音频功率放大器的设计毕业论文Word下载.docx

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2.2.3二级放大电路电路设计12

2.5直流稳压电源设计13

2.6OP07的功效介绍14

第三章电路的仿真16

3.1前置电路的仿真16

3.1.1输入与输出剖析16

3.1.2电路频率响应特征剖析17

3.3功率放大电路功率仿真20

3.4直流稳压电源仿真22

3.5.1电路输入与输出剖析23

第四章焊接调试组装26

总结27

申谢28

参考文献29

第一章音频放大器的概述

音响技巧的成长汗青可以分为电子管.晶体管.集成电路.场效应管四个阶段.

1906年美国的德福雷斯特创造了真空三极管,首创了人类电声技巧的先河.1927年贝尔实验室创造了负反馈NFB（Negativefeedback）技巧后,使音响技巧的成长进入了一个极新的时期,比较有代表性的如“威廉逊”放大器,而1947年威廉逊师长教师在一篇设计Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介绍了一种成功应用负反馈技巧,成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑.

60年月因为晶体管的消失,使功率放大器步入了一个更为辽阔的寰宇.晶体管放大器细腻动听的音色.较低的掉真.较宽的频响及动态规模等特色,各类电路也响应产生,如：

“OTL（OutputTransformerLess）”无输出放大器.“OCL（OutputCapacitorLess）”放大器等.

跟着晶体管束造技巧的不竭进步和新技巧的应用,各项实用性指标和靠得住性指标都有很大改良,其实不竭在向更大的输出功率,更小的体积,更轻的重量,更多的功效和智能化偏向成长,如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放,其最大输出功率可达4000W/8Ω,完美的靠得住性设计使它在刻薄的情况中可持续工作,使得临盆者可作3年免保护的包管;

拔出可编程的输入处理模块USP3;

可对1~2000台功放的工作状况进行程控调节和各类参数检测.各类完美的靠得住性呵护措施,使它的靠得住性大大进步.

1983年,M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的根本构造.美国Tripass公司设计了改良的D类数字功放,取名为“T”类功.1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的贸易产品,从此,第4代音频功率放大器,数字功放进入了工程应用,并获得了世界同业的承认,市场日益扩展,最终将替代各类模仿功放.

按照电流导通角的大小可分为A类（甲类）.AB类（甲乙类）.B类（乙类）.C类（丙类）和D类（丁类）功率放大器.

1.2.1A类（甲类）功率放大器

A类（甲类）功率放大器电流导通角θ=180°

幻想效力为50%,一般实用于小旌旗灯号电压放大器.

A类功率放大器的重要特色是：

放大器的工作点Q设定在负载线的中点邻近,晶体管在输入旌旗灯号的全部周期内均导通.因为放大器工作在特征曲线的线性规模内,所以瞬态掉真和瓜代掉真较小.电路简略,调试便利.有较大的非线性掉真,因为效力比较低如今设计根本上不在再应用.

1.2.2B类（乙类）功率放大器

B类（乙类）功率放大器电流导通角θ=90°

幻想效力为78.5%.

B类功率放大器的重要特色是：

放大器的静态点在（VCC,0）处,当没有旌旗灯号输入时,输出端几乎不必耗功率.在Vi的正半周期内,一管导通另一管截止,输出端为正半周正弦波;

同理,当Vi为负半周期内,输出端为负半波正弦波,所以必须用两管推挽工作.其特色是效力较高（78.5～0.6V之间时,两管都无法导通而引起的.

1.2.3AB类（甲乙类）功率放大器

AB类（甲乙类）功率放大器电流导通角90°

<

θ<

180°

幻想效力为50%<

η<

78.5%.AB类（甲乙类）放大器,现实上是A类（甲类）和B类（乙类）的联合,每个器件的导通时光在50—100％之间,依附于偏置电流的大小和输出电平.该类放大器的偏置按B类（乙类）设计,然后增长偏置电流,使放大器进入AB类（甲乙类）.AB类功率放大器的利益是：

可以防止交越掉真.有用力较高,晶体管功耗较小的特色.

1.2.4C类（丙类）功率放大器

C类（丙类）功率放大器电流导通角θ<

90°

幻想效力η>

78.5%.

C类功率放大器的重要特色是：

处在C类状况时,放大器的电流波形有较大的掉真,是以只能用调谐回路作为负载,以滤除谐波分量,选出旌旗灯号基波,从而清除掉真.

1.2.5D类（丁类）功率放大器

D类（丁类）功率放大器功率管处于开关状况,幻想效力为90%～100%.

D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模仿音频旌旗灯号变换成脉冲旌旗灯号,然后用脉冲旌旗灯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.具有用力高的凸起长处.放大器由输入旌旗灯号处理电路.开关旌旗灯号形成电路.大功率开关电路和低通滤波器等四部分构成.它有以下利益：

1．具有很高的效力,平日可以或许达到85%以上.

2．体积小,可以比模仿的放大电路节俭很大的空间.

3．低掉真,频率响应曲线好.外围元器件少,便于设计调试.

放大器的技巧指标

评价一个功放体系或装备是否相符高保真请求,一般应采取主不雅听音评价和客不雅指标测试相联合的方法来进行,并以客不雅测试指标为重要根据.因为采取仪器测试装备的机能指标．能得到很直不雅的可供参考比较的定量成果,无疑是最科学而值得信任的.音频功放的技巧指标,重要包含输出功率.频率特征.信噪比.瞬态响应以及非线性掉真等.个中,输出功率.频率特征等,平日称为静态特征指标,它们是用稳态旌旗灯号测量的.而瞬态特征和非线性掉真等,则称为动态特征指标,它们是用非稳态旌旗灯号测量肯定的.

1.额定功率

音响放大器输出掉真度小于某一数值（r<

1%）的最大功率称为额定功率,表达式;

Po=Uo2/RL（1-1）

Uo为负载两头的最大不掉真电压,RL为额定负载阻抗.

测量前提如下：

旌旗灯号产生器输出频率为1kHz,电压Ui=20mV正弦旌旗灯号.功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（代替扬声器）,输入端接Ui,逐渐增大输入电压Ui;

直到Uo的波形刚好不消失谐波掉真（r<

1%）,此时对应的输出电压为最大输出电压.测量后应敏捷减小Ui,以免破坏功率放大器.

2.频率响应

音频功放的频率特征,是反应它对不合旌旗灯号频率放大才能的物理量.平日采取输出电平随频率变更的关系曲线来描写.指的是振幅频率特征,习惯上称为幅频特征或频率响应（简称为频响）.

在解释音频功放的频率特征时,有两点必须明白给出.即：

一是有用频率规模.频率规模,20Hz～20kHz周全反应出该功放的频率特征指标.对于音频功放的频率特征指标而言,其有用频率规模越宽,且在该频率规模内相对参考电平的不平均度越小.则解释该音频功放的频率特征指标就越好.

放大器的电压增益相对于中音频fo（1kHz）的电压增益降低3dB时所对应的低音频率fL和高音频率fH称为放大器的频率响应.

3.谐波掉真

谐波掉真是指旌旗灯号经由过程音频装备后,新增长的谐波成分.它是原旌旗灯号波形中没有的波形变更,是不愿望产生的.其值以新增长的谐波成分的均方根值与原旌旗灯号电压的均方根值的百分比来暗示.

即：

（1-2）

式中Ul—正弦波基波电压有用值;

U2,Us.⋯Un—2次.3次.n次谐波电压有用值.％以下,今朝很多优良的放大器掉真度均可达到＜0.01％.降低放大器谐波掉真度的措施有：

①施加适量的电压或电流负反馈.

②选用fT较高.线性好的放大器件.

③尽可能进步各级对管参数的一致性或对称性.

④采取甲类放大,选用优良的电路,如双差分放大.全互补输出或全对称等.

4.旌旗灯号噪声比

旌旗灯号噪声比（S/N）指旌旗灯号经由过程音频装备后增长的各类噪声（如低频呼声.感应交换声.嘀嘀声等）与指定旌旗灯号电平的dB差值,或旌旗灯号幅度与噪声幅度之比,其值经常应用分贝暗示,有时也以重放装备输出的绝对噪声电压或电平值来暗示,这时标为噪声电平.现代高保真后级功放的S/N一般能达到90dB以上,问题不会很凸起.我们知道,多级放大器的S/N重要取决于第一级,故在体系中,我们要侧重进步前级或前置放大器的S/N.因为影响S/N的身分很多,进步S/N便显得很辣手,有时费了九牛二虎之力,能使之进步两三个dB已届战果光辉.而人耳对噪声又很迟钝,所以进步S/N往往成为设计及制造的主攻目的.固然身分很多,但也不是无章可循,除了器件本身的噪声以外.放大器噪声的起源归纳分解起来重要有三个门路：

电源干扰.空间干扰和地线干扰.只要从以下几个方面人手,S/N一般即可达到令人知足的程度.

①恰当降低旌旗灯号源的输出内阻.合理设定前级或前置放大器的增益,防止使之过大,能知足体系增益请求略有充裕即可,这在业余制造时往往被疏忽.

②应用高机能的稳压电源供电.

③各放大级尽可能单独或并联供电（即各级电源端经一只隔离电阻直接与电源衔接,并加接退耦电容）.

④严厉区分模仿地线与数字地线,各级地线分离定线,一点接地.机壳的接地点应经由过程实验肯定.

⑤合理布线.使输入旌旗灯号引线尽可能短.超出4cm长的均应应用屏障线,屏障层单端接地,各电位器.开关外壳也应可接地．小旌旗灯号放大电路板应远离电源变压器.

第二章音频功率放大器的设计

设计计划剖析

本次设计的音频功率放大器分为音频放大和直流电源两大部分.可由以下所示框图实现.

图2-1音频功率放大框图

音频放大电路的功效是将其他电子装备的音源旌旗灯号进行放大,然后再经由功率放大,最后去推进扬声器输出,简略说就是一个扩音器.

图2-2直流电源框图

直流电源部分则负责将220V交换电转换为低压直流电供放大电路应用,为了减小电源摇动引起的噪声对放大电路的影响,电源部分将采取线性直流稳压电源.

声音源的种类有很多种,如传声器（话筒）.电唱机.及线路传输等,这些声音源的输出旌旗灯号的电压不同很大,从零点几毫伏到几百毫伏.

一般功率放大器的输入敏锐度是必定的,这些不合的声音源旌旗灯号直接输入到功率放大器中的话,如输入过低的旌旗灯号,功率放大器输出功率缺少,不克不及充分施展功放的感化;

如输入旌旗灯号的幅值过大,功率放大器的输出旌旗灯号将轻微过载掉真,这将掉去音频放大的意义.所以一个实用的音频功率放大体系必须设置前置放大器,以便使放大器顺应不合的的输入旌旗灯号,使其与功率放大器的输入敏锐度相匹配.

前置放大电路的感化简略说来就是“缓冲”,将外部输入的音频旌旗灯号进行放大并输出.本次设计的前置放大电路是一个高输入阻抗.高共模低克制比.低漂移的小旌旗灯号放大电路,设计中将采取OP07来设计前置放大电路.

对于前置放大电路来说,输入阻抗越大越好,输出阻抗越小越好,所以本设计采取反比拟例放大器,如图2-3.

图2-3反比拟例放大器

输出电压Uo=-IfRf（2-1）

而If=I1=

=

（2-2）

最后得出Auf=

（2-3）

输入电阻为rif=R1（2-4）

输出电阻为ro=0（2-5）

均衡电阻为R2=R1∥Rf（2-6）

若设计一个放大倍数为10倍的前置放大电路,输入电阻R1将采取10k的电阻,愿望达到的放大倍数为10倍.则根据公式,负反馈Rf将采取100k的电阻.因为R2=R1∥Rf,且R1<

Rf,所以R2也采取10k的电阻.OP07用±

15稳压电源供电.

若在输入端参加一电容,则电容C是耦合电容,其容量取值可以按如下规矩来斟酌：

因为运放的反相端相当于“虚地”,故电容C和电阻R构成一阶高通滤波器,人耳能听到的声音旌旗灯号最低为20HZ,故该高通滤波器的截止频率应当低于20HZ,才干包管音频旌旗灯号的完全传输,即：

（2-7）

μμF.

画出前置放大电路道理图如图2-4.

图2-4前置放大器电路

二级放大电路的设计将由一个低通滤波器和一个高通滤波器构成,形成一个带通滤波器.

2.2.1低通滤波器设计

低通滤波器允许低频旌旗灯号经由过程,但削弱（或削减）频率高于截止频率的旌旗灯号的经由过程.对于不合滤波器而言,每个频率的旌旗灯号的削弱程度不合.当应用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器,或高音清除滤波器.

典范的一阶有源低通滤波器如图2-5：

图3-5（a）反相输入低通滤波器（b）同相输入低通滤波器

设计中采取集成运放低通滤波器的同相输入接法.

则

输出电压Uo=

（2-8）

而U+=

（2-9）

所以传递函数A=

（2-10）

个中输出电压Uo与其输入电压U+的比值为Aup;

ω0为电压放大倍数降低到

时对应的角频率.

所以其特征为Aup=

（2-11）

（2-12）

若设计一个放大倍数为3倍的低通滤波器,则设计中负反馈选择200Ω电阻,为了达到3倍的放大倍数,电阻R1和R选择100Ω电阻.

因为人可以听到的声音规模为20Hz～20kHz,则

（2-13）

rad/s（2-14）

因为R选择100Ω电阻,则C>

0.08uF.设计中电容采取0.082uF的电容.

设计出电路图如图2-6.

图2-6低通滤波器

则图2-6中电压放大倍数为

（2-15）

rad/s（2-16）

2.2.2高通滤波器设计

高通滤波器是允许高频旌旗灯号经由过程.但削弱（或削减）频率低于截止频率旌旗灯号经由过程的滤波器.对于不合滤波器而言,每个频率的旌旗灯号的削弱程度不合.它有时被称为低频剪切滤波器;

在音频应用中也应用低音清除滤波器或者噪声滤波器.高通滤波器与低通滤波器特征恰好相反.

典范的一阶有源高通滤波器如图2-7：

图2-7（a）反相输入高通滤波器（b）同相输入高通滤波器

设计中采取集成运放高通滤波器的同相输入接法

个中

传递函数

（2-17）

在幻想特征下通带电压放大倍数

（2-18）

通带截止角频率

（2-19）

若设计一个放大倍数为3倍的高通滤波器,则设计中负反馈选择20kΩ电阻,为了达到3倍的放大倍数,电阻R1和R选择10kΩ电阻.

（2-20）

rad/s（2-21）

因为R选择10kΩ电阻,则C<

0.8uF.设计中电容采取0.75uF的电容.

设计出电路图如图2-8.

图2-8高通滤波器

则图中电压放大倍数为

（2-22）

≈133rad/s（2-23）

2.2.3二级放大电路电路设计

将低通滤波器和高通滤波器相衔接,则形成如下二级电路：

图2-9二级放大电路电路图

则图3-9中现实通带电压放大倍数为

Aup=Aup低通Aup高通=9（2-24）

由

（2-25）

可知该二级电路的通带频率约为21.2Hz～19.4KHz.

功率放大器的感化是给音响放大器的负载供给所须要的输出功率.

功率放大器的重要机能指标有最大输出不掉真功率.掉真度.信噪比.频率响应和效力.今朝罕有的电路构造有OTL型.OCL型.有全体采取分立元件晶体管构成的功率放大器;

也有采取集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器;

跟着集成电路的成长,全集成功率放大器应用越来越多.因为集成功率放大器应用和调试便利.体积小.重量轻.成本低.温度稳固性好,功耗低,电源应用率高,掉真小,具有过流呵护.过热呵护.过压呵护及自启动.消噪等功效,所以应用异常广泛.

本次设计将采取正向比例运算放大器衔接OCL互补对称电路,使输入旌旗灯号功率放大.正向比例运算放大器负反馈应用可调电阻,使放大功率可调.喇叭应用8Ω的喇叭,互补对称电路用±

15直流电源供电.

可估算OCL电路输出功率为：

w（2-26）

图2-10集成运放OCL电路

个中D1.D2用于清除交越掉真.反比拟例运算放大器放大倍数为1～5倍.

2.5直流稳压电源设计

因为本次设计全体采取±

15V直流电源,则必须设计一个直流稳压电源,将220V的交换电源经由降压和稳压之后成为稳固的±

15V直流电源.

直流稳压电源设计思绪如以下框图：

图2-11直流电源框图

因为本设计须要对称的双电源,是以必须选择次级有三端抽头的变压器,经全桥电路整流和电容滤波后,输出对称的正负电源.

要构成线性直流稳压电源,最简略的办法就是采取三端集成稳压器.这种集成电路块内部完全地集成了采样电路.比较放大.调剂电路.呵护电路和启动电路等功效,但是外部引脚只有三个端口,分离接输入电源.地,另一个端口输出,其应用十分简略,只要将三个端口按划定接入电路就可以应用.因为须要±

15V直流电源,则集成三端稳压电源模采取7815和7915为负三端稳压,7815为正三端稳压.直流稳压电源的设计图如下：

图2-12直流稳压电源

图中可看出220V的交换电源经变压器（TR1）降压后,经由由D1.D2.D3和D4构成的全桥整流电路输出直流,再由稳压电路输出稳固的直流,供给应放大电路应用.图中C1.C2.C3和C4都为滤波电容.

2.6OP07的功效介绍

OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路.因为OP07具有异常低的输入掉调电压（对于OP07A最大为25μV）,所以OP07在很多应用处合不须要额外的调零措施.OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±

2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特色,这种低掉调.高开环增益的特征使得OP07特殊实用于高增益的测量装备和放大传感器的微弱旌旗灯号等方面.

OP07的特色：

超低偏移：

150μV最大.

低输入偏置电流：

1.8nA.

μV/℃22V.

超稳固,时光：

2μV/month最大

高电源电压规模：

±

3V至±

图2-1OP07外型图片

OP07芯片引脚功效解释：

1和8为偏置均衡（调零端）,2为反向输入端,3为正向输入端,4接地,5空脚6为输出,7接正电源

图2-2OP07的管脚图

OP07的内部道理图：

图2-3OP07的内部道理图

第三章电路的仿真

3.1前置电路的仿真

在前置放大电路的输入端输入10mV的正弦旌旗灯号,在输出段拔出电压探头,分离对电路进行输入.输出剖析和频率响应剖析.

图3-1前置放大电路

3.1.1输入与输出剖析

图3-2前置放大电路输入和输出剖析图

图中知输出旌旗灯号与输入旌旗灯号反相,当体系的输入旌旗灯号电压值为-10mV,输出旌旗灯号对应电压值为103mV,放大倍数约为10,与前置放大电路的盘算值100/10=10（倍）相符.

3.1.2电路频率响应特征剖析

图3-3前置放大电路频率响应特征剖析图

（1）

图3-4前置放大电路频率响应特征剖析图

（2）

体系的最大频率增益为20dB,则降低3dB可知截止频率为55.6kHz.体系通带频率规模为10Hz～55.6kHz.

在二级放大电路的输入端输入10mV的正弦旌旗灯号,在输出段拔出电压探头,分离对电路进行输入.输出剖析和频率响应剖析.

图3-5二级放大电路

图3-6二级放大电路输入和输出剖析图

≈88.

电路频率响应特征剖析

图3-7二级放大电路