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模电课程设计-音频功率放大器

摘要
这次的模拟电路课程设计题目为音频功率放大器,简称音频功放,音频功率 放大器主要用于推动扬声器发声,凡发声的电子产品中都要用到音频功放,比如 手机、MP4 播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工 作带来了不可替代的方便享受。 我主要采用了两种方法对其进行了分析和设计,一种利用了 A386 集成芯片 对其进行放大输出,另一种是利用二极管进行偏置的互补对称电路,即分立元件 进行设计放大。期间遇到了不少问题,不过好在在老师的指导,同学的帮助下终 于成功调试成功,听到了悦耳的嗡嗡声,设计题目也算比较圆满的完成了。 在设计的过程中,首先对自己的设计思路有个整体的认识,即对音频功率放 大器的原理了解,在查阅了很多资料,以及对实验器材有了初步了解以后,利用 课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的基 本知识,通过对两种方法的对比评析确定了下面的课程设计。

总体设计步骤
开始


研究探讨设计任务及要求


音频功率放大器原理分析
1


确定总体设计思路


原理图仿真


调试电路以达到设计要求


结束 1 设计概述 1、 1 音频功率放大器的设计

作为模拟电子课程设计课题设计,本课题提出的音频功率放大器性能指标 比较低,主要采用理论课程里介绍的运算放大集成电路和功率放大集成电路来 构成音频功率放大器。 1、1、1 设计任务和要求 采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大 器,其要求如下: ① 输入信号为 vi=10mV, 频率 f=1KHz;

② 额定输出功率 Po≥2W;
2

③ 负载阻抗 RL=8 。

1、1、2

功率放大器的基本原理

音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大,使其功率增 加,然后输出。其原理如图(一)所示,前置放大主要完成对小信号的放大,使用 一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大, 得到后一级所需要的输 入。后一级的主要对音频进行功率放大,使其能够驱动电阻而得到需要的音频。 设计时首先根据技术指标要求, 对整机电路做出适当安排, 确定各级的增益分配, 然后对各级电路进行具体的设计。
Po max =8W,输出电压 U =

Po max RL =8V,要使输入为 10mv 的信号放大

到输出的 8V,所需的总放大倍数为 800。

总体设计思路框图: 总体设计思路框图:

(一) 音频功率放大器各级增益的分配,前级电路电压放大倍数为 4;音频 功放的电压放大倍数为 200。 (二) 设计过程 2、1 第一种设计方案:

2、1、1 前端放大器的设计 由于话筒提供的信号非常弱,要在音调控制级前加一个前置放大 器。考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要
3

求,前置放大器选用集成运算放大器 LF353。 前置放大电路是由 LF353 放大器组成的一级放大电路,放大倍数 为 4,即 1+R2/R1=4,取 R2=30K ,R1=10K ,所用电源 Vcc=+12V, Vee=-12V。

经过前级运放的放大,由 Av’=

Ui Ui = =4,可以得到 Ui=40mv。于是我们得 Ui0 10mv

到了下一级功率放大电路的输入电压,即为 Ui=40mv。
2、1、2 功率放大器的设计

由于实验室实验仪器的限制及要求,我们的第一种方案选用了 A386 型 单片集成功率放大电路,其主要特点是:上升随率高、瞬态互调失真小;输出功 率比较大;外围电路简单,使用方便;体积小;内含各种保护电路,工作安全可 靠。 我们选择功率运放电路的增益为 200, 即把 A386 的运放调节电路两端短路。 U0 由 Av= =200 ; Ui 所以 U0=8V;
4

进而得出

P0=

U0 2 64V =8W = RL 8?

然后连接上负载,可以听到响亮的蜂鸣声,实验成功。

其中 C1=220uf,C2=0.1uf,C3=10uf,C4=0.1uf,R3=4.7K ? ,RL=8 ? .

Av=

U0 实验用电路图 Ui

5





C1=220uf



C2=0.1uf



C3=10uf



C4=0.1uf,R1=30K ? ,R2=10K ? ,R3=4.7K ? ,RL=8 ? .

2、2

第二种设计方案:
前端放大器的设置

2、2、1

在前端放大器设计中设计方案与设计一相同, 即由 LF353 放大器组成的一级 放大电路, 不过将放大倍数设置为 40, 1+R2/R1=40, R2=390K ,R1=10K , 即 取 所用电源 Vcc=+12V,Vee=-12V。

经过前级运放的放大,由 Av’=

Ui Ui = =40,可以得到 Ui=400mv。于是我们得到了下 Ui0 10mv

一级功率放大电路的输入电压。

2、2、2 功率放大器的设计 这一部分的功率放大电路选用了分立元器件组成的功率放大器, 其结构就是 集成功率放大器的的内部结构,其特点就是对于电路结构了解的清晰明了,更 好的掌握电路。缺点就是复杂,难理解,使用起来非常不方便,而且容易损坏 器件。
由前级放大得到的电路得到了输入电压 Ui=400mv,然后输入功率放大器,其中的 T1 又对信号的电压进行放大,T1 选择 3DG6 三极管,它的放大倍数 10~30,可以得到电 压 U0:4v~12v,由 P0=

U0 2 得到 P0;2w~18w 符合 P0>2w 的要求。 RL
6

用得到的功率连接负载进行驱动,听到响亮的蜂鸣声,设计成功。

2、 2、3

实验用电路图

7

其 中 参 数 : R1=10K ? ,R2=390K ? ,R3=1K ? ,R4=10K ? ,R5=10K ? ,R6=47K ? ,RL= 8 ? ,C1=14.7uf, C2=100uf, 选择 3DG6,T2 选择 3DG6, 选择 3DG21, 选择 2CP10,D2 T1 T3 D1 选择 2 CP10。 3、1 设计方案的选择 3、1、1 第一种方案的评述 通过对两种方案的比较我们可以看出,第一种方案无疑是比较好的方案,我们可以从 这几个方面来作为依据选择第一种方案。 按照第一种方案我们可以达到课程设计所要达到的要求,结果比较准确,受外界干 扰较小, 而且第一种方案的实现非常的简单,电路容易理解,实验容易进行,能够尽 少的减小实验的成本,而且这种方案的主要器件有自我保护的措施,能够更好的保护实 验器件,减少不必要的损失。 3、 1、2 第二种方案的评述 第二种方案在某些情况下也可以达到实验要求,但是有其不可避免的缺点以及不合 理性,下面对其作出评析:○对于三极管 T1 来说,它的放大倍数是不确定的,这就导 1 致了输出功率的不确定,直接导致了第二种方案有可能不能够满足课程设计的要求。 从第二种方案的设计我们可以得到:由前级放大得到的电路得到了输入电压 Ui=400mv,然后输入功率放大器,其中的 T1 又对信号的电压进行放大,T1 是 3DG6 三

U0 2 极管,它的放大倍数为 10~30 倍,可以得到电压 U0:4v~12v,由 P0= 得到 P0: RL 2w~18w 符合 P0>2w 的要求。 功率 P0 的范围是 2W~18W
8

1 Ucc 2 12 2 最大不失真输出的功率:P0,max= * = =9W 2 RL 2 * 8

通过第二种方案得到的功率的范围是不符合最大不失真输出功率的要求 的,而且通过对第二种方案的电路图的分析我们可以看出,第二种方案的电路 图比较复杂,连接比较困难,理解也是比较困难的,所以这种方案在最终确定 的时候是要被舍弃的。 3、1、3 方案的最终确定
1 Ucc 2 12 2 最大不失真输出的功率:P0max= * = =9W; 2 RL 2 * 8

每支晶体管的最大允许管耗 最大集电极电流 反向击穿电压
Icm>

Pcm>0.2Pom=1.8W;

Ucc 12 = =1.2A; RL 8

|Ueco|>2Ucc=24v。

通过对第一种方案的分析可以看出它的设计是符合以上功率放大电路的各种要求 的。再结合以上的各种评论,我们有充足的理由选择第一种方案。

4、1、1 元器件清单
前级功放的元器件:集成运算放大器 LF353,R2=30K ,R1=10K ;

功率运算放大器的元器件: 集成功放 A386, C1=220uf, C2=0.1uf, C3=10uf, C4=0.1uf,R3=4.7K ? ,RL=8 ? 。

9

4、1、2 实验仪器清单 函数型号发生器,万用表,双踪示波器

5、1

设计心得体会

历时一周的课程设计结束了, 这给我们带来了不可磨灭的深刻印象, 尤其是对于未知的探索,对错误的寻找,这个过程是充满乐趣和成就感的,在连 接电路的过程中,遇到了不少问题,包括原理的理解,实验电路的设计,以及在 电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背,不能出现实验结果的情况,经过 对问题的分析及对线路,对实验器材的进一步调试,才一步步的解决问题,并最 终得出实验结果。 在这一周的课程设计中,我的收获是巨大的,首先,在专业知识的理解与掌 握上更进了一步,通过对所不理解的专业知识的查找,并最终将其理解掌握,而 且融入到设计理念中,这是一个不断成长和成熟的过程。 第二,我学会了怎么去做一个设计者,再设计的过程中,我们必须不断提高, 必须通过不间断的学习来解决一个又一个难题, 更重要的是遇到难题时我们应该 抱有一个平淡的心态,以一个寻求答案的,渴望的思想去找到解决问题的方法, 最终将问题解决。 第三,我明白了怎么去做一个合作者。在一个设计中,一个人的力量是渺小 的,只有在小组成员的共同努力下,才能更好的完成任务,达到设计要求, ,对 待不懂的问题要及时询问,竭尽全力得到自己想要的知识。 第四,我明白了基本的理论知识和实践设计的差别,好多理论上可以执行的 东西有时候是调试不出来的,这时候就要去自己寻找错误,有时候是电路连接,
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有时候是实验设备的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑 战,需要不断的探寻和调试才可以达到目的。 最后,这次课程设计让我得到了很多在课堂上无法获得的知识,以及解决问 题的方法,对我来说,这是一次成功的课程设计,实践,永远是熟练自己知识的 最根本的方法。

6、1
【1】 【2】 【3】 【4】

参考文献
康华光.电子技术基础——模拟部分.北京:高等教育出版社.2006.1 路勇.电子电路实验及仿真.北京:清华大学出版社.2004.1 童诗白 华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社.2005.12 陈明义 电子技术设计实用教程 长沙:中南大学出版社,2002

7、1

实验电路图

前级功放部分电路图

功率运放电路图

11

总电路图

12


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