电子技术课程设计报告

1电子技术课程设计报告——高保真音频功率放大器上海大学机自学院自动化系电气工程及其自动化姓名:XXX学号:XXXXXXXX指导老师:徐昱琳2015年6月21日1目录一、设计课题.............................................................................................1二、用途.....................................................................................................1三、主要技术指标和要求........................................................................13.1指标.......................................................................................................13.2要求.......................................................................................................1四、设计步骤.............................................................................................14.1电路形式...............................................................................................24.1.1总体设计思路框图.....................................................................24.1.2电路图..........................................................................................24.1.3电路分析及特点.........................................................................34.2设计计算...............................................................................................3五、电路仿真及调试................................................................................65.1静态调试...............................................................................................65.2动态调试...............................................................................................7六、小结...................................................................................................111一、设计课题高保真音频功率放大器，完成对功率放大器的设计、计算、仿真调试，并撰写报告。题目分析：音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。二、用途家庭、音乐中心装置中作主放大器。三、主要技术指标和要求3.1指标1.正弦波不失真输出功率Po＞5W(f=1kHz,RL=8Ω)；2.电源消耗功率PE＜10W(Po＞5W)；3.输入信号幅度VS=200～400mV（f=1kHz，RL=8Ω，Po＞5W)；4.输入电阻Ri＞10kΩ(f=1kHz)；5.频率响应BW=50Hz～15kHz。3.2要求1.用中小型集成电路设计所要求的电路；2.在EDA软件上完成硬件系统功能的仿真；3.写出设计、调试、总结报告。四、设计步骤24.1电路形式功率放大电路的电路放大形式有很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽电路和变压器耦合功放电路等等。我选用的是OTL电路。4.1.1总体设计思路框图图14.1.2电路图34.1.3电路分析及特点分析：由于OTL电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，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，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的OTL功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。输入级：为了增大开环增益，以便引入深度负反馈，改进电路的各项指标。推动级：主要作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用共射放大电路，具有一定电压增益。输出级：主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率，可采用甲乙类单电源互补对称功放电路。电路中的二极管D是为了消除交越失真而设，R11是稳定功放管静态电流用的。推动级的偏置由功放级引入电压并联负反馈形式进行，起稳定工作点的作用。整体交流电压负反馈改善放大器各项指标。特点：是较典型的OTL电路，局部反馈稳定了工作点，总体串联电压负反馈控制了放大倍数并提高输入电阻和展宽频带，退耦滤波电容及校正电容是为防止寄生振荡而设。4.2设计计算设计计算工作由输出级开始，逐渐反推到推动级、输入级。1.电源电压的确定当负载电阻一定时，电源电压的大小直接跟输出功率有关，∵Po＞5W，∴不妨设Po=6W，则𝑉𝑐𝑐≅10.8√8×6×8=24V2.输出级（功率级）的设计每个管的最大集电极电流：𝐼𝐶𝑀=𝑉𝐶𝐶2𝑅𝐿=1.54T3、T4间最大反向电压：𝑉𝐶𝑒𝑀=12𝑉𝐶𝐶=12𝑉每个管的最大集电极管耗：𝑃𝐶𝑀=0.2𝑃𝑂=1.2𝑊功率管所需推动电流：𝐼𝐵3𝑀=𝐼𝐶𝑀𝛽=30𝑚𝐴（选放大倍数为50的三极管）耦合电容：𝐶6=(3~5)12𝜋𝑓𝐿𝑅𝐿≅2000𝜇𝐹（取2200µF/25V）稳定电阻：过大则损失功率过大，过小温度稳定性不良，通常取0.5~1欧姆。3.推动级设计𝐼𝐶2𝐼𝐵3𝑀=30𝑚𝐴取𝐼𝐶2=44mA，𝑉𝐶𝐸2𝑀=𝑉𝐶𝐶=22𝑉𝑃𝐶2𝑀=𝑉𝐶𝐶2×𝐼𝐶2=0.48𝑊消除交越失真选二极管D1：𝑅9+𝑅10=𝑉𝐶𝐶2−𝑉𝐵𝐶3𝑀𝐼𝐶2=250𝛺一般𝑅10𝑅9≫𝑅𝐿，故取𝑅9=90𝛺，𝑅10=160𝛺𝐶5=(3~5)12𝜋𝑓𝐿𝑅9∥𝑅10=110𝜇𝐹，取110𝜇𝐹/15V𝐼𝐵2=𝐼𝐶2𝛽=44𝑚𝐴100=0.4𝑚A典型电路中R7＋W1,R8支路电流应不小于（3~5）I𝐵2,取I𝑅8=1.4mA，则𝑅8=0.7V1.4𝑚𝐴=510𝛺𝑅7+𝑅𝑊1=𝑉𝐶𝐶2𝐼𝑅8+𝐼𝐵2≈6.6𝑘𝛺选择𝑅7=2.4kΩ，𝑊1=4.7𝑘Ω进行调节以达到最佳工作点。5𝑅7+𝑅𝑊1上反馈电流的峰值:𝐼𝑅7𝑀=𝑉𝐶𝐶2𝑅7+𝑅𝑊1=1.8𝑚𝐴∵𝐼𝑅7𝑀≫𝐼𝑅8𝑀，∴𝐼𝑅8𝑀可以忽略不计𝐼𝑀=𝐼𝐵2𝑀+𝐼𝑅7𝑀+𝐼𝑅8𝑀≅𝐼𝐵2𝑀+𝐼𝑅7𝑀=2.2mA4.输入级设计由于推动级需要2.2mA的交流推动信号，故输入级静态电流需大于2.2mA,取𝐼𝐶1=0.4mA。推动级所需电压信号只0.2V，故输入级电压的配置可较随便，取𝑅3、𝑅4为2K，𝑅6为1K，各压降分别为8V，8V，4V，𝑉𝐶𝐸=22−20=2𝑉,𝑉𝐶𝐸′=22−2=20𝑉,取T1为2N2222。𝐼𝐵1=𝐼𝐶1𝛽=0.04mA取𝐼𝑅2=4𝐼𝐵1=0.16mA则𝑅2=4mA×2K+0.7V0.16mA≅54.4KΩ，取𝑅2=51KΩ𝑅1=20𝑉−8.7V0.16mA≅70.6KΩ，取𝑅1=68KΩ耦合电容选取𝐶2=10𝜇𝐹/10𝑉，𝐶3=𝐶4=100𝜇𝐹/15𝑉5.负反馈设计取𝑅5=10𝛺,不宜太大以免降低总开环倍数。由题意𝑃𝑂=6𝑊，即𝑉𝑖√𝑃𝑂×𝑅≅6.3𝑉𝐴𝑣𝑓=𝑉𝑂𝑉𝑖=6.3𝑉300𝑚𝑉=21且𝐴𝑣𝑓=1𝐹𝑣=𝑅12+𝑅5𝑅56∴𝑅12≈200𝛺取𝑅12=100𝛺(电阻)+470Ω(电位器)以便于调试6.电路指标验算1)输出功率𝑃𝑂𝑃𝑂=𝑉𝑂𝑀22𝑅𝐿5𝑊2)电源消耗功率𝑃𝐸𝑃𝐸=𝑉𝐶𝐶𝑉𝑂𝑀𝜋𝑅𝐿10𝑊五、电路仿真及调试5.1静态调试输出级中点电压𝑉0=𝑉𝐶𝐶2=12𝑉75.2动态调试A.输出功率𝑷𝑶在f=1kHz,𝑅𝐿=8𝛺,输出波形基本不失真时，测出输出电压值𝑉𝑜必须大于6.325V，计算出输出功率大于5W此时输出功率𝑃𝑂=𝑉𝑂2𝑅𝐿=6.530728=5.33𝑊5𝑊B.灵敏度测试在f=1kHz,𝑅𝐿=8𝛺,𝑃𝑂5𝑊时，测出𝑉𝑠的值，必须控制在200～400mV之间。方法：将信号略减小使输出保持为约6.325V,测出输入电压的值8当输出电压V𝑂≈6.325V时，电源的输入电压为223mv，在200~400mV之间，满足条件。C.电源消耗功率用电流表测量电源电流，计算电源消耗的功率。9电流I=411.8mA,电源功率𝑃𝑂=𝑈𝐼=24𝑉×411.8mA=9.88W10WD.输入电阻𝑹𝒊在放大器输入端串一只10K电阻R1,保持输出5W的功率，分别测出R1前端的电压值V1和后端电压值V2，计算出输入电阻。前端电压：大小为V1=364.1𝑚𝑉10后端电压：大小为V2=221.8𝑚𝑉，则输入电阻：𝑅𝑖=𝑉2𝑉1−𝑉2×𝑅1≈15.6𝑘ΩE.频率响应图形最大为29.89dB11上限频率为16.5Hz，下限频率为8.204Hz。低频响应取决于各级耦合电容和旁路电容，是可见的电容。高频响应主要取决于极间电容和接线电容，是不可见的电容。如果选用理想的三极管，其极间电容和接线电容为零。为了解决这个问题,可在T4这个三极管的参数中做适当修改。六、小结一开始我认为本次实验的难度并不大，因为可以照着老师给的范例来做，加上之前就已经接触并使用EWB。但是在实际的课程设计中，遇到了各种大大小小的问题。首先遇到的问题就是对模电方面知识的遗忘和对音频功率放大器原理的不熟悉，这实在让我没辙，于是我只有参考任务书上的电路模板进行设计计算而放弃了自己独立设计的想法。通过了解其工作原理以及参考了老师给的和自己查的一些资料确定下来了电路的基本框架。接下来就是一系列的计算。按任务书上的步骤计算确定每一个元器件的大小参数，以达到设计的要求。这个过程是整12个设计的重中之重，因此需要非常仔细，一不小心算错数据的话，之后的很多数据都会因此而不对。由于我用的是EWB软件，有些设计好的元器件在EWB中找不到，比如某些三极管，最后必须做出替代或者用接近的元器件代替。而在计算完成之后，接下来的仿真调试也就相对而言轻松了许多。即便如此，我在电路的仿真与调试过程中，也遇