武汉理工模电课程设计――音频功放_图文

1、课程设计任务书学生姓名:张建朋专业班级:电信 1002 指导教师:刘运苟工作单位:信息工程学院题目:音频功率放大器初始条件:具备模拟电子电路的理论知识;具备模拟电路基本电路的设计能力;具备模拟电路的基本调试手段;自选相关电子器件;可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求1、不失真输出功率2.4 W,频率响应:20HZ20KHZ2、输入阻抗 50K,输入电压 5mv3、具备高音和低音的音调控制功能4、效率60%5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书时间安排:一周,其中3天硬件设计,2天硬件调试指导教师签名:年月日系主任(或责任教师

2、签名:年月日目录1 模电课设概述 (11.1设计背景 (11.2设计目的及意义 (21.3设计时间 (21.4开发环境Multisim介绍 (22 课程设计内容 (32.1课程设计题目 (32.2课程设计统一技术要求 (32.3音频功率放大器各个电路介绍 (42.3.1直流稳压电源 (42.3.2前置放大 (52.3.3带通滤波电路 (52.3.4音调控制 (72.3.5功率放大 (102.4音频功率放大整体电路图 (112.5仿真过程及分析 (122.6 实际安装与调试 (183心得体会 (214参考文献 (225本科生课程设计成绩评定表 (231 模电课设概述1.1 设计背景音频功率放大器

3、是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。一、早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步,自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器,早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高。二、晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL电路或 OTL电路,最初的大功率PNP管是锗管,而 NPN管是硅管,两者的特性差别非常显著,电

4、路的对称性很差,人们更多采用的是准互补电路,通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管 Q2复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。三、功放输入级差动与共射-共基对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一。音乐讲究各声部之间的乎衡与统一,美术以色彩搭配均衡、和谐为美,在服装设计中,常常采取看似不对称的设计,其实质也是为了取得视觉上的均衡.上面所说的都是艺术,对称和平衡给人一种安定、完美的感觉。有意思的是,在功率放大器中,对称和平衡也有类似的效果。1.2设计目的及意义1培养学生正确的设计思想,理论联系实际的工作作风,严肃认真、实事求是的

5、科学态度和勇于探索的创新精神。2锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。3通过课程设计,使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。4巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。5为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。1.3设计时间课程设计时间:一周,其中3天硬件设计,2天硬件调试1.4开发环境Multisim 11.0简要介绍NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具,NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。N

6、I Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来,并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。直观的图形界面整个操作界面就像一个电子实验工作台,绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上,轻点鼠标可用导线将它们连接起来,软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似,测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的;丰富的元器件提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件,同时能方便的对元件各种参数进行编辑修

7、改,能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能,创建自己的元器件。强大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎,通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。2 课程设计内容2.1 课程设计题目音频功率放大器设计初始条件:直流稳压电源;变压器,桥式整流,LM7815,LM7915电容,电阻前置放大;运算放大器NE5532,电容,电阻若干音调控制;运算放大器NE5532,电容,电阻若干,变阻器功率放大;TDA2030,扬声器,IN4001,电容电阻若

8、干,电位器可用仪器;万用表,毫伏表2.2 课程设计统一技术要求1、不失真输出功率2.4 W,频率响应:20HZ20KHZ2、输入阻抗 50K,输入电压 5mv3、具备高音和低音的音调控制功能4、效率60%5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书2.3音频功率放大器个单元电路介绍2.3.1直流稳压电源 图2.3.1直流稳压电源设计图如上图所示,该电路采用的是LM7815和LM7915型号的集成稳压芯片组成的具有同时输出+15V,-15V直流电压的稳压电路。该电路对称性好,温度特性也近似一致。电源输出端接有保护二极管D2,D3.如果不接二极管,LM7815的输出电压通过外加负载加到LM7915的

9、输出端,必将烧坏LM7915。由于模电实验课上已经把恒压源的设计作为考试题目,且本题中音频功放为主题,所以这里就不再详细分析他了。Protel DXP中没有相应的原件及替代,固用TI设计了以上电路。上图也为模拟电子技术基础课本的P340页图样,由于仿真元件库中没有CW7815和CW7915,固用LM7815和LM7915替代。VEE 2.3.2前置放大 图2.3.2.1前置放大图(实际电路本前置放大电路为并联电流负反馈方向运算放大,分析可得其放大倍数即为R22R2033.3 2.3.3带通滤波器 实验电路的第三部分即为压控电压源二阶低通滤波电路,用来过滤带通外高频信号。电路中同时引入了正负反馈

10、。当信号趋于零是,由于C5的电抗趋于无穷大,因而正反馈很弱;当信号趋于无穷大时,由于C3的电抗趋于无穷大,因而输入集成运放的U 趋于零。由此相当于选择了加入电路的信号范围,选择了前置放大后的信号。在电路中,由带通电路中的fL=12RC ,和电压放大的作用,电路的后半部分为二阶高通滤波电路,用来过滤通带外低频信号,前半部分滤掉了过高的高频信号,进而起到了选频的作用。其实,高通滤波与低通滤波电路具有对偶性,将相应的电容换成电阻,电阻换成电容,就可以得到高通滤波电路。所以可以取C1=C2,R3=R4,那么通带放大倍数Au1=1+R6R5设上限截止频率为fH=12R6C6,下限截止频率为fL=12R1

11、C2,则计算后可得低通滤波电路传递函数即为H u u u f f A j f f A A -+ -=12H 131所以只有当1u A 3时,电路才能正常工作,而不产生自激振荡。 若取品质因数Q=0.707,则Au1=Au -1Q =1.586,符合1u A 3这一条件 同理,Au2=Au1=Au -1Q =1.586,也满足条件。 R12200kKey=A 50%2.3.4音调控制图2.3.4.1音调控制电路(实际电路第四部分的音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制,从而达到控制放音音色的目的。本实验电路采用的是负反馈式音调控制电路,与衰减式音调控制电路相比

12、,它具有噪音和失真较小,并且在调节音调时,其转折频率保持固定不变,而特性曲线的斜率却随之改变的特点。 图2.3.4.2音调控制电路(理想电路(1对于低音信号来说,由于C3的容抗很大,相当于开路,此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时,C 1被短路,此时电路图2可简化为图3(a。由于电容C 2对于低音信号容抗大,所以相对地提高了低音信号的放大倍数,起到了对低音提升的作用。该电路的电压放大倍数表达式为:112122122112./(11/1(C R R j C R j R R R R C j R R A P P P P Vf +-=+-=,其转

13、折频率为:12121C R f P L =,112221/(21R R R f P L = 。可见当频率0f 时, 212.P VfR R R A +;当频率f 时,112.=R RA Vf 。从定性的角度来说,就是 在中、高音域,增益仅取决于R 2与R 1的比值,即等于1;在低音域,增益可以 得到衰减,最小增益为(212P R R R +。(2电路对于高音信号来说,电容C1、C2的容抗很小,可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1,即可实现对高音信号的提升或衰减。 该电路的电压放大倍数表达式为:(11/1(434334.b ac a bVf R R C j R C j R R R R C j

14、R A +=+=。 其转折频率为:(21431b H R R C f+=,43221R C f H =。当频率0f 时,1.=a b Vf R R A ;当频率f 时,bVf R R R A +44.。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。R1375%22F2.3.5功率放大图2.3.5.1功率放大电路(实际电路由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好,功耗低,电源利用率高,失真小,具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能,所以使用非常广泛。TDA2030/2030A 集成功放,具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护,外围电路简单,但在实际使用的

15、过程中一定要注意,加上散热片,否则,TDA2030很快就会由于温度过高而停止工作!在该电路由TDA2030组成的串联电流负反馈负反馈电路,其交流电压放大倍数8.2048.010111615+=+=R R A Vf (倍2.4音频功率放大整体电路图 图2.4.1音频功率放大器整体电路图在本实验电路中,二极管D 1、D 2起保护作用,一是限制输入信号最大值,二是防止电源极性接反。R 17、C 7组成输出相移校正网络,可以使负载接近纯电阻。本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。首先根据输出功率的确定 电源大小和整个系统的增益。因为音频功率放大器的输出功率P OM 2.4W 。所 以音频功率放大器

16、的输出幅值20.684.222=L OM OM R P V (V 。当输入信号最小值为5mV 时,整个放大系统的电压放大倍数为:12401020.63=-i O M V V V A (倍。根据整个放大系统的电压增益,合理分配各级单元电路的增益。功率放大器级(采用集成功放电压放大倍数取20倍;音调控制器放大器在中频(1KHz 处的电压放大倍数取1;前置放大器的电压放大倍数取30(考虑到实际电路中有衰减。电压放大倍数Au=1+R15R16 =21。但是,在实验过程中,尤其是电路仿真时,一定要根据实际情况作出适当的调整,以保证输出达到要求!2.5仿真过程及分析2.5.1前置放大仿真 图2.5.1.1

17、前置放大仿真效果图由上图可得,输出前置端的电压与输入端的电压反向。其放大倍数为倍,达到了预期的设计要求。(219.971mV7.069m V=31.122.5.2带通滤波电路仿真 图2.5.2.1带通滤波电路仿真效果图由上图可得,输出带通滤波电路端的电压与输入端的电压同向。其放大倍倍,满足小于3的条件。尽管输出出数为(534.482mV226.950m V=2.4现了稍微的相移,但基本上不会构成太大的失真,故本带通滤波电路基本上达到了预期的设计要求。 图2.5.2.2带通滤波电路上限截止频率 图2.5.2.3带通滤波电路下限截止频率由上图可得,设计的电路中频带在18Hz-20.6kHz,那么,

18、通频带一定大于这个范围,又由所要求的带通滤波的通带20Hz-20KHz在实验仿真电路的中频带范围之内,即达到了实验要求。2.5.3音调控制仿真 图2.5.3.1音调控制电路仿真效果由上图可得,输出端的电压与输入端的电压反向。其放大倍数为倍,满足约等于1的条件,达到了预期(443.049mV451.932m V=0.98的设计要求。 图2.5.3.2低音放大仿真效果 图2.5.3.3低音衰减仿真效果图 图2.5.3.4高音衰减仿真效果图 图2.5.3.5高音放大仿真效果图以上各图分别为音调控制电路的仿真效果图,由图可知通过对两个电位器的控制可以控制高音,低音的放大倍数,进而控制和调节高低音的输出

19、。2.5.4功率放大 图2.5.4.1功率放大仿真由上图可得,输出端的电压与总输入端的电压同向。其放大倍数为倍,基本满足要求的20倍,将电压带入求解(9.701V470.601m V=20.61功率如下图所示。 图2.5.4.2输出电流图2.5.4.3输出电压 图2.5.4.4输出功率由上图可得,输出功率为5.875W,大于所要求的2.4W,基本满足设计要求。2.5.4输入电阻的测量 图2.5.4.1仿真电路中的输入电阻由上图可得电路的输入阻抗为76.9K满足输入阻抗 50K的要求。2.6实际安装与调试2.6.1元件列表表2.6.1.1 元件列表 2.6.2调试环节音频功率放大器的调试1、节点

20、调试焊接电路板的过程中,无论是加飞线,还是埋导线,或者说是拉锡线都要用万用表测一下通断情况。尤其是电阻,焊接前一定要测量它的阻值和通断情况。还有就是一些较小的芯片,上面可能会有好几个端口,一定要注意不能短路。这些小细节一定要在调试的过程中加以注意!2、前置放大器调试焊接完成后,测量输入和输出的电压数据,测得电路输入电压为 4.8mV,输出电压为0.151V,其放大倍数大致为31,和仿真数据十分接近,故前置放大电路几乎没有问题。3、带通滤波电路调试在以上的基础上,改变输入信号的频率,波形依然为正弦波,将输入信号,输出信号同时接入示波器。改变输入信号的频率,观察输入和输出信号的失真情况。实验结果显

21、示,其频率在18.Hz开始出现较大范围的失真,在20.3kHz 时出现失真。及其同频带宽为18.3Hz-20.3kHz,满足所要求的频率。4、功率放大器测试发现接入电源后,扬声器的声音失真很大,断开电源后发现一处断路,然后连接好后再次接入电源,发生100uF电容爆炸。仔细检查后发现电路存在极性电容的正负极接反的情况。进行相应调节后,扬声器可以正常工作。5、整机联调现在将各个模块进行级联,进行系统调试。(1输出功率测量将频率等于50kHz,幅值为5mV左右的正弦波信号接入输入端,测量输出的电压和电流值,计算其输出功率功率。(2音频功率放大器频率响应测量调节音调电路中的电位器,在输入信号保持不变,改变输入信号的频率,测量音频功率放大器的上、下限截止频率。3.心得体会经过本次课程设计,我认为在实验的初期阶段,一定要把实验的原理搞清楚,做到心