音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué) 電子綜合實(shí)訓(xùn)I說明書學(xué) 號(hào)：電子綜合實(shí)訓(xùn)題目音頻功率放大器的設(shè)計(jì)學(xué)院理學(xué)院專業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)班級(jí)姓名指導(dǎo)教師易迎彥2014年 1 月 17 日電子綜合實(shí)訓(xùn)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)老師：易迎彥工作單位：武漢理工大學(xué)理學(xué)院題目：音頻功率放大器的設(shè)計(jì)初始條件：直流可調(diào)穩(wěn)壓電源兩臺(tái)，數(shù)字示波器一臺(tái)，萬用電表一塊，面包板一塊，元器 件若干，剪刀、鑷子等必備工具。要求完成的主要任務(wù)：(包括電子綜合實(shí)訓(xùn)工作量及其技術(shù)要求以及說明書撰寫等具體要 求)1、技術(shù)要求：設(shè)計(jì)一音頻功率放大器；要求輸入信號(hào) Vi=10mV，頻率f=1kHz，負(fù)載電阻為8Q時(shí), 輸出功率Po，IW;2、主要任務(wù)：

2、(一) 設(shè)計(jì)方案(1) 按照技術(shù)要求，提出自己的設(shè)計(jì)方案(多種，芯片不限)并進(jìn)行比較；(2) 以功率放大集成電路和運(yùn)算放大器為主，設(shè)計(jì)一種簡易的音頻功率放大器(實(shí) 現(xiàn)方案主芯片LM386);(3) 依據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行預(yù)答辯；(二) 實(shí)現(xiàn)方案(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，畫出電路邏輯圖和裝配圖；(5) 查閱資料，確定所需各元器件型號(hào)和參數(shù)；(6) 在面包板上組裝電路；(7) 自擬調(diào)整測(cè)試方法，并調(diào)試電路使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；(8) 撰寫設(shè)計(jì)說明書，進(jìn)行答辯。3、撰寫電子綜合實(shí)訓(xùn)說明書：封面：題目，學(xué)院，專業(yè)，班級(jí)，姓名，學(xué)號(hào)，指導(dǎo)教師，日期任務(wù)書目錄(自動(dòng)生成)正文：1、技術(shù)指標(biāo)；2、設(shè)計(jì)方案及其

3、比較；3、實(shí)現(xiàn)方案；4、調(diào)試過程及結(jié)論；5、心得體會(huì)；6、參考文獻(xiàn)成績?cè)u(píng)定表 時(shí)間安排：電子綜合實(shí)訓(xùn)時(shí)間：19周一20周19周：明確任務(wù)，查閱資料，提出不同的設(shè)計(jì)方案(包括實(shí)現(xiàn)方案)并答辯;20周：按照實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行電路布線并調(diào)試通過；撰寫電子綜合實(shí)訓(xùn)說明書。指導(dǎo)教師簽名: 系主任(或負(fù)責(zé)老師)簽名:目錄1. 技術(shù)指標(biāo) 12. 設(shè)計(jì)方案及其比較 12.1 方案一 22.1.1 前置放大電路的設(shè)計(jì) 22.1.2 功率放大器的設(shè)計(jì) 32.1.3 仿真模擬結(jié)果 42.2 方案二 62.2.1 前置放大電路的設(shè)計(jì) 62.2.2 功率放大器的設(shè)計(jì) 72.2.3 仿真模擬結(jié)果 82.3 方案三 102.3.

4、1 前置放大電路的設(shè)計(jì) 102.3.2 功率放大器的設(shè)計(jì) 112.3.3 仿真模擬結(jié)果 122.4 方案比較 143. 實(shí)現(xiàn)方案 143.1 實(shí)現(xiàn)方案電路圖 143.2 實(shí)現(xiàn)方案電路原理 153.3 實(shí)現(xiàn)方案所需元器件 163.4 實(shí)現(xiàn)方案輸出波形 164. 調(diào)試過程及結(jié)論 184.1 調(diào)試過程 184.2 結(jié)論 195. 心得體會(huì) 196. 參考文獻(xiàn) 19武漢理工大學(xué) 電子綜合實(shí)訓(xùn)I說明書25音頻功率放大器的設(shè)計(jì)1. 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一音頻功率放大器；要求輸入信號(hào)Vj 10mV ,頻率f 1kHz ,負(fù)載電阻為8Q時(shí), 輸出功率巳1W ；2. 設(shè)計(jì)方案及其比較由于輸入信號(hào)較弱，直接放大難以達(dá)到技

5、術(shù)要求，故需要在功率放大器前加裝一個(gè)前 置放大電路。大體結(jié)構(gòu)如圖2-1:輸入信號(hào)前置放大電路功率放大電路輸出信號(hào)圖2-1電路結(jié)構(gòu)示意圖音頻功率放大器實(shí)際上就是對(duì)比較小的音頻信號(hào)進(jìn)行放大，使其功率增加，然后輸出前置放大主要完成對(duì)小信號(hào)的放大，使用一個(gè)同向放大電路對(duì)輸入的音頻小信號(hào)的電壓進(jìn) 行放大，得到后一級(jí)所需要的輸入。后一級(jí)的主要對(duì)音頻進(jìn)行功率放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)電 阻而得到需要的音頻。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)整機(jī)電路做出適當(dāng)安排，確定各 級(jí)的增益分配，然后對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。PoVo2Rl1WVo RRl 2-2V八追200 一 2V 10mV根據(jù)這兩個(gè)公式可得，若后級(jí)功率放大器的

6、電壓增益設(shè)置為200,則前置放大電路電壓增益至少為 2，設(shè)計(jì)中將其數(shù)據(jù)取為2。音頻功率放大器各級(jí)增益的分配， 前級(jí)電路電 壓放大倍數(shù)為2;音頻功放的電壓放大倍數(shù)為200。根據(jù)該設(shè)計(jì)思路及實(shí)驗(yàn)提供器件，我 一共設(shè)計(jì)了三種不同的工作電路，分別采用 LF353運(yùn)算放大器、差分放大電路、射極偏置 電路作為前置放大電路，功率放大器均采用以芯片LM386為基礎(chǔ)的電路形式。2.1方案一方案一基本電路原理圖如圖2-2所示圖2-2方案一電路原理圖2.1.1前置放大電路的設(shè)計(jì)該方案的前置放大電路是由LF353放大器組成的一級(jí)放大電路，放大倍數(shù)為2,即1 R2 r 2，取 & 10K ,Ri 10K ，所用

7、電源 Vc12V，Vee 12V。該前置放大電路的原理圖如圖2-3所示。經(jīng)過該級(jí)運(yùn)算放大電路的放大'由宀飛 盒2可得下一級(jí)輸入電壓« 20mV。2.1.2功率放大器的設(shè)計(jì)我們選擇在芯片LM386的1號(hào)引腳和8號(hào)引腳之間串聯(lián)一個(gè)10 F的電容，使其放大 系數(shù)為200。原理電路圖如圖2-4所示。1OuF1OUF<TEXT>U1 U1 2LM3&5LM3&5 <TEXT> <TEXT>.10uF.<TEX> 圖2-4后級(jí)功率放大器2.1.3仿真模擬結(jié)果2-5所示，其確定了設(shè)計(jì)思路及參數(shù)后，在軟件 Proteus中進(jìn)行仿

8、真模擬，其波形如圖 輸出電壓及輸出電流如圖2-6所示。圖2-5波形圖（自上而下依次為輸入信號(hào)、一級(jí)放大輸出波形、最終輸出波形）圖2-6輸出電壓及輸出電流通過對(duì)輸出電壓及輸出電流的計(jì)算可得出巳l°V° 0.41A 3.27V 1.3407W，符合技術(shù)要求。2.2方案二方案二基本電路原理圖如圖2-7所示。圖2-7方案二電路原理圖2.2.1前置放大電路的設(shè)計(jì)該方案的前置放大電路由一個(gè)差分式放大電路構(gòu)成，放大系數(shù)該前置放大電路的原理 圖如圖2-8所示。圖2-8前置放大電路'V'V'經(jīng)過該級(jí)運(yùn)算放大電路的放大，由 凡 丄2可得下一級(jí)輸入電壓Vi 10mV% 2

9、0mV。2.2.2功率放大器的設(shè)計(jì)我們選擇在芯片LM386的1號(hào)引腳和8號(hào)引腳之間串聯(lián)一個(gè)10 F的電容，使其放大 系數(shù)為200。原理電路圖如圖2-9所示。1OuF1OUF<TEXT>U1 U1 2LM3&5LM3&5 <TEXT> <TEXT>.10uF.<TEX> 圖2-9后級(jí)功率放大器2.2.3仿真模擬結(jié)果2-10所示,確定了設(shè)計(jì)思路及參數(shù)后，在軟件Proteus中進(jìn)行仿真模擬，其波形如圖其輸出電壓及輸出電流如圖2-11所示。圖2-10波形圖（自上而下依次為輸入信號(hào)、一級(jí)放大輸出波形、最終輸出波形）圖2-11輸出電壓及輸出電

10、流通過輸出波形圖可以看出有一定程度的失真，通過對(duì)輸出電壓及輸出電流的計(jì)算可得出 FO IoVo 0.44A 3.52V1.5488W，符合技術(shù)要求。2.3方案三方案三基本電路原理圖如圖2-12所示。圖2-12方案三電路原理圖2.3.1前置放大電路的設(shè)計(jì)該方案的前置放大電路由一個(gè)射極偏置電路構(gòu)成，放大系數(shù)約為2倍該前置放大電路的原理圖如圖2-13所示。圖2-13前置放大電路'V'V'經(jīng)過該級(jí)運(yùn)算放大電路的放大'由乓£點(diǎn)2可得下一級(jí)輸入電壓Vi 20mV。2.3.2功率放大器的設(shè)計(jì)我們選擇在芯片LM386的1號(hào)引腳和8號(hào)引腳之間串聯(lián)一個(gè)10 F的電容，使其

11、放大 系數(shù)為200。原理電路圖如圖2-14所示。1OuF1OUF<TEXT>U1 U1 LM3&5LM3&5 <TEXT> <TEXT>.10uF.<TEX> 圖2-14后級(jí)功率放大器233仿真模擬結(jié)果2-15所示,確定了設(shè)計(jì)思路及參數(shù)后，在軟件 Proteus中進(jìn)行仿真模擬，其波形如圖 其輸出電壓及輸出電流如圖2-16所示。圖2-15波形圖F依次為輸入信號(hào)、一級(jí)放大輸出波形、最終輸出波形）SPEAKER'<TEXT>圖2-16輸出電壓及輸出電流通過圖2-15可以看出輸出波形略有失真。通過對(duì)輸出電壓及輸出電流的

12、計(jì)算可得出P。|°V。0.44A 3.52V1.5488W，符合技術(shù)要求。2.4方案比較方案一的前置放大電路是采用LF353芯片實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是失真小、電路結(jié)構(gòu)簡單, 使用器件較少，缺點(diǎn)是放大倍數(shù)較??；方案二的前置放大電路是采用差分式放大電路實(shí)現(xiàn) 的，其優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)高，缺點(diǎn)是電路較為復(fù)雜，且失真較為嚴(yán)重；方案三的前置放大電 路是采用射極偏置電路實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是失真較小，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在不考慮失 真和布線難度的前提下，三種方案都能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。綜合考慮，我決定選用線路 較為簡單且效果較好的方案一。3. 實(shí)現(xiàn)方案3.1實(shí)現(xiàn)方案電路圖實(shí)現(xiàn)方案為方案一，電路圖如圖3-1所示，

13、實(shí)際布線面包板如圖3-2圖3-1實(shí)現(xiàn)方案電路圖圖3-2面包板3.2實(shí)現(xiàn)方案電路原理該方案是由前置放大電路和后級(jí)功率放大器組成。其中，前置放大電路的作用是放大較小的輸入信號(hào)，增大后級(jí)功率放大器的輸入信號(hào)，由一個(gè)LF353運(yùn)算放大芯片組成，在 芯片8號(hào)引腳及4號(hào)引腳分別接+12V和-12V的電源，兩個(gè)電阻均設(shè)置為10K Q,根據(jù)公式:1 % 2可得該級(jí)放大電路的電壓增益為 2,于是我們很容易計(jì)算得出：'Vi'Vi'Av-2Vi 10mV«2°mV因此后級(jí)功率放大器的輸入電壓為 20mV。經(jīng)過查閱資料，我得知了幾種芯片LM386的常 規(guī)用法，其中，若在其1

14、號(hào)引腳及8號(hào)引腳間串聯(lián)一個(gè)10 F的電容則可使其放大系數(shù)變 為 200。3.3實(shí)現(xiàn)方案所需元器件表3-1方案所需器件方案所需器件名稱數(shù)量備注直流可調(diào)穩(wěn)壓電源1數(shù)字示波器1萬用表1面包板1鑷子1剪刀1電阻310K Q兩個(gè)，10Q 個(gè)運(yùn)算放大器1LF353功率放大器1LM386電容410uF 兩個(gè)，0.1uF 個(gè)，220uF 個(gè)揚(yáng)聲器1內(nèi)阻8Q導(dǎo)線若干3.4實(shí)現(xiàn)方案輸出波形實(shí)際測(cè)試時(shí)的輸入信號(hào)波形與一級(jí)輸出信號(hào)波形對(duì)比如圖3-3所示，輸入信號(hào)波形與最終輸出信號(hào)波形對(duì)比如圖3-4所示。圖3-3輸入波形及一級(jí)輸出波形圖3-4輸入波形及最終輸出波形4. 調(diào)試過程及結(jié)論4.1調(diào)試過程調(diào)試時(shí)間是1月13日下

15、午，我和搭檔帶好提前布好線的面包板和必需器件來到教室進(jìn) 行方案調(diào)試。一開始的調(diào)試過程并不順利，接通輸入信號(hào)后輸出端無信號(hào)輸出。經(jīng)過檢查 發(fā)現(xiàn)是接線問題。重新連接后再次進(jìn)行調(diào)試，卻發(fā)現(xiàn)最終輸出信號(hào)放大倍數(shù)過小，于是我 們檢驗(yàn)了一級(jí)輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)并無異常，于是我們斷定問題出在后級(jí)功率放大器上。為確 定是否為元器件損壞造成的短路，我們用萬用表對(duì)電路進(jìn)行了檢測(cè)，并無異常，于是又重 新檢驗(yàn)線路，發(fā)現(xiàn)又是連接錯(cuò)誤。重新連接后再次接入輸入信號(hào)，但是卻發(fā)現(xiàn)開啟電源前 輸入信號(hào)正常，開啟電源后輸入信號(hào)和輸出信號(hào)均嚴(yán)重失真， 揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音尖銳刺耳。 在我們百思不得其解時(shí)，我們決定對(duì)線路進(jìn)行一次徹底的檢查，最終

16、發(fā)現(xiàn)是接地端出現(xiàn)了 問題。修改后又一次進(jìn)行調(diào)試，卻始終得不到需要的增益倍數(shù)。無奈之下我們只好請(qǐng)教了 指導(dǎo)老師，卻發(fā)現(xiàn)原來是因?yàn)槲覀儾粫?huì)使用示波器。掌握了示波器的正確讀取方法后，我 們驚喜地發(fā)現(xiàn)我們成功地得到了正確的波形圖，揚(yáng)聲器也發(fā)出了明亮清脆的噠噠聲。4.2 結(jié)論在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)施方案電路運(yùn)行正常，輸出信號(hào)達(dá)到了技術(shù)要求的指標(biāo)，說明 方案調(diào)試較為成功。5. 心得體會(huì) 首先，為了這個(gè)課題的順利進(jìn)行，我對(duì)模擬電路課程進(jìn)行了復(fù)習(xí)，對(duì)一些基本電路形 式有了更加深刻的印象，還翻閱了大量的參考資料，對(duì) LF353 及 LM386 芯片的結(jié)構(gòu)和功 能有了較為清晰的認(rèn)識(shí)，也基本掌握了 LM386 芯片的

17、幾種基本使用方式，可謂是受益匪 淺。在這次的課程設(shè)計(jì)中，我明白了音頻功率放大器的構(gòu)成以及其工作原理，并且深入理 解了集成運(yùn)算放大器的作用，以前只是在書本中學(xué)習(xí)，現(xiàn)在通過課程設(shè)計(jì)讓我深刻認(rèn)識(shí)到 了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。其次，我認(rèn)為本次課程設(shè)計(jì)中，我最大的收獲就是清醒地認(rèn)識(shí)到了細(xì)節(jié)的重要性。在 調(diào)試過程中多次出現(xiàn)問題，基本都是由于線路連接不認(rèn)真造成的，還有對(duì)示波器的使用不 熟練的原因。而這些都屬于細(xì)節(jié)問題，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，細(xì)節(jié)往往決定成敗，如果細(xì)節(jié)做不 好就會(huì)對(duì)整體產(chǎn)生重大影響。 通過對(duì)此課程的設(shè)計(jì)， 我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)， 而且也鞏固了以往所學(xué)的知識(shí)。最重要的是對(duì)于未知的探索，對(duì)錯(cuò)誤的尋找，這個(gè)過程是 充滿樂趣和成就感的，在連接電路的過程中，遇到了不少問題，包括原理的理解，實(shí)驗(yàn)電 路的設(shè)計(jì)，以及在電路連接過程中不可避免的與設(shè)計(jì)思想相違背，不能出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情 況，經(jīng)過對(duì)問題的分