武漢理工模電課程設(shè)計――音頻功放_圖文

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名:張建朋專業(yè)班級:電信 1002 指導(dǎo)教師:劉運茍工作單位:信息工程學(xué)院題目:音頻功率放大器初始條件:具備模擬電子電路的理論知識;具備模擬電路基本電路的設(shè)計能力;具備模擬電路的基本調(diào)試手段;自選相關(guān)電子器件;可以使用實驗室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù):(包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求,以及說明書撰寫等具體要求1、不失真輸出功率2.4 W,頻率響應(yīng):20HZ20KHZ2、輸入阻抗 50K,輸入電壓 5mv3、具備高音和低音的音調(diào)控制功能4、效率60%5、安裝調(diào)試并完成符合學(xué)校要求的設(shè)計說明書時間安排:一周,其中3天硬件設(shè)計,2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名:年月日系主任(或責(zé)任教師

2、簽名:年月日目錄1 模電課設(shè)概述 (11.1設(shè)計背景 (11.2設(shè)計目的及意義 (21.3設(shè)計時間 (21.4開發(fā)環(huán)境Multisim介紹 (22 課程設(shè)計內(nèi)容 (32.1課程設(shè)計題目 (32.2課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求 (32.3音頻功率放大器各個電路介紹 (42.3.1直流穩(wěn)壓電源 (42.3.2前置放大 (52.3.3帶通濾波電路 (52.3.4音調(diào)控制 (72.3.5功率放大 (102.4音頻功率放大整體電路圖 (112.5仿真過程及分析 (122.6 實際安裝與調(diào)試 (183心得體會 (214參考文獻 (225本科生課程設(shè)計成績評定表 (231 模電課設(shè)概述1.1 設(shè)計背景音頻功率放大器

3、是一個技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域,幾十年來,人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?無論從線路技術(shù)還是元器件方面,乃至于思想認識上都取得了長足的進步。一、早期的晶體管功放半導(dǎo)體技術(shù)的進步使晶體管放大器向前邁進了一大步,自從有了晶體管,人們就開始用它制造功率放大器,早期的放大器幾乎全用鍺管來制作,但由于鍺管工藝上的一些原因,使得放大器中所用的晶體管,尤其是功放管性能指標(biāo)不易做得很高。二、晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真隨著半導(dǎo)體工藝的逐漸成熟,大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加,越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的 OCL電路或 OTL電路,最初的大功率PNP管是鍺管,而 NPN管是硅管,兩者的特性差別非常顯著,電

4、路的對稱性很差,人們更多采用的是準(zhǔn)互補電路,通過小功率硅管Q1與一只大功率的NPN硅管 Q2復(fù)合,得到一只極性與PNP管類似的大功率管,降低了電路因?qū)ΨQ性差而招至的失真。三、功放輸入級差動與共射-共基對稱和平衡是電路發(fā)展的方向?qū)ΨQ和平衡也許是世上事物完美的標(biāo)志之一。音樂講究各聲部之間的乎衡與統(tǒng)一,美術(shù)以色彩搭配均衡、和諧為美,在服裝設(shè)計中,常常采取看似不對稱的設(shè)計,其實質(zhì)也是為了取得視覺上的均衡.上面所說的都是藝術(shù),對稱和平衡給人一種安定、完美的感覺。有意思的是,在功率放大器中,對稱和平衡也有類似的效果。1.2設(shè)計目的及意義1培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想,理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng),嚴肅認真、實事求是的

5、科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。2鍛煉學(xué)生自學(xué)軟件的能力及分析問題、解決問題的能力。3通過課程設(shè)計,使學(xué)生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的運用和計算機應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高。4鞏固、深化和擴展學(xué)生的理論知識與初步的專業(yè)技能。5為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好基礎(chǔ)基本要求。1.3設(shè)計時間課程設(shè)計時間:一周,其中3天硬件設(shè)計,2天硬件調(diào)試1.4開發(fā)環(huán)境Multisim 11.0簡要介紹NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具,NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。N

6、I Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來,并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗工作臺,繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上,輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來,軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似,測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的;豐富的元器件提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件,同時能方便的對元件各種參數(shù)進行編輯修

7、改,能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能,創(chuàng)建自己的元器件。強大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎,通過Electronic workbench 帶有的增強設(shè)計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋? 課程設(shè)計內(nèi)容2.1 課程設(shè)計題目音頻功率放大器設(shè)計初始條件:直流穩(wěn)壓電源;變壓器,橋式整流,LM7815,LM7915電容,電阻前置放大;運算放大器NE5532,電容,電阻若干音調(diào)控制;運算放大器NE5532,電容,電阻若干,變阻器功率放大;TDA2030,揚聲器,IN4001,電容電阻若

8、干,電位器可用儀器;萬用表,毫伏表2.2 課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求1、不失真輸出功率2.4 W,頻率響應(yīng):20HZ20KHZ2、輸入阻抗 50K,輸入電壓 5mv3、具備高音和低音的音調(diào)控制功能4、效率60%5、安裝調(diào)試并完成符合學(xué)校要求的設(shè)計說明書2.3音頻功率放大器個單元電路介紹2.3.1直流穩(wěn)壓電源 圖2.3.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計圖如上圖所示,該電路采用的是LM7815和LM7915型號的集成穩(wěn)壓芯片組成的具有同時輸出+15V,-15V直流電壓的穩(wěn)壓電路。該電路對稱性好,溫度特性也近似一致。電源輸出端接有保護二極管D2,D3.如果不接二極管,LM7815的輸出電壓通過外加負載加到LM7915的

9、輸出端,必將燒壞LM7915。由于模電實驗課上已經(jīng)把恒壓源的設(shè)計作為考試題目,且本題中音頻功放為主題,所以這里就不再詳細分析他了。Protel DXP中沒有相應(yīng)的原件及替代,固用TI設(shè)計了以上電路。上圖也為模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課本的P340頁圖樣,由于仿真元件庫中沒有CW7815和CW7915,固用LM7815和LM7915替代。VEE 2.3.2前置放大 圖2.3.2.1前置放大圖(實際電路本前置放大電路為并聯(lián)電流負反饋方向運算放大,分析可得其放大倍數(shù)即為R22R2033.3 2.3.3帶通濾波器 實驗電路的第三部分即為壓控電壓源二階低通濾波電路,用來過濾帶通外高頻信號。電路中同時引入了正負反饋

10、。當(dāng)信號趨于零是,由于C5的電抗趨于無窮大,因而正反饋很弱;當(dāng)信號趨于無窮大時,由于C3的電抗趨于無窮大,因而輸入集成運放的U 趨于零。由此相當(dāng)于選擇了加入電路的信號范圍,選擇了前置放大后的信號。在電路中,由帶通電路中的fL=12RC ,和電壓放大的作用,電路的后半部分為二階高通濾波電路,用來過濾通帶外低頻信號,前半部分濾掉了過高的高頻信號,進而起到了選頻的作用。其實,高通濾波與低通濾波電路具有對偶性,將相應(yīng)的電容換成電阻,電阻換成電容,就可以得到高通濾波電路。所以可以取C1=C2,R3=R4,那么通帶放大倍數(shù)Au1=1+R6R5設(shè)上限截止頻率為fH=12R6C6,下限截止頻率為fL=12R1

11、C2,則計算后可得低通濾波電路傳遞函數(shù)即為H u u u f f A j f f A A -+ -=12H 131所以只有當(dāng)1u A 3時,電路才能正常工作,而不產(chǎn)生自激振蕩。 若取品質(zhì)因數(shù)Q=0.707,則Au1=Au -1Q =1.586,符合1u A 3這一條件 同理,Au2=Au1=Au -1Q =1.586,也滿足條件。 R12200kKey=A 50%2.3.4音調(diào)控制圖2.3.4.1音調(diào)控制電路(實際電路第四部分的音調(diào)控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進行控制,從而達到控制放音音色的目的。本實驗電路采用的是負反饋式音調(diào)控制電路,與衰減式音調(diào)控制電路相比

12、,它具有噪音和失真較小,并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時,其轉(zhuǎn)折頻率保持固定不變,而特性曲線的斜率卻隨之改變的特點。 圖2.3.4.2音調(diào)控制電路(理想電路(1對于低音信號來說,由于C3的容抗很大,相當(dāng)于開路,此時高音調(diào)節(jié)電位器Rp1在任何位置對低音都不會影響。當(dāng)?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動端調(diào)到最左端時,C 1被短路,此時電路圖2可簡化為圖3(a。由于電容C 2對于低音信號容抗大,所以相對地提高了低音信號的放大倍數(shù),起到了對低音提升的作用。該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為:112122122112./(11/1(C R R j C R j R R R R C j R R A P P P P Vf +-=+-=,其轉(zhuǎn)

13、折頻率為:12121C R f P L =,112221/(21R R R f P L = 。可見當(dāng)頻率0f 時, 212.P VfR R R A +;當(dāng)頻率f 時,112.=R RA Vf 。從定性的角度來說,就是 在中、高音域,增益僅取決于R 2與R 1的比值,即等于1;在低音域,增益可以 得到衰減,最小增益為(212P R R R +。(2電路對于高音信號來說,電容C1、C2的容抗很小,可以認為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1,即可實現(xiàn)對高音信號的提升或衰減。 該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為:(11/1(434334.b ac a bVf R R C j R C j R R R R C j

14、R A +=+=。 其轉(zhuǎn)折頻率為:(21431b H R R C f+=,43221R C f H =。當(dāng)頻率0f 時,1.=a b Vf R R A ;當(dāng)頻率f 時,bVf R R R A +44.?？梢娫撾娐穼τ诟咭纛l信號起到衰減作用。R1375%22F2.3.5功率放大圖2.3.5.1功率放大電路(實際電路由于集成功率放大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好,功耗低,電源利用率高,失真小,具有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消噪等功能,所以使用非常廣泛。TDA2030/2030A 集成功放,具有輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護,外圍電路簡單,但在實際使用的

15、過程中一定要注意,加上散熱片,否則,TDA2030很快就會由于溫度過高而停止工作!在該電路由TDA2030組成的串聯(lián)電流負反饋負反饋電路,其交流電壓放大倍數(shù)8.2048.010111615+=+=R R A Vf (倍2.4音頻功率放大整體電路圖 圖2.4.1音頻功率放大器整體電路圖在本實驗電路中,二極管D 1、D 2起保護作用,一是限制輸入信號最大值,二是防止電源極性接反。R 17、C 7組成輸出相移校正網(wǎng)絡(luò),可以使負載接近純電阻。本設(shè)計的音頻功率放大器是一個多級放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功率的確定 電源大小和整個系統(tǒng)的增益。因為音頻功率放大器的輸出功率P OM 2.4W 。所 以音頻功率放大器

16、的輸出幅值20.684.222=L OM OM R P V (V 。當(dāng)輸入信號最小值為5mV 時,整個放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為:12401020.63=-i O M V V V A (倍。根據(jù)整個放大系統(tǒng)的電壓增益,合理分配各級單元電路的增益。功率放大器級(采用集成功放電壓放大倍數(shù)取20倍;音調(diào)控制器放大器在中頻(1KHz 處的電壓放大倍數(shù)取1;前置放大器的電壓放大倍數(shù)取30(考慮到實際電路中有衰減。電壓放大倍數(shù)Au=1+R15R16 =21。但是,在實驗過程中,尤其是電路仿真時,一定要根據(jù)實際情況作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以保證輸出達到要求!2.5仿真過程及分析2.5.1前置放大仿真 圖2.5.1.1

17、前置放大仿真效果圖由上圖可得,輸出前置端的電壓與輸入端的電壓反向。其放大倍數(shù)為倍,達到了預(yù)期的設(shè)計要求。(219.971mV7.069m V=31.122.5.2帶通濾波電路仿真 圖2.5.2.1帶通濾波電路仿真效果圖由上圖可得,輸出帶通濾波電路端的電壓與輸入端的電壓同向。其放大倍倍,滿足小于3的條件。盡管輸出出數(shù)為(534.482mV226.950m V=2.4現(xiàn)了稍微的相移,但基本上不會構(gòu)成太大的失真,故本帶通濾波電路基本上達到了預(yù)期的設(shè)計要求。 圖2.5.2.2帶通濾波電路上限截止頻率 圖2.5.2.3帶通濾波電路下限截止頻率由上圖可得,設(shè)計的電路中頻帶在18Hz-20.6kHz,那么,

18、通頻帶一定大于這個范圍,又由所要求的帶通濾波的通帶20Hz-20KHz在實驗仿真電路的中頻帶范圍之內(nèi),即達到了實驗要求。2.5.3音調(diào)控制仿真 圖2.5.3.1音調(diào)控制電路仿真效果由上圖可得,輸出端的電壓與輸入端的電壓反向。其放大倍數(shù)為倍,滿足約等于1的條件,達到了預(yù)期(443.049mV451.932m V=0.98的設(shè)計要求。 圖2.5.3.2低音放大仿真效果 圖2.5.3.3低音衰減仿真效果圖 圖2.5.3.4高音衰減仿真效果圖 圖2.5.3.5高音放大仿真效果圖以上各圖分別為音調(diào)控制電路的仿真效果圖,由圖可知通過對兩個電位器的控制可以控制高音,低音的放大倍數(shù),進而控制和調(diào)節(jié)高低音的輸出

19、。2.5.4功率放大 圖2.5.4.1功率放大仿真由上圖可得,輸出端的電壓與總輸入端的電壓同向。其放大倍數(shù)為倍,基本滿足要求的20倍,將電壓帶入求解(9.701V470.601m V=20.61功率如下圖所示。 圖2.5.4.2輸出電流圖2.5.4.3輸出電壓 圖2.5.4.4輸出功率由上圖可得,輸出功率為5.875W,大于所要求的2.4W,基本滿足設(shè)計要求。2.5.4輸入電阻的測量 圖2.5.4.1仿真電路中的輸入電阻由上圖可得電路的輸入阻抗為76.9K滿足輸入阻抗 50K的要求。2.6實際安裝與調(diào)試2.6.1元件列表表2.6.1.1 元件列表 2.6.2調(diào)試環(huán)節(jié)音頻功率放大器的調(diào)試1、節(jié)點

20、調(diào)試焊接電路板的過程中,無論是加飛線,還是埋導(dǎo)線,或者說是拉錫線都要用萬用表測一下通斷情況。尤其是電阻,焊接前一定要測量它的阻值和通斷情況。還有就是一些較小的芯片,上面可能會有好幾個端口,一定要注意不能短路。這些小細節(jié)一定要在調(diào)試的過程中加以注意!2、前置放大器調(diào)試焊接完成后,測量輸入和輸出的電壓數(shù)據(jù),測得電路輸入電壓為 4.8mV,輸出電壓為0.151V,其放大倍數(shù)大致為31,和仿真數(shù)據(jù)十分接近,故前置放大電路幾乎沒有問題。3、帶通濾波電路調(diào)試在以上的基礎(chǔ)上,改變輸入信號的頻率,波形依然為正弦波,將輸入信號,輸出信號同時接入示波器。改變輸入信號的頻率,觀察輸入和輸出信號的失真情況。實驗結(jié)果顯

21、示,其頻率在18.Hz開始出現(xiàn)較大范圍的失真,在20.3kHz 時出現(xiàn)失真。及其同頻帶寬為18.3Hz-20.3kHz,滿足所要求的頻率。4、功率放大器測試發(fā)現(xiàn)接入電源后,揚聲器的聲音失真很大,斷開電源后發(fā)現(xiàn)一處斷路,然后連接好后再次接入電源,發(fā)生100uF電容爆炸。仔細檢查后發(fā)現(xiàn)電路存在極性電容的正負極接反的情況。進行相應(yīng)調(diào)節(jié)后,揚聲器可以正常工作。5、整機聯(lián)調(diào)現(xiàn)在將各個模塊進行級聯(lián),進行系統(tǒng)調(diào)試。(1輸出功率測量將頻率等于50kHz,幅值為5mV左右的正弦波信號接入輸入端,測量輸出的電壓和電流值,計算其輸出功率功率。(2音頻功率放大器頻率響應(yīng)測量調(diào)節(jié)音調(diào)電路中的電位器,在輸入信號保持不變,改變輸入信號的頻率,測量音頻功率放大器的上、下限截止頻率。3.心得體會經(jīng)過本次課程設(shè)計,我認為在實驗的初期階段,一定要把實驗的原理搞清楚,做到心