音频功率放大器设计方案与制作

个人资料整理仅限学习使用毕业设计论文课题名称：音频小信号功率放大电路设计与制作学生姓名欧大连学号0501100219学院系）机械与电子工程学院专业应用电子技术班级10应电2）班指导教师陈明芳起讫时间：2018年11月14日～2018年01月06日个人资料整理仅限学习使用音频小信号功率放大电路设计与制作摘要音频功率放大器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。本设计主要描述了音频功率放大器的设计思路，硬件电路的调试过程及测试结果。本设计采用OTL功率放大电路用于音频信号的放大，是本电路设计的重要组成部分。OTL功放电路由于它不需要变压器就减少了体积和信号的失真。本设计主要由前级电路和功率放大电路两部分组成，前级电路用于音频信号的一级放大，功率放大电路用于音频信号的二级放大，保证信号有足够的功率可以从扬声器输出。关键词：OTL功率放大电路；前级电路；音频功率放大器；音频信号个人资料整理仅限学习使用目录摘要I第1章绪论11.1引言11.2音频功率放大器的发展21.3本课题设计意义3第2章系统总体设计方案42.1设计要求42.1.1设计依据42.1.2基本要求42.2设计思路42.3整体框图52.4方案比较与论证52.4.1方案一52.4.2方案二72.4.3方案三11第3章单元电路设计133.1前级放大电路的设计133.1.1负反馈的概念133.1.2负反馈对放大电路的影响143.1.3前级放大电路对负反馈的应用153.2功率放大电路的设计163.2.1OTL电路的概念163.2.2OTL功率放大电路的工作原理173.2.3OTL电路的主要性能指标183.2.4复合管的概念193.2.5复合管在本设计中的应用203.3总电路的设计21第4章硬件电路的制作与调试244.1硬件设计244.2系统调试主要测量仪器244.3系统调试254.4误差分析25第5章结论27参考文献28致谢29附件1元器件清单30附件2硬件电路板错误!未定义书签。个人资料整理仅限学习使用第1章绪论1.1引言随着社会和技术的不断发展，音频功率放大器已经达到一个成熟的阶段。音频功率放大器简称音频功放，它主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等，给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。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β倍，β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β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β倍的大信号，这现象称为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。常见的功率放大器工作方式有以下几种：A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波：所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V~0.6V之间时，Q1Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真有效率较高，晶体管功耗较小的特点。D类(数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM脉冲宽度调制或PDM(脉冲密度调制的脉冲信号,然后用PWM个人资料整理仅限学习使用或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。音频功率放大器的出现让我们的生活充满了活力与色彩，它是音响技术领域无法或缺的一部分。有了它，把我们带进了电子产品的有声世界。1.2音频功率放大器的发展回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情。音频功率放大器的应用主要是音响技术领域。音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低。至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员—集成电路。到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD0.01%100kHz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。80年代,数字功放成为了新一代的宠儿。个人资料整理仅限学习使用1.3本课题设计意义随着电子技术的迅速发展，音频小信号功率放大器的用途也越来越广泛。许多电子产品都要用到音频功率放大器，诸如音响、电视机、收音机等，均要求放大电路的末级有足够的功率去推动扬声器喇叭）音圈振动发出声音。这种用于向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。音频功率放大器的作用是将微弱的声音电信号放大为功率或幅度足够大、且与原来信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。音频功率放大器应用最广的是音响技术领域，用于扬声器的发声，是音响设计与制作中必不可少的一部分。本设计音频功率放大器是如今使用非常广泛的一类器件，为电子产品的发声提供了许多的解决方案。本文设计的是一种音频小信号功率放大器，设计中采用了OTL功放作为本课题的主要组成部分，通过前级放大电路与音频功率放大电路的结合，利用两次放大，从而实现音频信号的输出。本设计制作的基本技术指标要求：1）当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8Ω电阻负载一端接地）上，输出功率≥8w，输出波形无明显失真。2）通频带为20Hz~150kHz。3）输入电阻为600Ω。4）尽可能提高功率放大器的整机效率。本设计音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。前级放大主要完成对小信号的放大，使用一个由电阻和电容组成的电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级主要是对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。本设计用到了两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。还用到了OTL功率放大器，这些是本设计的核心部分。新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频功率放大器同样也不会例外。在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现。个人资料整理仅限学习使用第2章系统总体设计方案2.1设计要求2.1.1设计依据1）与电子电路设计有关的国家和行业法规、技术标准与规范等；2）本音频功率放大器设计任务书要求的技术范围。2.1.2基本要求1）当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8Ω电阻负载一端接地）上，输出功率≥8w，输出波形无明显失真。2）通频带为20Hz~150kHz。3）输入电阻为600Ω。4）尽可能提高功率放大器的整机效率。2.2设计思路本课题要求设计并制作一个音频功率放大器，要求当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8Ω电阻负载上，输出功率要大于等于8w，输出波形无明显的失真；通频带在20Hz到150kHz之间；输入电阻要求为600Ω；尽可能的提高功率放大器的整机工作效率。根据这些要求，本设计最好采用二级放大来实现音频信号的输出。前级放大主要作用于电压信号的放大，二级放大主要作用于功率的放大。这样的设计能保证音频信号有足够的功率能从扬声器输出。本课题要求设计一种音频功率放大器，在8Ω电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波。设计中采用分立元件组成音频功率放大器，采用三极管构成一级放大电路，利用NPN和PNP管构成二级放大电路，采用滑动变阻器改变输入电压。个人资料整理仅限学习使用2.3整体框图本设计主要通过输入信号源，在一级电路将音频信号的电压放大后，传给二级电路进行音频信号功率的放大，最后通过扬声器输出。本设计要求在8Ω电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波，当输入正弦信号电压有效值为5mv时，输出功率≥8w，尽可能提高功率放大器的整机效率。电路通过改变滑动变阻器的阻值来调节电压，使输出功率随着电压的变化而变化，从而达到本设计的设计指标。系统整体设计框图如图1-1所示。图2-1系统整体设计框图示意图2.4前级放大设计方案比较与论证2.4.1方案一用LM386组成的OTL功放电路如图1-2所示，信号从③脚同相输入端输入，从⑤脚经耦合电容220μF）输出。图1-3为LM386芯片的管脚图，⑦脚可以接电容，作用是作为去耦滤波电容。①脚与⑧脚之间可以接电阻、电容用于调节电路的闭环电压增益。①脚与⑧脚之间接滑动变阻器的话，可以通过改变电阻值，使集成功放的电压放大前级放大电路输入音频信号功率放大电路输出级负反馈电路电源电路个人资料整理仅限学习使用倍数发生变化。R值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取变阻器阻值=0。图1-2输出端⑤脚所接10Ω电阻和47nF电容组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。图2-2LM386构成的音频功率放大器图2-3LM386管脚图方案一电路的优点：LM386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，应用广泛，大大减少了分立元件的使用，供电电压要求比较低，4~12V都可以驱动。方案一电路的缺点：使用LM386集成块之后，设计要求无法达到，不能通过二级放大来实现音频信号的输出，可调范围减小，整机效率都可能小降。个人资料整理仅限学习使用2.4.2方案二采NE5532运算放大器作为前级放大NE5532中文资料(引脚图,特点及电气参数介绍NE5532功能特点简介:NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。NE5532特点：•小信号带宽：10MHZ•输出驱动能力：600Ω，10V有效值•输入噪声电压：5nV/√Hz(典型值•直流电压增益：50000•交流电压增益：2200-10KHZ•功率带宽：140KHZ•转换速率：9V/μs•大的电源电压范围：±3V-±20V•单位增益补偿NE5532引脚图：个人资料整理仅限学习使用图1NE55328脚引脚