基于Proteus的音频放大器电路设计与仿真.docx
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基于Proteus的音频放大器电路设计与仿真
毕业论文
学生姓名
尹有友
学号
171107078
学院
物理与电子电气工程学院
专业
电子信息工程
题目
基于Proteus的音频放大电路设计与仿真
指导教师
付浩副教授/学士
2015
年
5
月
论文原创性声明内容
本人郑重声明：
本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
本论文除引文外所有实验、数据与有关材料均是真实的。
尽我所知，除了文中特别加以标注与致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
摘要：
音频放大电路具有电路元件多，电路逻辑规模大等特点，本文针对音频放大电路在设计时遇到的参数匹配性低、电路调试复杂等问题，借助PROTEUS仿真软件平台设计了一种效率较高、操作简单的音频放大电路系统。
该电路系统由前置放大模块、音量控制模块、功率放大模块等模块组成，通过调整电路元件及其参数，在PROTEUS软件平台对各电路模块进行电路设计与仿真分析。
本电路在PROTEUS仿真环境下最终可以使电路将微弱的音频信号进行高效率地放大、传输，实现音频放大的功能。
该电路系统模块设计简单、结构清晰，成本低，对于生活中扩音器、功放设备等诸多领域中具有很好的推广价值。
关键词：
音频放大电路，Proteus，仿真测试
Abstract:
Audioamplifierhasacircuitelement.Thescaleofthelogiccircuitandothercharacteristics,thispaperforaudioamplificationcircuitencounteredinthedesignofparametersmatching,circuitdebuggingcomplexetc.,withProteussimulationsoftwareplatform,designsakindofhighefficiencyandsimpleoperation,audioamplificationsystem.Thecircuitsystemiscomposedofpreamplifiermodule,toneadjustmentmodule,poweramplifiermodule,throughadjustingcircuitcomponentsandparameters,intheProteusSoftwarePlatformofeachcircuitmoduleofcircuitdesignandsimulationanalysis. InthePROTEUSsimulationenvironment,thecircuitcanamplifyandtransmittheweakaudiosignalinhighefficiency,andrealizethefunctionofaudiofrequencyamplification.. Thecircuitmoduleofthesystemdesignissimple,clearstructure,lowcost,hasgoodpopularizationvalueforlifeamplifier,poweramplifierequipmentandmanyotherfields.
Keywords:
Audioamplifier,Proteus,Simulationtest
2Proteus软件及其对实验教学的意义4
2.1Proteus软件4
2.2基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义4
3.2系统总体框架图5
4.4电源模块8
5.1.1.1电路组成9
5.1.1.2电路测试与分析10
5.2.1.1电路组成10
5.2.1.2电路测试与分析10
5.2.3电源模块13
5.2.4音频放大电路14
1前言
音频放大器是音响系统中的关键部分，普遍应用于日常生活中，具有很强的实用性，其主要功能是将微弱的音频信号进行放大、传输，最终以足够的强度去推动扬声器使原声重现。
音频放大电路是模拟电路中一个典型的综合性设计题目，它包含了功率放大器、前置放大器、电源等音响电路中经常涉及的电路，也涉及到电压、功率放大、容抗，阻抗匹配，负反馈与频率响应等重要概念与知识点。
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件与虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。
在编译方面，它也支持IAR、Keil与MATLAB等多种编译器。
本文以音频放大器的设计为例，介绍基于Proteus仿真技术[1-3]的音频放大电路的设计与仿真。
2Proteus软件及其对实验教学的意义
2.1Proteus软件
Proteus的ISIS是一款电路分析实物仿真系统,提供了30多个元件库,8000多种元件,以及各种虚拟仪器与图表分析[4],非常利于仿真电路的测量与调试。
2.2基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义
负反馈放大电路、集成运放的应用、功率放大电路及直流稳压电源是模电课中最重要的几个知识点。
因此,本课程的实验教学设计思路是:
采用项目驱动的方法,即以音频功率放大器的设计为例,将其分解为前置放大模块、音调调节模块、功率放大模块及直流电源模块4个项目,贯穿于平时的实验教学过程中,既验证了各个独立项目包含的基本应用电路,又能让学生通过对参数的调整、结果的分析加深对电路的工作原理等知识的掌握。
在课程设计环节则将已验证的电路转化为一个实际的产品,充分的锻炼动手能力,以达到最终的教学目的。
在整个实验教学体系中,应用Proteus技术具有如下几个意义:
1）由于Proteus仿真中的各种虚拟测试仪器,如示波器、信号源等的操作方法与实际使用十分相似,有助于熟悉并掌握常用电子仪器的使用与测量方法。
2）Proteus验证如负反馈放大电路、功率放大电路等经典电路及其结论非常方便,甚至可以通过声卡输出音频效果,有助于获得更直观感性的认识,加深对整个音频电路工作原理的理解,从而激发对课程的学习兴趣,调动学习的主动性。
3）应用Proteus仿真技术,可搭建感兴趣的各种应用电路,在仿真环境中验证电路可行性后,再进行硬件操作,既减少了硬件耗材成本,又培养了学生自主创新的能力。
4）当对所学的理论知识如何应用、应用在哪里完全没有概念时,就形成了理论与实践的脱节。
以Proteus为教学媒介,在设计—仿真—实操的过程中,引导修改器件及其参数,通过对数据的分析,寻求问题产生的原因及解决的方法,更好地将理论与实践联系起来,实现从教学到实际工程应用的过渡。
3音频放大电路系统设计
3.1设计要求
（1）具有音量调节的功能；
（2）每个声道具有10W的功率放大；
（3）双电源供电。
3.2系统总体框架图
由于音频信号源的输出幅度设计性能，不足以满足功率放大器输出额定功率，因此第一级为前置放大电路，主要是信号源进行阻抗匹配并实现一定的电压放大。
第二级为音调控制电路，主要是对信号进行适当的音色处理，实现高低音的提升与衰减。
第三级为功率放大电路，实现电路技术指标要求。
最终可确定整个音频放大系统[5]由3级构成，如图3-1所示。
图3-1音频放大电路系统结构框图
3.3总体设计图
可以将音频放大电路分解为前置放大模块、音调调节模块、功率放大模块及电源模块4个项目,将项目驱动教学法与Proteus仿真技术相结合,贯穿于整个实验教学过程中。
整个系统的电路设计框图如图3-2所示。
图3-2音频放大电路设计图
4功能模块的设计
4.1前置放大模块
在音响系统中，特别是进行大功率放大时，功率放大器对输入信号有一定的要求，太弱的输入信号功率放大器是“不理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加一级或多级前置放大器，将小信号的幅度放大到适合的范围，再由功率放大器进行进一步的能量放大。
前置放大器电路可以采用多种方式实现，如：
晶体管构成的前置放大电路，集成运算放大器构成的前置放大电路[6]。
晶体管构成的前置放大电路，经过一段时期的使用，放大作用会减小或消失，当三极管穿透电流过大或c-e级漏电时，会产生噪声，有时前置放大管还会出现击穿短路现象，使本级失去放大能力。
在本文中，采用集成前置放大器电路。
由于两个声道的电路图是一致的，现以左声道为例进行介绍，如图4-1所示。
图4-1前置放大器原理电路图
在图4-1中，信号流从左往右，即左边的VLin是左声道的输入端，接MP3播放器等音源，而右边的IO2是左声道的输出端，电压增益为2。
4.2音量控制模块
音调控制模块的电路如图4-2所示,核心芯片选用素有“运放之王”之称的NE5532,具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能,其高速的转换性能大大改善了电路的瞬态性能,较宽的带宽则保证信号的低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。
采用负反馈型音调控制电路,由R5～R11,C2～C6组成选频网络与运NE5532组成电压并联负反70馈式音调控制放大电路,由RＶ1、RＶ2、RＶ3分别实现高音、中音、低音调节,实现不同频段提升与衰减功能,达到控制的目的。
图4-2音量调节电路
4.3功率放大模块
音源的信号经过前置放大器后即进入功率放大器进行能量的提升，以便驱动扬声器工作还原声音信号。
常用的功率放大器有ClassA、ClassAB、ClassD，其中ClassAB在音响系统中应用最为普遍，本文采用ClassAB放大器进行设计[7]。
同时，在选择功率放大器之前要考虑扬声器的功率有多大，如果输出功率大于扬声器的额定功率，扬声器就有被破坏的危险；反之，扬声器就有些浪费了。
本文设计的功率放大器是一个小功率放大器，输出功率为10W。
功率放大器电路如图4-3所示。
其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后进入ClassAB放大器中进行功率放大。
两对互补管Q5与Q6、Q7与Q8组成的ClassAB放大器可向8Ω扬声器输出9.5～11.5W的功率。
通过调节电位器R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该10W放大器的低音效果得到提升或抑制。
在图4-3中既有集成电路（NE5532），又结合了分立式的ClassAB放大器（Q5、Q6、Q7、Q8），体现出集成电路与分立式元件协同工作的优势。
图4-3功率放大器电路图
本文用一个小功率放大器改进设计，如图4-2所示。
其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后，进入ClassAB放大器中进行功率放大。
两对互补管Q5与Q6、Q7与Q8组成的ClassAB放大器可向
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