OTL音频功率放大器

1、模拟电路课程设计报告设计题目：OTL音频功率放大器专业班级：电信本学生姓名：一学 号：39_指导教师：设计时间：1月4日摘要功率放大器的作用是给音响放大器负载 RL （扬声器），提供一定的输出功率， 当负载一定时，希望输出的功率尽可能的大， 输出信号的非线性失真尽可能的小， 效率尽可能的高，功率放大器的常见电路形式有 OTL电路和OCL电路，有用继 承运算放大器晶体管功率放大器，也有去集成电路功率放大器，本文设计的是 OTL功率放大器，该放大电路采用 LM386高频放大器芯片，LM386音频放大器 电路是做常用的音频功率放大电路，LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗 低，电压增益可调，电

2、压范围大，外接元件少喝总谐波失真少等功率放大器。音频功率放大器简称 “功放”，作用是放大调音台或周边设备 （信号处理设备） 送来的低电平音频频信号，使它的输出功率足以驱动配接的扬声器负载。现有的音频功率放大器都是以线性放大为基础的模拟类功放， 即把连续变化 的音频信号 （称为模拟信号） 直接进行线性放大。 所用的放大器件为电子管和双 极晶体管（即NPN和PNP型半导体晶体管，简称晶体管）两类。按功放静态工作点的设置又可分为 A类放大、A/B类放大和C类放三种。A 类放大的失真最小，音质好，但电源转换率最低，器件的发热量最大，生 产成高，一般用于输出功率较小的 Hi-Fi发烧级功放。C类放大的失

3、真比A类大些，尤其是在小信号输出时（1/100输出功率）音 质失真更明显，但电源转换效率高，器件发热量小，性能 /价格比高，一般用于 输出功率大的专业功放。A/B类功放的特点介于A类和C类之间，多用于家庭影院的 AV功放。电子管功放巳有数十年历史，是功放元老代。转换速率高，工作可靠，偶次 谐波失真小（听觉对偶次谐波失真特别敏感），音质上好，被人们宠爱。最大缺 点是电源利用效率很低，电子管 A类放的效率不到10%、C类约15-17%,大部 分电能变为热量消耗掉。耗电大、发热高、体积大、成本高等缺点，在专业音响 系统中被晶体管功放替代。晶体管功放近 20 多年发展史，是第二代功放。 最大优点是电源

4、转换效率高 （C 类功放最高可达 60%左右），体积小，重量轻、发热量不大，生产成本低、 缺点是转换速率低，偶次谐波失真较大，音质和可靠性都略逊于电子管功放。故此次我们选择用集成块来做此次的课程设计。题目：OTL音频功率放大器、设计任务与要求设计任务1、学习基本理论在实践中综合应用的初步体验，掌握模拟电路设计的基本方法，设计步骤，培养综合设计能力和调试能力。2、培养实践技能，提高分析和解决问题的能力。3、掌握OTL音频功率放大器的设计方法，基本工作原理和基本性能的测试。4、通过OTL音频功率放大器的设计、安装和调试，进一步加深对互补对称功率放大电路的理解，提高动手能力。设计要求1、设音频信号为

5、vi=10mV,频率f = 1KHz2、额定输出功率Po 2W3、负载阻抗RL=8Q;4、失真度丫三3%5、用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源。、 方案设计与论证总体设计方案1、设计思路功率放大器的作用是给负载RL提供一定的输出功率。当RL 一定时希望输出功率尽可能的大，输出信号的非线性失真尽可能的小，且效率尽可能的由于OTL电路采用的是直接耦合方式，为了保证电路的工作稳定，必须采取有效措施抑制零点漂移，为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故，需要哟足够大的电压放大倍数，因此，性能良好的OTL功率放大器应由输入级，推动级和输出级等组成部分。2、OTL功放各级的作用和电

6、路结构特征1）输入级：主要是抑制零点漂移，保证电路工作稳定同时对前级（音调控 制级）传来的信号作低失真，低噪音放大，为此采用带恒流源由复合管 组成的差分放大电路，切设置的静态偏置电流较小。2）推动级：推动级的作用是获得足够高地电压放大倍数以及输出级提供足 够大的驱动电流，为此采用带集电极有源负载的共射放大电路，切静态 偏置电流比输入级大。3）输出级：输出级的主要作用是为负载提供足够大的输入信号功率，可采 用由复合管构成的甲乙互补对称功放的准互补功放电路。方案一：分立元件电路VCGwe HZikJLi1 Firmed t上忖29OM12VHo基本工作原理:当输入信号处于正半周期时，Q3导通，Q1

7、截止。Q3以射级输出的形式将信 号传递给负载，同时向Co充电，因为Co电容量大，基级电压基本保持不变， 维持在Vcc/2,当输入信号处于负半周期时，Q1导通，Q3截止，以充电的Co充当Q1的电 源，同时放电，Q1也可以以射级输出形式将信号传输给负载 RL这样在RL上就 得到了完整的输出波形。方案二：用TDA2030做OTL音频功率放大器2.2mF电路为音频功率放大器的原理图，其中TDA2030是高保真集成功率放大器 芯片，输出功率大于10W频响为10-1400HZ输出电流峰值课达，其内部有 输入级，中间级，输出级，且有短路保护，和过热保护，课确保电路工作安 全可靠，TDA2030使用方便，外围

8、所接器件少，电位器可调节音量的大小。方案三：用LM386做OTL音频功率放大器上图为LM386与UA741构成的OTL音频功率放大器，LM386音频功率放 大器是最常用的音频功率放大电路，LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗 低，电源增益可调，打压范围大，外接元件少，和总谐波失真小，等优点的功放 块 方案讨论与确定方案一，分立元件电路，电路中所用地元器件多，成本高，焊接难，且，Uim=Vcc/2： 2 /Au,很难调到与理论值相等或接近，且难以保证 U5Q=Vcc/2晶体 管受温度影响大，温度变化导致 Q点发生变化，使得所测的数据误差较大，难 以达到设计目的，失真率难以控制，可能使得失真

9、率 =。方案二，用TDA2030做OTL音频功率放大器，.TDA2030芯片所组成的功放 电路，TDA2030是一款输出功率大，TDA2030最大功率到达35W左右， 静态电 流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16Q的扬声器，电路简洁，制作方便、 性能可靠的高保真功放，TDA2030并具有内部保护电路，TDA2030适用与功率相 对LM386大的电路，缺点是放大倍数不可调，有时候无法满足设计要求。方案三，用UA741和LM386做OTL音频功率放大器，LM386是一种音频集 成功放，LM386具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件 少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音

10、机和收音机之中。LM386电源电压4-12V，音频功率。LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽， 最高可使用到15V,消耗静态电流为4mA,当电源电压为12V时，在8欧姆的负 载情况下，可提供几百mW的功率。它的典型输入阻抗为50K。基本上能满足设 计要求。综合上述优缺点，选择方案三选择方案三的理由如下： 电路设计简化，组装方便，只需在集成块外接少量元件便能实现输入输 出的各种放大关系。 由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反 馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。 LM386做的功率放大器零漂小，适合各种微弱的信号放大，又其具有很 高地共模抑制比

11、，对温度的变化及其他外界干扰具有很强的抗干扰能 力。 由LM386构成的放大电路，功耗低，体积小，寿命长。使整机使用的元 器件减少，成本降低，工作效率和可靠性也大大的提高。 LM3876具有电业放大可调的优点，能够适应于各种微弱信号的放大。三、单元电路设计与参数计算1、电源部分，由直流稳压电源提供，电源部分参数计算提供的是220V的交流电源要变为12V直流电 变压器用220V12V规格设计思路（1）电网供电电压交流 220V（有效值）50Hz,要获得低压直流输出，首先必须 采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即 脉

12、动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流 成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的 稳定直流电压输出，供给负载 RL。直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将 220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装 置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，其中：(1) 电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。(2) 整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动 的直流电压，常用的整流滤波电路有全波整流

13、、 桥式整流，此处用的是桥式整流 电路。(3) 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤 除，从而得到比较平滑的直流电压。(4) 稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流 电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管 D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通， D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻 RL,且方向是一致的。 整流电路1、输出电压平均值 UO(AV)和输出电流的平均值IO(AV).Uo(AV)1 2 . 22U 2sinwtd (wt)U 20.9U 2

14、0Io(AV)Uo(AV) 0.9U 2RLRL2、脉动系数c Uo1m4.22S -U2 -0.67Uo(AV)32U2233、二极管的选择每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半Id(AV)二lo(AV) 0.45U2RL二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压Ud max . 2U 2对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。If 1.1Io(AV)1 1U2/2RiU(R) 1.12U2整流用的二极管可用1N4007电解电容用3300ufC2和C3可用C4 C5可用

15、C7、C8 可用 220uf发光二极管上的R用1KQ滤波电路1、输出电压平均值Uo(AV) Uomax Uomin-2U 2(1当负载开路时Uo(AV)当 RLC=( 35)T/2 时U O (AV )1.2U2考虑电网电压波动，电容的耐压值应满足 RC=(35) T /2即，应大于 1.1 2U22、脉动系数SU O1m1稳压电路若输出电压较高，接一保护二极管D,以保护集成稳压器内部的调整管。LM7812和LM7912的输出电压分别了正负 12伏C2和C3是用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小一般小于1微法图中电容C4和C5是用于消除输出电压中高频噪声，可取小于

16、1微法的电容，也可以去几微法或几十微法的电容，一边输出较大的脉冲电流2、功能部分，参数计算SI QLH uKM卄1 Po=2w, PoUoUOR(L)R(L) 8Uo=4v2 214co1122OVnnaHe调。G44满足设计要求Ui=1Omv Au=Uom/Ui=10mv=424 即 Au=400四、总原理图及元器件清单1、总原理图LM386来说最大的放大倍数为200倍，无法满足400倍的设计要求，故需在LM386前面串一个ua741。取 R仁 1k,Au1 2,C5=250ufVccUomVcc=12Uom=Aumax =424ua741放大的倍数为2倍左右,Au1=Rx/R1 2Rx用5

17、K的电位器取 3= C5=10ufC2=C3=f2 RC5C31N4OT7aLED?U2D3D2一M即士也播士顽慣- 曲剜 -LU7S12CTEM 亠一1N4O07 1IWOT 戶严吋丁3、兀器件清单2.元件清单元件名称型号主要参数数量单价万能板大号2电位器5K1电阻1K4101电容耐压值25V2耐压值25V220uf2耐压值25V2耐压值50V3300uf21耐压值50V1耐压值50V10uf2耐压值25V2二极管IN4007耐压值1000V，I=1A8发光二极管LED， 10mA20mA2变压器220V12V19夹子红、黑9导线铝线两米集成块UA74111LM38611LM7812Uo=1

18、2V、Io=100mA11LM7912Uo=-12V、Io=100mA11底座八脚2保险管1稳压管BZV55-C6稳压2扬声器14总价五、安装与调试先在电路板上做好布局，然后进行焊接。焊接好电路到实验室进行调试，初次调试发现电源部分正常，之后的功能部分焊好电路板后，进入实验室调试时发现很难达到设计要求， 连静态工作点都测不出来，后面检查发现是电路有个地没焊好，虚焊了，改装好电路后再次进入实验室， 进行调试时，静态工作点是可以测出来，但是 LM386的最大输出不失真电压达不到要求，老师说是集成块满足不了要求，叫我们在741和386之间再 接一个电容器，并在386的号脚之间接一个电位器来调节电压放

19、大倍数， 我们回去改装好电路后，又一次回到了实验室，进行功能部分的测试，这 次改装后，电路的其它的要求基本上能满足要求， 但是最大输出不失真电 压还是无法满足设计要求，最后勉强调到了，勉强达到了 300多倍，但还 是无法达到400的设计要求，距离成功还差那么一步，后面换了个集成块， 差不多就达到了要求，总之调试了好久，其中发现了好多问题，但最终还 是把这些个问题解决了！六、性能测试与分析1、电源部分性能测试实验测得：副边电压：U仁、U2=滤波后的电压：U1 =U2=输出电压：Uo1 =Uo2=稳压管的差：7812Uo1 =7912Uo2=所测项目理论值绝对误差相对误差输出电压Uo112V%输出

20、电压Uo2-1200副边电压U115%副边电压U2-15%滤波后的电压U118%滤波后的电压U2-18%误差分析：1）输入变压器的交流电频率不稳定，导致输出的电压不是很稳定,产生误差,2) 电路中得电阻不是标准电阻，电容也非标准电容，存在一定的误差，3) 电路中得参数不是很好，导致产生误差，4) 读数时产生误差2、功能部分1、静态：1) ua741的部分的静态输出，U6Q=2) LM386的静态部分输出，U5Q=2、动态：1) 输入信号：Ui= f=1000HZ2) Ua741的输出电压：Uo1 =3) LM386的最大不失真电压：Uom=4) 第一级的放大倍数Au1=Uo1竺丄2 1.98U

21、i 10.135) 第二级的放大倍数Au2=Uo3.56V179.6Uo1 20.12mv6) 总的电压放大倍数 Au=Au1*Au2=*=7) p=UoUOR8)2 Vcc * Vcc4R100%36.5%3、理论值：1) Ua741 部 分 的 静 态 输U6Q=UO1 U02211.9( 12)211.95V/cc2) LM386 的静态输出：U5Q=VCc 5.98V23) LM386 的输出端最大不失真电压VccUom=2、24.13V4）为了能达到Uom=放大倍数Au=4004、误差计算:U6Q的误差:U5Q的误差:W(U5Q)%W(U6Q)%的 误W( 3584-400 *100

22、%11.5%358.4最大不失真电压的误差W%= 3.56 4.13 * 100% 17.6%3.565、误差分析：1.参数设计不是非常完美；导致产生一系列的误差2测量仪器本身的老化产生的误差；3焊接电路时焊点处有电阻被忽略，连接的线路也有电阻；4试验时间过长温度发生变化，使得一些元件的电阻发生变化;5连接电路时布局拉线太长了！ ！导致产生了自激振荡，使得波 形不好。6.测量数据时读数产生的误差 7.所选得集成块未能达到所要求的性能指标。七 结论与心得1.结论：本实验还可以选择其它集成块来完成例如，选用TDA2030来完成此实验, TDA2030和LM386 样是音频集成功放，同样可以实现同样

23、的功能。通过这次开放性实验，我学会了制作电路，熟练了电路焊接方法以及掌握 调试方法与测试参数；同时还提高了我们的动手能力和测试技术能力。在此次试验中遇到一些困难，比如有一些元器件不能买到，我只能用其他 元件代替，或买的与要求的参数稍有偏差，致使好多参数达不到要求。LM386 的一号脚和八号脚之间即使不接电阻也很难达到 200 倍的放大要 求，所以当要放大倍数大时，一般选择在 LM386之前接个ua741 一起来调节 放大倍数，本实验时 LM386 的一号脚与八号脚之间接个电位器来调节电压放 大倍数，确保放大倍数的可调。静态工作点得调试一定要合理，否则后面的是要内容就很难达到设计要 求，一开始调

24、试时静态工作点没达到要求所以后面的设计要求也就无法达到 要求，后面调整电路后静态工作点达到要求后，后面的要求也就基本上就满 足了关键点还是静态工作点。电路的布局要合理，电路板中的线如果过长的话，容易产生自激振荡，所 以布局一定要合理，不让其产生子激振荡。2.心得 通过这次课程设计，我学会了好会了好多东西，刚拿到设计要求的时候 一头雾水，后面经过一番的差资料把那些个原理和要求基本上都解读出来了， 以为我们的电路图无法仿真出来， 所以经过我们小组四人的一起讨论了好久， 才确定了最终的方案，虽说过程有点曲折，但还是成功了，后面我们开始买 器件，当器件当手后各自焊好电路板后，都开心的把MP3的音频信号加进去， 结果是喜人的，出来的是美妙的歌声，后来到了，调试时发现还没达到设计 要求，又赶紧讨论是出什么问题了，再次改进后又一次进入实验室调试，结 果还是悲剧的，问了老师后老师肯定了我们的原理图是正确的，给我们提出 来改进的方法，我们又回去改进电路，最后进入实验室测试时，基本上达到 了设计要求，虽说过程有的