模拟电子技术

1、模拟电子技术课程设计课题名称： 一种音频功率放大器的设计学生姓名 左金明学 号 1316301194专 业 电气工程及其自动化班 级 13级电气2班指导教师 郭顺京第1章 系统总体设计1.1 设计要求本音频功率放大器设计要求的技术规范如下：（1）当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5w，输出波形无明显失真。（2）通频带为20Hz20kHz。（3）输入电阻为600。（4）尽可能提高功率放大器的整机效率。1.2 设计思路本课题要求设计并制作一个音频功率放大器，要求当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8电阻负载上，输出功率要大于等于5w，输出波形无明显的失真；通

2、频带在20Hz到20kHz之间；输入电阻要求为600；尽可能的提高功率放大器的整机工作效率。根据这些要求，本设计最好采用二级放大来实现音频信号的输出。前级放大主要作用于电压信号的放大，二级放大主要作用于功率的放大。这样的设计能保证音频信号有足够的功率能从扬声器输出。本课题要求设计一种音频功率放大器，在8电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波。设计中采用分立元件组成音频功率放大器，采用三极管构成一级放大电路，利用NPN和PNP管构成二级放大电路，采用滑动变阻器改变输入电压。1.3 整体框图本设计主要通过输入信号源，在一级电路将音频信号的电压放大后，传给二级电路进行音频信号功率的放大，最后通过扬声

3、器输出。本设计要求在8电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波，当输入正弦信号电压有效值为5mv时，输出功率5w，尽可能提高功率放大器的整机效率。电路通过改变滑动变阻器的阻值来调节电压，使输出功率随着电压的变化而变化，从而达到本设计的设计指标。系统整体设计框图如图2-1所示。保护、分压电路输出级前级放大电路输入音频信号功率放大电路负反馈电路 系统整体设计框图1.4 方案比较与论证（1）方案一用LM386组成的OTL功放电路如图2-2所示，信号从脚同相输入端输入，从脚经耦合电容（220F）输出。图2-3为LM386芯片的管脚图，脚可以接电容，作用是作为去耦滤波电容。脚与脚之间可以接电阻、电容用于调

4、节电路的闭环电压增益。脚与脚之间接滑动变阻器的话，可以通过改变电阻值，使集成功放的电压放大倍数发生变化。R值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取变阻器阻值=0。图1-2输出端脚所接10电阻和47nF电容组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。图2-2 LM386构成的音频功率放大器图1-3 LM386管脚图方案一电路的优点：LM386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，应用广泛，大大减少了分立元件的使用，供电电压要求比较低，412V都可以驱动。方案一电路的缺点：使用LM386集成块之后，设计要求无法达到，不能通过二级放大来实现音频信号的输出，可调范围减小，

5、整机效率都可能小降。（2）方案二采用TDA2030运算放大器，两个晶体管和一些电容、电阻组成音频功率放大器电路，其原理图如图2-4所示。TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。1脚是正向输入端 2脚是反向输入端 3脚是负电源输入端 4脚是功率输出端 5脚是正电源输入端。如图2-4所示，TDA2030运算放

6、大器为电路的驱动级电路，而两个晶体管是为了更好地放大音频信号的功率，保证能从8负载上尽可能小失真的输出。而电容有滤除噪声的功能，减少外界的干扰。而且电路有保护电路，电源可以接到30V。图1-4 TDA2030构成的音频功率放大器 方案二电路的优点：外接元件非常少； 输出功率大；采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度； 开机冲击极小； 内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等； TDA2030无疑是做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放的好元件。方案二电路的缺点：TDA2030在市场上有一

7、些伪品，对于初学者在选购元器件时可能会遇到一些问题TDA2030集成块和普通的晶体管相比价格略高；此电路中没有用到滑动变阻器，调试时数据的采集会有一些困难。（3）方案三采用一些晶体管、电阻和电容构成的音频功率放大器，电路图如图2-5所示。本电路图主要有前置放大电路和功率放大电路两部分组成。前置放大电路由一些电阻、电容、滑动变阻器、晶体管等元件构成。前置放大电路主要应用了负反馈。负反馈具有提高电路及其增益的稳定性，减少非线性失真，扩展通频带，改变输入电阻和输出电阻等功能。反馈在电子电路中得到广泛应用。正反馈应用于各种振荡电路，用作产生各种波形的信号源；负反馈则是用来改善放大器的性能。将放大器输出

8、信号（电压或电流）的一部分（或全部），经过一定的电路（称为反馈网络）送回到输入回路，与原来的输入信号（电压或电流）共同控制放大器，这样的作用过程称为反馈。电路中的负反馈属于电压并联负反馈，R5是反馈元件，它构成反馈网络。在此电路中负反馈的主要作用是改善放大电路的性能，放大音频信号的电压。功率放大电路主要由各种晶体管、电阻和电容等构成。功率放大电路用的是OTL功放电路，还有NPN复合管和PNP复合管。OTL电路具有线路简单、效率高等特点，但要采用双电源供电，给使用和维修带来不便。为了克服这一缺点，可采用单电源供电的互补对称电路，这种电路又称为无输出变压器的功放电路，简称OTL电路。NPN、PNP

9、复合管可以对音频信号进行放大，获得很强的信号。图1-5 分立元件构成的音频功率放大器方案三电路的优点：此电路全部采用分立元件构成音频功率放大器，应用到了许多模拟电子的知识，能很好的让我回顾学过的知识，锻炼我们分析电路的能力。元器件的价格相对集成块来说比较便宜。方案三电路的缺点：使用的是30V电源，要求的电压相对较高，具有一定的危险性。综合以上三种设计方案，方案一不符合设计要求；方案二和方案三都符合设计要求。方案二适用于电子初学者，元器件较少，容易焊接，设计简单，容易弄懂其工作原理。方案三适用于有一定电子基础的人，能很好的培养人对电路的分析能力，工作原理具有多样性，元件价格也便宜，很适合本次设计

10、。最后，本设计决定采用方案三。 第2章 单元电路设计2.1 前级放大电路的设计（1）负反馈的概念本设计的前级放大电路主要运用到了负反馈电路。负反馈放大器的方框图如图3-1所示。反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成。图中A表示开环放大器（也叫基本放大器），F表示反馈网络，Xi表示输入信号（电压或电流），X0表示输出信号，Xf表示反馈信号，Xid表示净输入信号。由图可知：净输入信号为Xid=Xi-Xf （式1）开环放大倍数（或开环增益）为A= X0/Xid （式2）反馈系数为F=Xf/ X0 （式3）放大器闭环后的闭环增益为Af = X0/Xi （式4）将方程1、方程2、方程3代入方程4，得

11、Af =A / (1+A F) （式5）方程5表明了反馈放大器的增益与开环放大器的放大倍数、反馈系数的关系。方程5中，若| 1+A F |1，则| Af | A |,说明加入反馈后闭环放大倍数变小了，这类反馈属于负反馈。图2-1 负反馈放大器的组成框图（2）负反馈对放大电路的影响1）提高电路及其增益的稳定性直流负反馈稳定直流量，能起到稳定静态（直流）工作点的作用。假如由于某种原因，放大器增益加大（输入信号不变），使输出信号加大，从而使反馈信号加大。由于负反馈的原因，使净输入信号减小，结果输出信号减小。这样就抑制了输出信号的加大，实际上使得增益保持稳定。电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出

12、电压。2）减少非线性失真由于三极管特性的非线性，当输入信号较大时，就会出现失真，在其输出端得到了正负半周不对称的失真信号。当加入负反馈以后，这种失真可得到改善。其过程如图3-2所示，输出失真波形反馈到输入端与输入信号合成得到上半周小下半周大的失真波形，经放大后恰好补偿输出失真波形。图2-2 负反馈减小非线性失真示意图3）扩展通频带负反馈电路能扩展通频带。引入负反馈后增益下降，但通频带扩展。对于单RC电路，系统通频带扩展（1+A F）倍。通频带的扩展，意味着频率失真的减少，因此负反馈能减少频率失真。本设计的前级放大电路，电路图如图3-3所示。图2-3 前级放大电路2.2 功率放大电路的设计（1）

13、OTL电路的概念省去输出变压器的功率放大电路通常称为OTL电路。 其中，OTL为Output Transformer Less 的缩写。 OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路。通常采用电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。 OTL(Output transformerless )电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。过去大功率的功率放大器多采用变压器耦合方式，以解决阻抗变换问题，使电路得到最佳负载值。 但是，这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点，目前已较少使用。OTL电路不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成

14、化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路。 它的特点是：采用互补对称电路(NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出)，有输出电容，单电源供电，电路轻便可靠。 “两组串联的输出中点”可理解为采用互补对称电路(NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出)。 OTL电路的优点是只需要一组电源供电。缺点是需要能把一组电源变成了两组对称正、负电源的大电容；低频特性差。（2）OTL功率放大电路的工作原理如图3-4所示为OTL低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级，T2、T3是一对参数

15、对称的NPN和PNP型晶体三极管，他们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流Ic1的一部分流经电位器RW2及二极管D，给T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到适合的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位UA=1/2UCC，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。图2-4 OTL低频功率放大器当输入正弦交流信号ui时，经T

16、1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在ui的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。 C2和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。（3）OTL电路的主要性能指标：1）最大不失真输出功率Pom理想情况下，Pom=UCC2/8RL，在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得实际的POm=UO2/RL。2）效率=POm/PE×100%PE直流电源供给的平均功率理想情况下，功率Max=78.5%。

17、在实验中，可测量电源供给的平均电流Idc，从而求得PE=UCC×Idc，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。3）频率响应当声音功率比正常功率低3dB时，这个功率点称为频率响应的高频截止点和低频截止点。高频截止点与低频截止点之间的频率，即为该设备的频率响应。4）输入灵敏度输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。（4）复合管的概念输出功率较大的电路，应采用较大功率的功率管。大功率管的电流放大系数往往较小，且选用特性一致的互补管也比较困难。在实际应用中，往往采用复合管来解决这两个问题。在一个电子管的壳内装有两个以上电极系统，每个电极系统各自独立通过电

18、子流，实现各自的功能，这种电子管称为复合管。复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合，等效成一只三极管，复合管又称达林顿管。本设计的功率放大电路，电路图如图2-5所示。图2-5 功率放大电路2.3 总电路的设计总电路主要由前置放大电路和功率放大电路两部分组成，电路图如图2-5所示。总电路的工作原理如下： V1组成激励级，它的基极偏压取自于中点电位1/2VCC。Rp引入交直流电压并联负反馈。V2、V4复合成NPN管，V3、V5复合成PNP管，V6给两只复合管提供偏压，以消除交越失真。V6还具有温度补偿作用。R3为V1集电极负载电阻。R7用于减小复合管穿透电流。R9、R10为负反馈电阻，用于

19、稳定工作点和减小失真。C7为输出耦合电容，充当另一组电源。当V1集电极输出正半周信号电压时，V2、V4导通，V3、V5截止，被放大的正半周信号电流经C7送到负载喇叭上，形成正半周输出电压。同时，C7上被充上VCC/2的电压。当V1集电极输出负半周信号电压时，V2、V4截止，V3、V5导通。此时，电源VCC不供电，由C7放电提供V3、V5工作所需直流功率，在负载上形成负半周输出电压。它与正半周输出电压合成一个完整的正弦波。电路中的C2、R6组成具有升压功能的“自举电路”。不接C2时，信号越强，V2、V4导通越充分，K点电位上升越多，将使V2、V4的正偏电压UBE减小，输出电流也减小，限制了输出功

20、率的提高。在电路中加入C2后，其两端被充上一定的电压值。当正半周信号通过V2、V4使K点电位上升时，G点电位跟着升高，UG=UK+U C2，UG可高于Vcc,使V2、V4基极电位升高，保证了V2、V4的大电流输出，提高了输出功率。R6为隔离电阻，防止输出信号经电容C2短路到地。这种因C2的作用使G点电位随K点电位升高而上升的方式叫“自举”。具有自举功能的电路叫做自举电路。 第3章 硬件电路的制作与调试3.1 硬件设计本设计硬件电路板采用手工焊接，按照总电路图焊接对应的元器件。在焊接时，将运用到电烙铁、焊锡丝、斜口钳等工具。焊接时，掌握好电烙铁的温度很重要。看清楚元器件的管脚后在进行焊接，做到不

21、漏焊、虚焊。硬件制作的目的是在原有的理论基础上通过示波器等一些常规的实验仪器来验证电路原理的过程，实现电路设计要求。本设计由前级放大电路和功率放大电路两部分组成。电路板采用单面板，一面用来放置元器件，另一面用于焊接。整个系统的硬件部分调试可分为各个模块调试和逐级联成整体调试，这样确保了调试的成功率。在音频功率放大器中主要是通过调节滑动变阻器的阻值，输出不同频率的正弦波来满足设计要求。前级电路的调试较为简单，只要测量一下输出电压是否符合驱动要求；功率放大电路的测量较为复杂，含有较多的三极管，对整个电路的影响较大，需要多次测量来获得较为正确的数据。3.2 系统调试电路板焊接完成后，先进行全面的检查

22、。检查无误后，开始进行电路板的有源调试。调试步骤如下：（1）输出波形的调试：先利用函数信号发生器，将信号设置成电压有效值为5mv正弦波信号，然后连接到i，将信号送入音频功率放大器。在喇叭的两端通过测试线连接到数字双踪示波器，接通电源后，观察示波器的波形，并记录输出功率的大小，画出波形图。完成数据的记录后，与设计中要求的数据进行比较，确定硬件电路是否符合设计要求。（2）通频带的调试：测量放大器通频带，测的是放大器增益随频率变化的情况。在改变输入信号频率时，保持输入信号幅值不变，输出信号幅值的变化正比于增益的变化。两级放大器的增益是各级放大器增益的乘积，因此两级放大器的通频带比单级放大器的通频带要

23、窄。在调试时，将函数信号发生器与i相连，数字双踪示波器接到喇叭的两端。改变输入信号的频率，保持输入信号幅度不变，通过示波器记录下输出信号幅度值。多次测量后，与设计要求数据进行比较。电路调试完成后，现断开电源，然后整理好仪器，最后对数据进行归纳总结。3.3 误差分析本系统涉及的模拟硬件电路较多。前级放大模块和功率放大模块纯属于硬件部分，又属于高频部分。这就导致管脚分布时电容对电路的影响极大。因晶体管的特性参数存在较大差别，所以实际测试结果与理论数据值存在一定的误差。不过在测试硬件电路时反复调整滑动变阻器和电容的具体数值，也可达到理想的结果。在设计电路时，选用元器件也要有所考虑，尽量减小误差值。当

24、然在焊接电路的过程中，由于焊接工艺的好坏，也会间接影响电路的输出。在焊接电路时避免虚焊，漏焊等状况。在音频功率放大器的调试中，还会受到外界信号的干扰。这种干扰通常是无法消除的，只能尽可能的较小。第4章 结论 本课题音频功率放大器的设计与制作终于完成。在这次毕业设计的课题一种音频功率放大器的设计中运用了很多我学过的知识，比如模拟电子，高频电子等专业知识，这次的毕业设计是对我这三年来所学知识的综合考察。通过这次的毕业设计不仅让我对许多知识有了更深的了解，还锻炼了我的独立思考问题的能力，这为我以后步入社会工作奠定了一个基础。在设计过程中我遇到了很多问题，一开始的设计使自己感到很迷茫不知道该从何入手，甚至都觉得这个课