画板。因为以前都焊过许多板，所以在做板过程中问题不是很大，没有出现虚焊或其他焊接问题。就在调试过程中示波器的使用上，还不太熟练。可能是不经常用，一开始连波形都出不来，说来也是有点惭愧，后来在老师的指导下，成功的掌握了示波器的用法，并且测试出了较好的数据。本来想加音调调节的，为此还找了许多相关资料。但音调控制太难掌握，网上找的图仿真出来效果不大，同时课也比较多，最后只好放弃了，但这次音频功放板的成功加大了我的自信心，我相信在学到更多专业知识后，我一定能完善我的板子。7. 总结这学期的课程设计结束了，这给我们带来了不可磨灭的深刻印象，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个

19、过程是充满乐趣和成就感的，在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，不能出现实验结果的情况，经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，才一步步的解决问题，并最终得出实验结果。这次的课程设计收获是巨大的。 首先，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计理念中，这是一个不断成长和成熟的过程。第二，我学会了怎么去做一个设计者，再设计的过程中，我们必须不断提高，必须通过不间断的学习来解决一个又一个难题，更重要的是遇到难题时我们应该抱有一个平淡的心第三，我明白了

20、基本的理论知识和实践设计的差别，好多理论上可以执行的东西有时候是调试不出来的，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是实验设备的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探寻和调试才可以达到目的。最后，这次课程设计让我得到了很多在课堂上无法获得的知识，以及解决问题的方法，对我来说，这是一次成功的课程设计，实践，永远是熟练自己知识的最根本的方法。8. 谢辞本次设计的完成离不开杨善晓老师的细心指导，在开始设计前，老师就给我们讲解了很多与本设计有关的知识，指导我们该如何画图、布线以及焊接，并一再提醒我们调试时要细心，注意安全。同时每一堂课老师都会和我们一起研究电路，发现其不足，然后提出建议让我们改进。在此，非常感谢杨老师