高保真音頻功率放大器

..遼寧工業(yè)大學模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計〔論文題目：高保真音頻功率放大器院〔系：專業(yè)__學號：學生__指導〔簽字起止時間：2013.7.1—2013.7.12..課程設(shè)計〔論文任務(wù)及評語院〔系：電子與信息工程學院教研室：電子信息工程學號學生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計題目高保真音頻功率放大器的設(shè)計與制作課程設(shè)計〔論文任務(wù)設(shè)計參數(shù)：采用全部或部分分立元件設(shè)計一種音頻功率放大器。額定輸出功率負載阻抗。失真度設(shè)計放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。設(shè)計要求：1.分析設(shè)計要求,明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應(yīng)用環(huán)境等,廣開思路,構(gòu)思出各種總體方案,繪制結(jié)構(gòu)框圖。2.確定合理的總體方案。對各種方案進行比較,以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較,并考慮器件的來源,敲定可行方案。3.設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零,分解成若干子系統(tǒng)或單元電路,逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局,通常是按信號的流向,采用左進右出的規(guī)律擺放各電路,并標出必要的說明。指導教師評語及成績平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算摘要音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當成熟的領(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。回顧一下功率放大器的發(fā)展歷程,對廣大學生來說也許是一件饒有趣味的事情。半導體技術(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。功率放大器的作用是給音響放大器的負載RL提供一定的輸出功率。當負載一定時,希望輸出的功率盡可能大,輸出的信號的非線形失真盡可能的小,效率盡可能的高。功率放大器的常見電路形式有OTL電路和OCL電路。有用運算放大器和晶體管組成的功率放大器,也有專集成電路功率放大器。本設(shè)計采用LM324D進行前置放大,再采用甲乙類雙電源互補對稱電路進行功率放大。普通信號經(jīng)由輸入端輸入到前置放大電路,通過2級同比例放大電路進行前置放大,完成小信號的電壓放大任務(wù),LM324D運放具有內(nèi)部補償功能,短路保護輸出。第一級放大倍數(shù)為1+R5/R4=11,第二級放大倍數(shù)同為11倍,總體放大倍數(shù)121倍,可有效的對小信號進行電壓放大。信號經(jīng)前置放大初步放大后進入后級功率放大,功率放大采用射級輸出,其電壓增益為1,輸出的電壓將保持不變；可對電流進行放大,從而輸出電流增大,導致功率放大。關(guān)鍵詞：LM324D；前置放大；功率放大；甲乙類..目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章高保真音頻功率放大器方案論證11.1高保真音頻功率放大器的設(shè)計意義11.2高保真音頻功率放大器的設(shè)計要求和技術(shù)指標11.3總體設(shè)計方案2方案論證2總體方案框圖4第2章高保真音頻功率放大器各單元電路設(shè)計52.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計52.2前置放大級設(shè)計52.3功率放大器設(shè)計6第3章高保真音頻功率放大器整體電路設(shè)計73.1整體電路圖及工作原理73.2電路的參數(shù)計算與選擇8輸入級參數(shù)的計算與選擇83.2.2輸出級參數(shù)的計算與選擇83.3電路的仿真結(jié)果8第4章設(shè)計總結(jié)11參考文獻12附錄I總體電路圖13附錄II元器件清單14..高保真音頻功率放大器方案論證高保真音頻功率放大器的設(shè)計意義高保真功率放大技術(shù)的發(fā)展,使整個音頻功率放大技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化?，F(xiàn)代人對聽覺水平要求越來越高,所以對音響的音質(zhì)真實性要求越來越多,高保真音頻功率放大技術(shù)克服了這個缺點,它能夠如實的反映出聲音信號的音色,音高和音強等音質(zhì)狀況本來面貌的能力,同時對聲音信號進行必要的修飾和加工.高保真音頻功率放大器的設(shè)計要求和技術(shù)指標設(shè)計參數(shù)：1采用全部或部分分立元件設(shè)計一種音頻功率放大器。2額定輸出功率3負載阻抗。4失真度5設(shè)計放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。設(shè)計要求：1.分析設(shè)計要求,明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應(yīng)用環(huán)境等,廣開思路,構(gòu)思出各種總體方案,繪制結(jié)構(gòu)框圖。2.確定合理的總體方案。對各種方案進行比較,以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較,并考慮器件的來源,敲定可行方案。3.設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零,分解成若干子系統(tǒng)或單元電路,逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局,通常是按信號的流向,采用左進右出的規(guī)律擺放各電路,并標出必要的說明?？傮w設(shè)計方案方案論證方案一：簡要原理分析當輸出信號處于正半周期時,Q1導通,Q3截止,于是Q1以射極輸出的形式將信號傳遞給負載,同時向C3充電,因為C3電容量大1其上電壓基本不變,維持在1/2VCC；當輸出信號處于負半周時,Q3導通,Q1截止,已充電的C3充當Q3的電源,同時放電,Q3也以射極輸出形式將信號傳輸給負載R9,這樣在R9上得到了完整的輸出波形。<如圖1.1所示>圖1.1完全分立元件阻容耦合多級放大器原理圖方案二：簡要原理分析:采用2個同相比例放大電路對輸入電壓進行前置放大,小信號經(jīng)前置放大后,再采用甲乙類電源互補對稱電路對功率進行放大,其電壓增益接近為1,通過放大電流,從而放大功率?！踩鐖D1.2所示..圖1.2多級前置放大甲乙類互補對稱功率放大電路原理圖對于以上兩種方案均可達到本設(shè)計要求。方案一分立元件電路,電路中所用元器件多,成本高,焊接難。方案二中采用LM324D進行前置放大,具有內(nèi)部補償功能,短路保護輸出,后采用甲乙類雙電源互補對稱電路,可有效的克服交越失真。通過比較,本設(shè)計采用方案二。根據(jù)本課題要求,所設(shè)計的功率放大器應(yīng)由以下幾部分組成：直流穩(wěn)壓電源、前置放大及功率放大。1.電源部分采用±24V直流穩(wěn)壓電源。2.信號放大部分前置放大電路采用低噪聲雙運放,分別以相同放大的方式,作為信號放大。功率放大電路由甲乙類電源互補對稱電路進行功率放大。..總體方案框圖+24功率放大電路前置放大電路直流穩(wěn)壓電源+24功率放大電路前置放大電路直流穩(wěn)壓電源初步放大輸入信號-24-24圖1.3總體方案框圖..高保真音頻功率放大器各單元電路設(shè)計直流穩(wěn)壓電源設(shè)計基本原理：變壓部分：通常采用變壓器來實現(xiàn)；整流部分：一般橋式整流可采用4個整流二極管接成橋式,也可以也可采用二極管整流橋堆；濾波電路：采用電容濾波即可；穩(wěn)壓電路：可以采用集成穩(wěn)壓電路。圖2.1直流穩(wěn)壓電源原理圖前置放大級設(shè)計前端放大功能是完成小信號的電壓放大任務(wù)、提高信噪比。失真度和噪聲對系其統(tǒng)的影響最大,是應(yīng)該優(yōu)先考慮的指標。本設(shè)計采用2個LM324D運放對電路進行兩級放大,LM324D運放具有內(nèi)部補償功能,短路保護輸出。第一級放大倍數(shù)為Av1=1+R5/R4=11,第二級放大倍數(shù)為Av2=1+R8/R7=11,總體放大倍數(shù)121倍,可有效的對小信號進行電壓放大?！踩鐖D2.2所示圖2.2前置放大器功率放大器設(shè)計功率放大器由甲乙類電源互補對稱電路構(gòu)成,可有效的克服交越失真,Q3組成前置放大級,Q1和Q2組成互補輸出級。靜態(tài)時,在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為Q1、Q2提供了一個適當?shù)钠珘?使之處于微導通狀態(tài)。由于電路對稱,有信號時,由于電路工作在甲乙類,即使輸入電壓很小,基本上可線性的進行放大。因此這種激勵方法增益高,失真小,使輸出獲足夠的激勵,故輸出功率大,效率高?！踩鐖D2.3所示圖2.3功率放大器..高保真音頻功率放大器整體電路設(shè)計整體電路圖及工作原理220V市電經(jīng)變壓器、整流、濾波輸出±24V,用此電源來給前置放大電路及功率放大器提供電源。普通信號經(jīng)由輸入端輸入到前置放大電路,通過2級同比例放大電路進行前置放大,完成小信號的電壓放大任務(wù),LM324D運放具有內(nèi)部補償功能,短路保護輸出。第一級放大倍數(shù)為11,第二級放大倍數(shù)同為11,總體放大倍數(shù)121倍,可有效的對小信號進行電壓放大。信號經(jīng)前置放大初步放大后進入后級功率放大,功率放大采用射級輸出,其電壓增益為1,輸出的電壓將保持不變；可對電流進行放大,從而輸出電流增大,導致功率放大?！踩鐖D3.1所示圖3.1整體電路圖電路的參數(shù)計算與選擇輸入級參數(shù)的計算與選擇輸入級選擇2級LM324D對電路進行前置放大。電壓增益Av：根據(jù)虛短和虛斷的概念：Vp=Vn,Ip=In=0,Vi=Vp=Vn=Vf=[R4/〔R4+R5]Vo,從而可得電壓增益為Av1=〔R4+R5/R4=1+R5/R4=1+10K/1K=11；Av2=〔R7+R8/R7=1+R8/R7=1+10K/1K=11；Av=Av1*Av2=11*11=121。輸出級參數(shù)的計算與選擇輸出級選擇甲乙類互補對稱電路進行功率放大。輸入信號Vi,經(jīng)放大倍數(shù)為121的兩級同比例放大電路放大后輸出電壓Vo1=121*Vi,因功率放大電路部分是采用射級輸出,電壓增益接近為1,所以輸出電壓Vo=Vo1=121*Vi；輸出功率Po=<Vo*Vo>/R3。電路的仿真結(jié)果仿真時,前端輸入電壓為70mV頻率為1000HZ的小信號圖3.2整體電路仿真圖..圖3.3整體電路仿真波形圖輸入電壓為90mv頻率為1000HZ的小信號。圖3.4整體電路仿真波形圖當輸入信號為70mV1000HZ的低電壓小信號,理論Po=Vo2/R3=9W。電路由Multisim仿真后,電路輸出電壓最大值為10V。所以Po.=〔Vomax/21/22/R3=Vomax2/2R3=7W。當輸入信號為90mV1000HZ的低電壓小信號,理論Po=Vo2/R3=15W。電路有Multisim仿真后,電路輸出電壓最大值為13V。所以Po.=〔Vomax/21/22/R3=Vomax2/2R3=10.6W。因此該電路額定輸出功率Po>=10W,符合設(shè)計要求。..設(shè)計總結(jié)本設(shè)計通過方案對比選出如下方案。220V市電經(jīng)變壓器、橋式整流、濾波以及運放輸出±24V,用此電源來給前置放大電路及功率放大器提供電源。普通信號經(jīng)由輸入端輸入到前置放大電路,通過2級同比例放大電路進行前置放大,完成小信號的電壓放大任務(wù),LM324D運放具有內(nèi)部補償功能,短路保護輸出。第一級放大倍數(shù)為Av1=1+R5/R4=11,第二級放大倍數(shù)同為11倍,總體放大倍數(shù)121倍,可有效的對小信號進行電壓放大。信號經(jīng)前置放大初步放大后進入后級功率放大,功率放大采用射級輸出,其電壓增益為1,輸出的電壓將保持不變；可對電流進行放大,從而輸出電流增大,導致功率放大。采用LM324D運放,LM324適合于電源電壓范圍很寬的電電源使用,也適合用于雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單雙電源供電的使用運算放大器的場合。具有短路保護輸出、內(nèi)部補償功能、電壓增益高、單位增益頻帶寬等特點。通過Multisim仿真軟件對電路進行仿真后,結(jié)果滿足設(shè)計要求,完成本設(shè)計