功率放大器的设计

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子1003班指导教师：葛华工作单位：信息工程学院题 目：功率放大器的设计初始条件：计算机、Proteus软件、Cadence软件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、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习Proteus软件和Cadence软件。（2）设计一个功率放大器电路。（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电 路进行仿真。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报 告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：201

2、3.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容 的基本理论知识。2013.11.17-11.21对功率放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2013.11.22提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名：年 月日系主任（或责任教师）签名：年 月日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 摘要IAbstract II HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1功

3、放的工作原理及分类1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1功放的工作原理1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.2功放的分类1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2软件介绍2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document Proteus 2 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document Proteus 简介 2 HYPERLINK l bookmark26 o Cu

4、rrent Document 2.1.2工作界面2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.1.3对象的放置和编辑3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1.4 连线4 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document Cade nee 软件 4 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document Cade nee 简介 4 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document Cade nee软件的

5、特点4 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.2.3电路PCB的设计步骤43设计方案6 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 3.1运算放大电路的设计6 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.2功率放大电路的设计7 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.3音频功率放大电路9 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.4方案总结及仿真 10 HYPERLIN

6、K l bookmark64 o Current Document 4 Can de nee软件操作11 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 4.1 Cade nee画电路原理图 11 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 4.2布线及PCB图114.2.1布线注意事项11PCB 制作12 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 5.心得体会14 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 6参考文献15摘要功率放大器

7、（英文名称：power amplifier）,简称“功放”，是指在给定失真率条件下, 能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系 统中起到了 “组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音 质输出。本文用英国Lab Center Electronics公司的Proteus软件设计了一款动率放大器，并且对 其仿真，从仿真结果来看基本达到设计要求；再利用Cadence公司的PCB Edit软件画功率 放大器的PCB,完成了本次课程设计的要求。关键字：Proteus、Cadence、PCB、功率放大器AbstractThe power amp

8、lifier (English Name: power amplifier), referred to as the power, refers to the distortion given, can produce maximum power output to drive a load (such as a speaker) amplifier. Power amplifier plays a pivotal role in organization, coordination in the sound system, to some extent, dominate the whole

9、 system can provide good sound output.The UK Lab Center Electronicss Proteus software to design a dynamic power amplifier, and the simulation, the simulation result shows the basic design requirements; then using Cadences PCB Edit software to draw the differential operational amplifier PCB, complete

10、d the course design requirements.Keywords: Proteus、Cadence PCB、power amplifier1功放的工作原理及分类1.1功放的工作原理利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输 入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集 电极电流永远是基极电流的0倍，P是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号 注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的0倍，然后将这个信号用隔直电容隔离 出来，就得到了电流（或电压）是原先的0倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。 经过不断

11、的电流放大，就完成了功率放大。1.2功放的分类按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称 B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。甲类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号 输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况 下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平 衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。乙类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。 当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大

12、，在 两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。在讯号非常低时失真十分 严重，所以交越失真令声音变得粗糙，所以使用纯B类功放较少。甲乙类功放介于甲类和乙类功率放大器之间，它的静态工作点选在靠近截止区，即晶 体管发射结处于正向运用的时间超过半个周期，但小于一个周期。它通常有两个偏压，在 无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性， 当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效 率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么

13、 大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。2软件介绍Prot eusProteus 简介Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代 理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真 单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码 调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完 整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的 设计平台，其处理器模型支持 8051、H

14、C11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、 8086和MSP430等，2010年又增加了 Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处 理器模型。在编译方面，它也支持I AR、Keil和MPLAB等多种编译器。还可以直接在基 于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系 统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。用户甚至 可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部 分IIC器件。2.1.2工作界面Proteus ISIS的工作界面

15、是一种标准的Windows界面，如图1所示。包括：标题栏、主 菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真 进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。+9?ziil 曲衣 asi.t 3C 3- t-k P *ac一 * 歳可 00 C 3- t-k P *ac一 * 歳可 00 力習-/订 WASH*图1工作界面II 0Root 畑 1700.0 -WHO lh2.1.3对象的放置和编辑(1)对象的添加和放置点击工具箱的元器件按钮，使其选中，再点击ISIS对象选择器左边中间的置P按钮， 出现“Pick Devices”对话框，如图3所示。在这个对

16、话框里可以选择元器件和一些虚拟仪器。下面以添加单片机AT89C51为例来 说明怎么把元器件添加到编辑窗口的。在“Gategory(器件种类)”下面，找到 “MicoprocessorIC”选项，鼠标左键点击一下，在对话框的右侧，会显示大量常见的各种型 号的单片机芯片型号。找到单片机AT89C51，双击“AT89C51”，情形如图2所示。这样在左边的对象选择器就有了 AT89C51这个元件了。点击一下这个元件，然后把鼠标指针移到右边的原理图编辑区的适当位置，点击鼠标的左键，就把AT89C51放到了原理图区。Keywords:旦阴 ulk 293:Match Whole Words?Categor

17、y:(All Categories) (Unspecified) Analog IC$Cap acitors匚klOS 4000 series Conne匚忙i戊：Data Convert已戊：Debugging Tools DiodesEL：L 10000 Series El已匚t口 m已匚h日门i匚日II nductorsLaplace Primitives M已Keywords:旦阴 ulk 293:Match Whole Words?Category:(All Categories) (Unspecified) Analog IC$Cap acitors匚klOS 4000 serie

18、s Conne匚忙i戊：Data Convert已戊：Debugging Tools DiodesEL：L 10000 Series El已匚t口 m已匚h日门i匚日II nductorsLaplace Primitives M已I屮丨匚w：Microprocessor ICsM iscellaneousM odelling Primitives0 口 erati 口门日1 E,i 匚 NiFi 已戊:0 pt 口已 I 已 ctronics FLDs &： FFGAsFl esistorsSub-category:网I Sub-匚日t已gyi已:习68000 Farriihr8051 Fam

19、il-/AFIM FamilyAVFI FamilyE!.4S IC S tamp M odules HC11 Family Parin hfiralsManufacturer:.Arizona Microchi口 AFIM picAT MEL80C58.BUS 80C652 80CL31 EIUCL41U El25l. 8255AEI3C504 EI3C5UE： 83C57E； 83C654 83C748 83C749 83C750 83C751 83C752 83CL781 83L51FA 83L51FE： 87C524 87C528 EI7C552 87C652 87C654 AFIM7

20、TDMI AT89C1051 AT89C2051MICRO8051coremicrocontroller with 32kB ROM,256B RAM, 4x8-bit l/iMICFI08051coreMicrocontroller Fl U M-less.256E!FlAM. 4:-:8-bit l/U. 2:-:1斶匚Fl8051coreMicrocontroller FlOM-less.128E：FlAM. IJAFlTMICFI08051coreMicrcicontrciller FlUM-less.128E!FlAM. I兀 interfaceh-11 匚FiSingl已匚hip

21、U.4FIT and Baud F间已 Generator (ElFIGMICRO Froaramrriable Peripheral Interface with 24 I/O Lines斶匚Fi8051coreMicrocontroller with 1 GkEiFlOM. 256EIFlAM.2:-:1E；-bifMICRO8051coreMicrocontroller with 32kElROM, 256EIRAM,2x16-bitMICRO8051coreMicrocontroller with 8kB ROM, 256EI RAM, 80C51 -ba?MICRO8051coreM

22、icrocontroller with 1 BkElROM, 256EIFlAM.EHJC51 -bMICRO8051coreMicrocontroller with 2kE：Fl CM 64E：FlAM. 19 I/OlinesMICRO8051coreMicrocontroller with 2kBROM, 64BFlAM. 21 I/Olines卜川匚F心8051 core Microcoritroller with 1 k：.E； F；口随.64E： FlAM. 19 I/O linesMICRO8051coreMicrocontroller with 2kBROM, 64BFlAM.

23、 19 I/OlinesMICRO8051coreMicrocontroller with 2kE：Fl CM 64E：FlAM. 21 I/OlinesMICRO8051coreMicrocontroller with 1 BkE： ROM, 256E： FlAM. 4x8-bit I/卜川匚F心8051coreMicrocoritroller with 4kE： Fl口随.128E； FlAM. 4:-:E：-bit lyljMICRO8051coreMicrocontroller with 4kE： ROM,128E； FlAM. 4x8-bitl/OMICRO8051coreMicro

24、controller with 1 E；kE： EPROM, 512E： RAM, 4x8-biMICRO8051coreMicrocontroller with 32kB EPROM, 512E： FlAM. 4x8-biMICRO8051coreMicrocontroller with ElkEl EPROM, 256EI RAM, 6x8-bitMICRO8051coreMicrocontroller with 8kE： EFFlOM. 256E： FlAM. 4x8-bitMICRO8051coreMicrocontroller with 16kEl EPROM, 256EI RAM,

25、 4x8-biMI CFI0G eneric AFl M7T D MI core model / rnodelling primitiv已MICRO8-bit microcontroller with 1K. code flash and 64-bit iramMICRO8-bit microcontroller with 2K code flash and 128-bit iramMICRO 8-bit microcontroller with 4K. code flash and 128-bit iramMICFIU 8051 Microcontoller (4kE； code. 33MH

26、e. 2:-:1 E；-bit Timers. IJAFlT)AT89C51.E1USMICFI 口AT89C51FIB2MICFI 口AT89C51RB2.BUSMICFI 口AT89C51FIC2MICFI 口AT89C51RC2.BUSMICFI 口AT89C51FID2MICFI 口AT89C51FID2.BUSMICFI 口AT89C52MICFI 口Importlogic命令 输入由原理图生成的网络表文件。在网表输入无误之后，设计中所需元件及其电气连接关 系就全部加载到PCB编辑界面了。PCB的布局在布局布线开始之前，要设计好PCB的板框，即Outline。如果没有Outline，

27、元器件 将无法放置。另外，需要设定PCB的叠层，制定PCB的设计约束和规则，如不同种类信 号线的宽度，走线间距，过孔尺寸，走线颜色等等。利用手动或者自动放置方法将元器件一一加载到PCB板框周围后，接下来进行元器件 的布局。在PCB设计中，布局是一个重要环节，布局好坏将直接影响布线的效果以及最终 产品的电气性能。Allegro布局的方式分为交互式布局和自动布局，但在使用过程中普遍采用的仍然是交 互式布局。交互式布局时，应遵守以下的原则：1、首先要完成需要定位元件的定位，再 按照“先大后小，先难后易”的原则进行布局；2、参考原理图，以功能单元的核心元件为中 心，围绕核心元件进行布局；3、总的连线尽

28、可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号 与小电流、低电压弱信号完全分开;模拟与数字信号分开;高频与低频信号分开;高频元件的 间隔要充分;4、BGA与相邻元件的距离5mm，其它贴片元件相互间的距离0.7mm;贴装元 件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm;5、使用同一种电源的器件尽量放在一 起，以便于电源分隔；6、发热元件一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热。7、整体布 局应考虑焊接方式和焊接方向，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。PCB布线布线是将逻辑连接转换为物理连接的过程，包括连线、过孔、焊盘、弧线、填充、多 边形覆铜和电源层等。布线方式分为自动布线和交互式布线

29、两种。在对PCB的元器件进行 合理的布局后，点击RouteConnect命令，开始进行手动布线。布线时要优先处理好电源 和地的导线，再处理重要的信号线如高速、时钟信号线，最后处理普通信号线。在相邻的 两层，要选择相互垂直的方向来布线，尽量缩短线与线之间的平行距离。3设计方案设定功率放大器增益为400，使用运算放大集成电路和音频放大集成电路来进行设计, 其基本设计结构为：图3音频功率放大器基本设计结构3.1运算放大电路的设计由于输入的信号比较弱，我设置了一个前置放大器，又进一步考虑到噪音等的影响， 我使用了芯片为LF353集成运算放大器。LF353集成运算放大器输入放大级是由两只P沟道JFET组

30、成的共源极差分电路，并 且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极 跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增 益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电 压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联 的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放 大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100Q的电阻用来稳定输出电流放大级 的静态电流，200Q的电阻用来限制输出短路电流。设计前端放大器放大增益为2,及1 + R2r

31、 = 2,由此可得前置集成运放电路图如下:1J10KQ _Vi1J10KQ _Vi1其中所用电源V二CC3.1经过前置放大器放大后可以得到V二V X A二10mV X 2二20mV，于是我得 01 i V1到了下一级的输入V二V二20mV。i1013.2功率放大电路的设计由于实验室实验仪器的限制及要求，我这种方案采用的功率集成放大器芯片为LM386, LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类 产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和 电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏 置到电

32、源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适 用于电池供电的场合。这里选择功率放大器的增益为200,即： TOC o 1-5 h z .VV HYPERLINK l bookmark52 o Current Document A = = = 2003.2V 2 VVi 101即在放大器LM386的引脚1和8之间加一个10uf的电容，便可得增益为200，所设计的电路图如图5所示：3.3音频功率放大电路由2.1.1的运算放大电路及2.1.2的功率放大电路合可得音频功率放大器的电路图如图6所示：图6所示：图6音频功率放大电路其中 R 二 R 二 1OK0,R 二 1

33、00 ,C 二 10uf ,C 二 1uf ,C 二 250uf ,C 二 0.05uf，扬声器的电阻1231234即负载电阻R二80 ；总的增益为L所以输出功率A 二 A x A 二 2 x 所以输出功率A 二 A x A 二 2 x 200 二 400 VV1V x A /iV 2-10mV x 400/迈=2a/2V3.33.4_J0_L=1W3.5，满足要求。3.4方案总结及仿真方案的实现非常的简单，实验容易进行，电路比较容易理解，且所需的原件较为常见 且便宜，能够尽可能的减小实验成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够 更好的保护实验器件，减少不必要的损失；并且较为容易实现

34、，结果也较为准确，受外界 的干扰相对也较少。仿真图如图7所示。Digital OscilloscopeSource图7音频功率放大电路仿真图One-ShotCursors |BCDI1U1IChannel AChannel CAjuIo|Channel BPositiDnI wenCliamiel DDigital OscilloscopeSource图7音频功率放大电路仿真图One-ShotCursors |BCDI1U1IChannel AChannel CAjuIo|Channel BPositiDnI wenCliamiel D4 Candence软件操作4.1 Cadence画电路原

35、理图要在cadence上生成PCB图，先要在cadence软件的OrCAD Capture CIS上画出电路原理图，如图8所示COM2C2COM2 J4U1ACOM2+(2y ;-12V，R2”LF35310kR1 10kHI-CAP NP+2V0 -LMBB6SII3NDU25COM2C2COM2 J4U1ACOM2+(2y ;-12V，R2”LF35310kR1 10kHI-CAP NP+2V0 -LMBB6SII3NDU25C4L z CAP NPCAP MF1IND 2COM2CAP NPR3RGND2ND图8 Candence上的电路图完成原理图后还要修改各个元件的封装，以免不能生成

36、网络表格，更改封装的方法为右键选择DSN 工程文件，选择Edit Oject Properties找到封装PCB Footprint对应元件的封装名进行修改。修改好封装之后进行DCR检查并生成网络表格。4.2布线及PCB图4.2.1布线注意事项在设计PCB的时候，地线要尽量不从元件管脚走过，这样可以减少直流噪音。地线不 应该太长，电源线应该尽量大。由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到 产品的成功率。所以对电地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低 限度，以保证产品的质量。4.2.2 PCB 制作本次设计要求使用cadence来画电路的PCB

37、版图，要画PCB首先要画原理图，由原 理图生成网络表，再将网络表导入PCB中，进行布局，布线，铺铜等操作来完成PCB。打开PCBEditor软件，执行File-New，填写新建封装的名字，选择保存路径，再选 择Type为Package symbol后确定，进入PCB封装制作页面。执行setupf Design Parameters Design，设置图纸大小；执行setupf grids，设置栅格大小；执行Layoutf Pins，选 择外径60内径35的焊盘后放置焊盘；执行Addline， Option选项中选择Package Geometry和Assembly_Top，放置PCB元件的安装

38、外框；执行Addline， Option选项中 选择 Package Geome try 和 Silkscreen_Top,放置 PCB 元件的丝印层；执行 AddRec tangle， Option选项中选择Package Geometry和Place_Bound_Top，放置PCB元件的安全摆放区； 执行 LayoutLabelsRefDes，选择 Assembly_Top 放置参考编号，选择 Silkscreen_Top 放置丝印编号。至此PCB元件完成，保存即可。画出Board Geometry层Package Keekin层和Route Keepin层后再根据生成的网络表格 导入元件

39、。2 Import LogicBranding: Design_Entry_CIS_ Import logic typeC Design entry HDL( Design entry CIS (Capture)2 Import LogicBranding: Design_Entry_CIS_ Import logic typeC Design entry HDL( Design entry CIS (Capture)r SLALDPlace changed component AlwaysC NeverC If same symbolC Un conditional-HDL Constraint Manager Enabled Flow options( Import changes only C Overwrite current constraints厂 Allow etch removal during