收音机音频放大电路仿真设计毕业设计.docx

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收音机音频放大电路仿真设计毕业设计

收音机音频放大电路仿真设计-毕业设计

收音机音频放大电路仿真设计

1、设计指标要求

1.1、电压放大倍数：

Au=172

1.2、最大输出电压：

Uo=4V

1.3、频率响应：

30Hz—30kHz

1.4、输入电阻：

ri>15kΩ

1.5、失真度：

γ<10%

1.6、负载电阻：

RL=2kΩ

1.7、电源电压：

EC=24V

1.8、功率放大

1.9、β=100

2.设计目的

2.1.培养大学生的实际动手操作能力

2.2.训练毅力和耐心。

培养独立思考问题的能力。

2.3.较好的把握电路图和实物之间的联系，并且会对造电路图检测错误。

2.4.根据原理图测出静态工作点。

3、设计步骤和方法

3.1、选择电路方案

对讲机放大电路的框图如下图所示，根据设计指标选择多级放大电路，前置级为电压放大，输出级为功率放大，主要对前置级电压放大电路进行设计。

电路方案的确定包括以下几个方面内容：

（1）根据总的电压放大倍数，确定放大电路的级数。

（2）根据输入、输出阻抗及频率响应等方面的要求，确定电路晶体管的组态及静态偏置电路。

（3）根据三种耦合方式的不同特点，选用适当的耦合方式。

3.2、计算元器件参数

3.2.1确定电源电压EC：

为保证输出电压幅度能达到指标要求，电源电压EC应满足如下要求：

图1电源电压波形

EC>2Vom+VE+VCES

式中：

Vom为最大输出幅度

VE为晶体管发射级电压，取VE=1~3V。

VCES为晶体管饱和压降，取VCES=1V。

指标要求的最大输出电压Vo=1V，给定电源电压EC=24V，可以满足要求。

3.2.2确定T2的集电极电阻和静态工作电流

因为这级的输出电压比较大，为使负载得到最大幅度的电压，静态工作点应设在交流负载线的中点。

如图1所示。

由图可知，Q点在交流负载线的中点，因此的T2静态工作点满足下列条件。

（1-1）

因在晶体管的饱和区和截止区，信号失真很大，为了使电路不产生饱和失真和截止失真，VCEQ2应满足：

图2静态分析图图3静态工作点分析图

VCEQ2>Vom+VCES（1-2）

由（1-1）式消去ICQ2并将（1-2）式代入可得：

取VE=3V；VCES=1V

由（1-1）式消去VCEQ2可得：

则：

取R8=2k

3.2.3确定T2发射级电阻

取R9=430

3.2.4确定晶体管T2

选取晶体管时主要依据晶体管的三个极限参数：

BVCEO>晶体管c-e间最大电压VCEmax（管子截止时c-e间电压）

ICM>晶体管工作时的最大电流ICmax（管子饱和时c-e回路电流）

PCM>晶体管工作时的最大功耗PCmax

由图1可知：

IC2最大值为IC2max=2ICQ2

VCE的最大值VCE2max=EC

根据甲类电路的特点，T2的最大功耗为：

PCmax=VCEQ2·ICQ2

因此T2的参数应满足：

BVCEO>EC=15VICM>2ICQ2=5.747mAPCM>VCEQ2·ICQ2=172.14mW

选用S9011，其参数为：

BVCEO>30V；ICM>30mA；PCM>400mW；满足要求。

3.2.5确定T2的基极电阻

在工作点稳定的电路中，基极电压VB越稳定，则电路的稳定性越好。

因此，在设计电路时应尽量使流过R6和R7的IR大些，以满足IR>>IB的条件，保证VB不受IB变化的影响。

但是IR并不是越大越好，因为IR大，则R6和R7的值必然要小，这时将产生两个问题：

第一增加电源的消耗；第二使第二级的输入电阻降低，而第二级的输入电阻是第一级的负载，所以IR太大时，将使第一级的放大倍数降低。

为了使VB稳定同时第二级的输入电阻又不致太小，一般计算时，按下式选取IR的值：

IR=（5~10）IBQ硅管

IR=（10~15）IBQ锗管

在上式中IR的选取原则对硅管和锗管是不同的，这是因为锗管的ICBO随温度变化大，将会影响基极电位的稳定，因此IR取值一般比较大。

对硅管来说ICBO很小，因此IR的值可取得小些。

本电路T2选用的是硅管，取IR=5IBQ

图4基极电阻R6.R7分析图

则：

由图4知：

取：

R7=10.5kΩ；R6=58kΩ。

3.2.6确定T1的静态工作点

因为第一级是放大器的输入级，其输入信号比较小，放大后的输出电压也不大。

所以对于第一级，失真度和输出幅度的要求比较容易实现。

主要应考虑如何减小噪声，因输入级的噪声将随信号一起被逐级放大，对整机的噪声指标影响极大。

晶体管的噪声大小与工作点的选取有很大的关系，减小静态电流对降低噪声是有利的，但对提高放大倍数不利。

所以静态电流不能太小。

在工程计算中，一般对小信号电路的输入级都不详细计算，而是凭经验直接选取：

ICQ1=0.1~1mA锗管

ICQ1=0.1~2mA硅管

VCEQ=（2~3）V

如果输入信号较大或输出幅度较大时不能用此方法，而应该具体计算。

计算方法与计算第二级的方法相同。

3.2.7确定T1管的集电极电阻，发射级电阻

图5电阻R3.R4.R5分析图

由图5知：

取：

VE1=3V；VCEQ1=3V；ICQ1=1mA

则：

取：

R3=18kΩ电

取：

R4=300Ω；R5=2.7kΩ

3.2.8选择T1管

图6T1管电阻选取分析图

选取原则与T2相同：

BVCE0＞Ec=15V；ICM＞2mA；PCM＞1.5mW，根据现有条件选用S9011。

3.2.9T1管基极电阻的选取

取：

IR=10IBQ，VE1=3V

由图6知：

取：

R1=205kΩ；R2=37kΩ

3.2.10耦合电容和旁路电容的选取

各级耦合电容及旁路电容应根据放大器的下限频率f1决定。

这些电容的容量越大，则放大器的低频响应越好。

但容量越大电容漏电越大，这将造成电路工作不稳定。

因此要适当的选择电容的容量，以保证收到满意的效果。

在设计时一般按下式计算：

其中：

RS是信号源内阻，ri1是第一级输入电阻。

其中：

r01是第一级输出电阻，ri2是第二级输入电阻。

其中：

ro2是第二级输出电阻。

其中：

Rb=R6//R7//R3

由于这些公式计算繁琐，所以在工程计算中，常凭经验选取：

耦合电容：

2~10μF

发射极旁路电容：

150~200μF

现在用第二种方法确定C1、C2、C3、Ce1和Ce2

取：

C1=C2=C3=10μF

Ce1=Ce2=100μF

电容器的耐压值只要大于可能出现在电容两端的最大电压即可。

3.2.11反馈网络的计算

根据深反馈的计算方法，由图7知：

图7深反馈网络图

∵

∴Rf=216R4-R4=64.5kΩ

取：

Rf=64.5kΩ，Cf=10μF

3.2.12.作出电路的仿真图形

图8multisim电路仿真图

输出电压4V则经放大Av=172倍的输入电压为23mV

利用示波器作出电路的仿真波形图

图9multisim示波器输入输出波形图

图10幅频响应波形图

幅频特性：

随着频率的增加，电压幅值也随之增加。

当频率达到100Hz时，幅值趋于稳定。

相频特性：

随着频率的增加，相位角随之减小。

当频率达到1KHz时，相位角趋于稳定。

4.设计参数的理论验证

4.1确定静态工作点

根据静态分析图静态工作点分析图如下

图11T1管静态图图12T2管静态图

求得T1,T2管的静态工作点

IB1=0.011mA　IC1=1.1mAVCE1=2V

　IB2=0.0305mAIC2=3.05mAVCE2=7.985V

4.2.输入电阻、输出电阻及电压放大倍数的计算

根据小信号模型法，其小信号模型图如下

图13电路小信号模型图

计算输入电阻、输出电阻及电压放大倍数

ri1=4.44KΩro1=9.1KΩ　Av1=-16.3

　ri2=975Ω　ro2=787Ω　Av2=-74.27

　Av=Av1×Av2=1219.6

设计任务与要求

设计任务

设计一个晶体管功率放大器电路，输入信号600mV，输出功率达到5W以上

设计要求

1输出功率在1W到5W之间可调

2放大器工作频率范围100kHz-1MHz

3带内增益平坦度小于1dB

4效率大于40%（越高越好）

5其它可任意发挥

方案分析

在多级放大电路中，输出的信号往往是送去驱动一定的装置。

考虑到功率放大电路不同于电压放大，电流放大电路，因此功率放大电路包含着一系列在电压器放大电路中没有出现过的特殊问题，这些问题是：

（1）要求输出功率尽可能大

为了获得大的功率输出，因此功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。

（2）效率更高

由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。

这个比值越大，意味着效率越高。

（3）非线性失真要小

功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。

但是，在不同的场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要启用就将为次要问题了。

（4）功率器件的散热问题

在功率放大电路中，有相当的功率消耗在管子的集电极上，是结温和管壳温度升高。

为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为了一个重要问题。

此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号频率，器件承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。

电路分析论证

功率放大级：

此电路中是甲乙类双电源利用二极管进行偏置的互补对称电路。

其中

是用来调节输出功率的。

根据上述分析设计出来下面的电路图：

电路设计计算

（1）确定电源电压VCC根据OCL电路最大输出功率计算公式可知

Pom=Vom2/2RL

可求得

Uom=（2PomRL）1/2

Uom=Vcc-Uce（sat）-IeRe

式中，Uce（sat）为功放管饱和压降；IeRe为功放管发射极电阻上压降。

为方便计算，电源电压用下式估算

Vcc=（1.2~1.5）（2PomRL）1/2=9.6~12v

取±12V

（2）功放管选择

Pcm=0.2Pom，Ucem=2/3.14Vcc，Icm=Vcc/RL

U（BR）ceo>2Vcc

Icm>Vcc/RL

Pcm=0.2Pom

Pom=V2/2RL=9W

Pcm>1.8W

（3）复合管的小功率管选择

Pcm=（1.1~1.5）9W/20=0.495~0.675

（4）负载电阻的选取

R13=5Ω

R14（max）=10Ω

电路设计

4.1电路图

功放电路调试概念

功放电路调试亦分为静态调试和动态调试。

调试过程中应遵循先静态后动态的原则。

其中动态调试中包括性能参数测试。

因功放电路为大信号电路，且与前置放大极，功率激励级相连，在实验组装中极易造成干扰，形成自激振荡。

静态调试

共射级放大电路Q1的静态工作点为：

动态调试

运行结果

最小输出功率为：

R13输出功率

此时的效率为：

η=54%>40%，符合题意。

输出最大功率为：

R13输出功率

此时的效率为：

η=71.5%>40%，符合题意。