一分六音视频分配器课程设计报告

可编辑版/课程设计报告书课题：音视频分配器电路院〔系：机电工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：一、音视频分配器电路的主要内容本次课程设计的任务要求是用分立元件设计一个音视频分配器电路。性能指标要求为：音频频响,音频输入:最小电平VP-P最大电平VP-P,音频输出：最小电平VP-P最大电平VP-P,输入输出阻抗：Ω；视频频响：。视频输入:最小电平,最大电平视频输出：最小电平,最大电平,输入输出阻抗：资料收集1、由于本课题中含有分立器件构成的宽频带放大器电路、功率放大电路,因此首先收集了部分三极管的技术手册,以供设计时参考使用。2、在资料收集方面：通过查阅互联网和图书馆中的有关技术文档为参考,以《电子技术基础〔模拟部分第六版》、《晶体管电路设计》为设计依据。3、在计算机辅助设计方面：采用SIMetrix软件对设计进行仿真,并最后使用AltiumDesigner14完成原理图和PCB版图绘制。三、工作过程简介接到选题安排后根据题目要求进行讨论得到了一个总体方案,方案将电路分为三大模块：电源模块、视频信号放大模块、音频信号放大模块。接下来就是分模块方案：视频放大器部分采用三级构架构成,即：输入缓冲级—宽频放大级—功率输出级；音频放大器部分采用三级构架构成,即：输入缓冲级—电压放大级—功率输出级；电源部分由于考虑实际电路的需要,因此决定采用硅堆整流——三端稳压器稳压的结构。完成理论设计后在SIMetrix仿真软件中对视频放大器,音频放大器进行仿真,通过调整相关元件参数使电路最终能达到设计要求,完成设计工作。随后使用AltiumDesigner14输入原理图和绘制PCB版图。采用热转印技术将打印好的PCB版图转印在铜板上,确认转印良好后进行腐蚀、打孔、焊接元器件等工作,检查电路接线,焊接无误后进行电路板通电调试。在首次上电测试过程中虽然实现了主体功能,但是没有达到预期的效果。仿真结果和实物有一些出入。实际电路板部分参数没有达到设计要求,宽频放大器部分频率响应上有缺陷,后经设计修改解决了这一问题。在音频部分的调试过程中,我们发现功率级偏流很大,发热严重。后经原因排除,确定问题在于我们直接接信号送入了动态偏置电路的基极,导致偏置失稳。最后经仿真试验证,将信号输入的方式进行了一些调整,将原本从偏置电路基极输入的信号改到射极输入,最终调试成功,完成了整体工作。目录TOC\o"1-3"\h\u1.系统概述 11.1.系统设计思路 11.2.可行性论证 11.3.各功能块的划分与组成 11.4.总体工作原理 22.单元电路设计与仿真22.1.各单元电路的选择 22.2.设计及仿真32.3.工作原理52.4.有关参数的计算及元器件参数的选择 63.电路的安装与调试 63.1.安装与调试过程 63.2.性能指标 74.结束语 95.鸣谢96.参考文献97.附录107.1.附录1——元器件明细表 107.2.附录2—电路图117.3.PCB版图12系统概述系统设计思路参考有关资料和题目要求,我们决定采用三极管作为设计的主要器件,三极管发展历史较长,工艺成熟,价格较低,而且工作条件宽松,适合本次课程设计的需求,所以整个方案都将以三极管为核心器件进行。由于考虑到音视频分配器的实用性,电源部分特地采用硅桥整流和三端稳压器稳压的方案,以适应交直流供电的各种条件；此外,为照顾电源系统的通用性,整个供电系统使用±15V供电。在电路总体框架上,我们考虑到音频信号和视频信号的性质不一致,带宽有所差别,故最终采用音频视频分离的方案。音频视频分离的方案将采用两组放大电路,分别对信号进行处理。这样既降低了成本,也减少了设计难度。输入输出级采用射级跟随器进行缓冲,降低了接口匹配技术难度。可行性论证我们为本次课设准备了三个方案。方案一：直接采用射级跟随器直接进行设计,仅对信号的电流进行放大,末级也直接采用射级跟随器作为缓冲,直接将信号进行输出。方案二：直接采用电压放大器进行设计,仅对信号的电压进行放大,末级采用射级跟随器作为缓冲,将信号输出。方案三：采用射级跟随器进行缓冲,中间级采用信号的电压进行放大,末级采用射级跟随器作为缓冲输出。由于射级跟随器的电压放大倍数小于1,因此方案一不能使得输出信号与输入信号等大,故不采用该方案。由于共射放大器的输出阻抗较大,带负载能力差,因此方案二不能使得输出信号在负载上不失真,故不采用该方案。方案三由于采用了射级跟随器进行缓冲,使得输入信号更好的传递,减少线路上的驻波,降低传输阻抗；射级跟随器的输出阻抗很低,使得负载上能够得到最够的功率。中间级采用了电压放大器,克服了射级跟随器电压放大倍数小于1的问题,使得设计可以顺利进行,故最终选用方案三。各功能块的划分与组成本方案将电路分为三大模块：电源模块、视频信号放大模块、音频信号放大模块。视频放大器部分采用三级构架构成,即：输入缓冲级—宽频放大级—功率输出级；输入缓冲级采用射级跟随器进行缓冲,使得信号能够很好的被放大器采集。宽频放大级采用共基极放大器进行电压放大,由于共基极放大器具有较宽的通频带,使得整机能够满足设计指标。功率输出级采用互补功率放大器进行输出,使得负载上得到足够的功率。音频放大器部分也采用三级构架构成,即：输入缓冲级—电压放大级—功率输出级。输入缓冲级采用射级跟随器进行缓冲,使得信号能够很好的被放大器采集。电压放大级采用共射极放大器进行电压放大,由于共射极放大器具有较高的电压增益,使得整机能够满足设计指标。功率输出级采用甲乙类互补功率放大器进行输出,输出管使用达林顿结构和动态偏置技术,使得负载上得到足够的功率的同时尽量减少电路功耗,以减轻电源部分的负担,降低整机容量。电源部分由于考虑实际电路的需要,因此决定采用硅堆整流——三端稳压器稳压的结构,此方案采用78XX、79XX系列稳压器,此稳压器具有简单易用,纹波小,工作可靠,抗冲击能力强,输出稳定等优点。采用此稳压器可以使得我们的设计简单可靠。总体工作原理视频信号经由传输线送入与75Ω输入电阻进行阻抗匹配,信号经输入耦合电容耦合至视频放大器的射极跟随级,经射极跟随级缓冲的的信号通过C2耦合送入共基极放大器进行放大,放大后的信号经C4耦合送入末级互补功率放大器进行输出,输出级使用75Ω电阻进行阻抗匹配。音频信号经由传输线送入与600Ω输入电阻进行阻抗匹配,信号直接耦合至音频放大器的射极跟随级,经射极跟随级缓冲的的信号通过C21耦合送入共射极放大器进行放大,放大后的信号经C22耦合送入末级甲乙类互补功率放大器进行输出,输出级使用600Ω电阻进行阻抗匹配。单元电路设计与仿真各单元电路的选择各部分的输入端均采用射极跟随器作为输入缓冲,射极跟随器具有很高的输入阻抗和较低的输出阻抗。使用此电路作为缓冲级可大大优化电路性能,使得输入输出阻抗匹配变得较为容易。使用射极跟随器还可使得级间耦合更将更加简便,设计难度减小,系统稳定性得到提高。在视频放大器中间级部分,采用了共基—共集放大电路,使得系统频率响应得到提高,同时共集电极输出克服了共基极放大器输出阻抗不足,带载能力差的问题。在整体完成以后,我们还引入了RC频率补偿网络,使得电路的频率特性得到很好的延伸,使系统能够适应更复杂的工作条件。在音频放大器中间级部分,采用了共射放大电路,使得环路电压增益得到提高,同时采用深度负反馈克服了共射放大器温度稳定性差,受器件参数影响大的问题。在音频系统中没有加入环路反馈。使得输入信号得到较好的还原,减小因反馈网络的特性而引起的失真。各部分的输出端均采用互补功率放大器作为输出级,互补功率放大器具有较高的输入阻抗和极低的输出阻抗。使用此电路作为输出级可极大的优化电路性能,使得输出阻抗匹配变得很容易。在音频部分,我们采用了动态偏置电路〔电压倍增器使得在较小的功耗下取得较好的偏置效果,能够增大电路的动态范围。输出部分采用达林顿结构,使得输出阻抗更小,带载能力更强,系统通用性得到增强。设计及仿真通过以上的分析,我们对视频放大电路进行了如下设计：对该部分的仿真结果如下：通过仿真,我的可以看到,该电路的频率响应等关键参数满足设计要求,可以照此设计定型制作。参照音频部分的要求,我们做出了如下设计：对该部分的仿真结果如下：通过仿真,我的可以得出结论,该电路的频率响应,放大倍数,带载能力差等关键参数满足设计要求,可以照此设计进行制作。工作原理视频信号经由传输线送入与75Ω输入电阻进行阻抗匹配,信号经输入耦合电容耦合至视频放大器的射极跟随级,该级由R2、R3提供偏置,R4作为负反馈,R1为输出电阻,三极管的静态工作点设置在UBEQ=0.6V,UCEQ=7.2V,ICQ=7.1mA,三极管选用9018以拓宽频率响应。经射极跟随级缓冲的的信号通过C2耦合送入共基——共集放大器进行放大,该级由R5、R6提供偏置,R7、R8、R9作为负反馈,R7为输出电阻,C3对Q2基极进行交流旁路,使之构成共基极组态,三极管Q2的静态工作点设置在UBEQ=0.6V,UCEQ=4.53V,ICQ=1mA；共集部分与共基部分采用直接耦合的方式,输出电阻R7作为其偏置电阻,R10起到基极限流的作用,三极管Q3的静态工作点设置在UBEQ=0.6V,UCEQ=8.8V,ICQ=8.8mA,三极管均选用9018以拓宽频率响应。放大后的信号经C4耦合送入末级互补功率放大器进行输出,互补功率放大器采用二极管D1、D2、R12、R13作为偏置,使之工作在甲乙类状态,以消除交越失真；输出三极管选用C1815,A1050对管进行,该对管具有较高的β值〔β≥300,较高的fT〔fT≥200MHz适合作为互补输出。输出级使用75Ω电阻进行阻抗匹配,使输出信号不致在信号线上产生驻波而使传输损耗增大。该级的UCEQ均在2V以上,可以满足要求中对视频信号幅度的要求。音频信号经由传输线送入与600Ω输入电阻进行阻抗匹配,信号直接耦合至音频放大器的射极跟随级,该级由R21提供基极偏置,R22为输出电阻,三极管的静态工作点设置在UBEQ=0.6V,UCEQ=15.6V,ICQ=14.4mA,三极管选用9014。经射极跟随级缓冲的的信号通过C21耦合送入共射极放大器进行放大,该级由R23、R24提供偏置,R26、R27作为负反馈,R25为输出电阻,电容C23对R27进行交流旁路,以保证放大倍数；三极管的静态工作点设置在UBEQ=0.6V,UCEQ=9.13V,ICQ=7.03mA,三极管选用9014。放大后的信号经C22耦合送入末级甲乙类互补功率放大器进行输出,末级甲乙类互补功率放大器采用三极管Q12、RW2、R30、R28、R29作为偏置,使之工作在甲乙类状态,以消除交越失真；输出三极管选用ss8550,ss8050对管作为达林顿管的第一部分,该对管具有较高的β值〔β≥200,较高的IC〔IC≥1A适合作为达林顿输出的前级,达林顿的第二级由功率对管TIP41,TIP42组成,以此增强输出能力。输出级使用600Ω电阻进行阻抗匹配,使输出信号不致在信号线上产生驻波而使传输损耗增大。该级的UCEQ均在6V以上,也可以满足要求中对音频信号幅度的要求。电源部分使用双电源供电,供电经输入端输入,硅堆整流。当输入为交流时,从硅堆输出脉动的直流电；当输入为直流时将能起到自动防止反接〔即实现直流自动换向功能,从硅桥输出的直流电经过C00、C01、C02、C03滤波,考虑到实际用电时可能存在的问题,滤波电容容量为1000μF。直流电经滤波后送7815、7915稳压,得到整机所需的供电。在供电环路上,C16、C17、C18、C19、C20、C21作为级间退耦电容,减少了某一部分的信号通过电源系统对其他部分的电路造成窜扰。电源指示电路由RD1、RD2、D01、D02组成。有关参数的计算及元器件参数的选择视频部分输入阻抗的计算：视频频部分输出阻抗的计算：音频部分输入阻抗的计算：音频部分输出阻抗的计算：鉴于电路要求较高的稳定性,能够在一般条件下稳定工作,我们在每一级电压放大器上引入了较大的反馈。所以,在晶体管的选择上,我们选用了β值较高〔β≥300的9014三极管；对于视频放大器部分,由于要求有很宽的通频带,因此我们选用了fT≥1GHz的9018三极管作为视频部分用管。在音频部分的功率输出级,选用了β≥200、IC〔IC≥1A的ss8550,ss8050作为达林顿输出的第一级,大功率三极管TIP41C、TIP42C作为功率后级构成功率达林顿输出。电阻元件一律选用1%金属膜电阻,保证设计的精度。电路的安装与调试安装与调试过程将AltiumDesigner14设计的PCB图打印到PCB纸上,使用热转印法将PCB版图印到铜板上,在完成对铜板上的PCB图的修正与校验以后对铜板进行腐蚀、钻孔,将选配好的元器件焊接到电路板上,完成安装工作。调试中使用SS1798C直流稳定电源供电,SP3060型数字合成扫频仪、SPF31A型数字合成函数信号发生器与TEKTRONIXDPO2012BDIGITALPHOSPHOROSCILLOSCOPE配合进行调试。首次上电测试过程中虽然实现了主体功能,但是没有达到预期的效果。仿真结果和实物有一些出入。实际电路板部分参数没有达到设计要求,宽频放大器部分频率响应上有缺陷。在音频部分的调试过程中,我们发现功率级偏流很大,发热严重。针对这两个技术难题,我们查阅了有关技术资料,做出了改进。在电路上修改增强频率特性的负反馈量,通过修改RC补偿网络的参数,使电路的高频特性得到改善。通过修改RC的值,最终实现了电路带宽从4.098MHz增加到11.66MHz。偏流很大的问题,后经原因排除,确定问题在于我们直接接信号送入了动态偏置电路的基极,导致偏置失稳。后来将原本从偏置电路基极输入的信号改到射级输入,偏流从400mA降至20mA,排除了全部技术故障。性能指标频率响应：测试方法：高频段使用SP3060型数字合成扫频仪进行测试,低频段使用SPF31A型数字合成函数信号发生器与TEKTRONIXDPO2012BDIGITALPHOSPHOROSCILLOSCOPE配合进行测量。下限截止频率的测量结果如下：音频部分2.03Hz2.56Hz2.25Hz1.83Hz均值2.17Hz视频部分10.05Hz8.79Hz9.45Hz7.99Hz9.07Hz视频部分上限截止频率的测量结果如下：音频部分上限截止频率的测量结果如下：由以上测试结果我们可以的得到测量结果如下：音频部分：频率响应；视频部分：频率响应。输入输出阻抗：测试方法：使用SPF31A型数字合成函数信号发生器与TEKTRONIXDPO2012BDIGITALPHOSPHOROSCILLOSCOPE配合进行测量。音频部分：信号源设置为输出电压1VP-P,频率为1KHz。在信号源与被测板之间串入1个R=600Ω的电阻,用数字示波器测量输入电压和被测板输入端的电压。测试结果如下：Ui/mV9951004989均值996.00Ui`/mV497.9500493.8497.23视频部分：信号源设置为输出电压1VP-P,频率为1MHz。在信号源与被测板之间串入1个R=75Ω的电阻,用数字示波器测量输入电压和被测板输入端的电压。测试结果如下：Ui/mV9861014993均值997.66Ui`/mV495498495.5496.17以上测量结果表明,本次设计制造的电路板完全符合设计要求。结束语本次课程设计,我们按照设计要求,较为圆满的完成了任务。所设计的电路完全达到要求。经过了两周的设计和仿真,我们完成了1分6