模电课程设计分析解析.docx
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模电课程设计分析解析
2011届课程设计说明书
音响放大器的设计——音调控制+功率放大器
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
何淑珍职称讲师
专业：
电气工程及其自动化
班级：
完成时间：
2013年6月24日
模拟电子技术课程设计任务书
系：
电气与信息工程系年级：
大二专业：
电气工程及其自动化
指导教师姓名
何淑珍
学生姓名
课题名称
音响放大器的设计——音调控制+功率放大器
内
容
及
任
务
一、设计任务和要求
1）设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级；
2）选定元器件和参数，并设计好电路原理图；
3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调测；
4）测试输出功率；
5）测试输入阻抗；
6）撰写设计报告。
二、设计内容
设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级
三、技术指标
额定功率P≥0.3W，负载阻抗为10Ω，频率响应范围为50Hz-20KHz，输入阻抗大于20KΩ，放大倍数≥20dB。
进
度
安
排
起止日期
设计内容
13年5月底
认真理解相关电路知识
13年6月初
设计电路
13年6月中
制作
13年6月底
制作文档，调试
主要参考资料
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）［M］.北京：
高等教育出版社，2011.381-404
[2]罗杰谢自美电子线路（设计·实验·测试）第四版北京：
电子工业出版社，2008.4114-129
答辩成绩
指导教师评阅意见
摘要
这次的模拟电路课程设计题目为音响放大器——音调控制+功率放大器，音响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响放大，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。
本文设计了音响放大器——音调控制+功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用Protel99SE软件设计完成原理图。
通过对所设计的电路进行实验测试，达到了最大输出功率、放大倍数、失真度等技术指标。
具有最大输出功率稳定，工作效率较高，频率响应失真较小，把小信号转变成大信号功能的分立元件功率放大器。
音调控制电路的作用主要是为了满足听音者自己的听音爱好，通过对声音某部分频率信号进行提升或者衰减，使整个的声场更加符合听音者对听觉的要求。
一般音响系统中通常设有低音调节和高音调节两个旋钮，用来对音频信号中的低频成分和高频成分进行提升或衰减。
比较高档的音响设备中多采用多频段频率均衡方式，以达到更细致地校正频响的效果。
在社会当中，功放俗称“扩音机”他的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱防声。
一套良好的音响系统功放的作用功不可没。
功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。
关键词音调控制；功率放大器；功率放大；LM324；LM386
ABSTRACT
Analogcircuitcurriculumdesigntopicsthisforaudioamplifiertonecontrol+poweramplifier--,audioamplifierismainlyusedtodrivetheloudspeakertosound,allelectronicproductssoundingareusedinaudioamplifier,suchasmobilephone,MP4player,notebookcomputer,television,audioequipmenttoourlifeandstudyworkhasbroughtnotalternativeconvenienttoenjoy.
Thispaperdesignstheaudioamplifiertonecontrol+poweramplifier--,usingdiscretecomponentsandtheproductionofpoweramplifiersusingProtel99SEsoftwaretocompleteschematicdesign.Throughthetestofthecircuitdesign,toachievethemaximumoutputpower,gain,distortionandothertechnicalindicators.Withastablemaximumoutputpower,highworkefficiency,frequencyresponsedistortionissmall,discreteelementpoweramplifierintoalargesignalfunction.
Effectoftonecontrolcircuitismainlytomeetthelistentheirlisteningpreferences,throughthepromotionofapartorattenuationofsoundfrequencysignal,sothatthewholefieldismoreinlinewiththerequirementsoftheauditorylisten.Generalaudiosystemwithbassandtrebleadjustmentusuallytwoknobs,forlow-andhigh-frequencycomponentsoftheaudiosignaltoascendorattenuation.Theuseofmultiplefrequencyequalizationmethodrelativelyhigh-endaudioequipment,toachieveamoredetailedcalibrationfrequencyeffect.
Inthesociety,commonlyknownas"poweramplifier"hisroleistoweaksignalfromthesourceorthefrontlevelamplifier,promotesoundsound.Functionofagoodsoundsystemamplifiernot.
Poweramplifieristhemostbasicequipmentinasoundsystem,itisthetaskofthesignalfromthesource（professionalaudiosystemisfromthemixer）oftheweaksignalisamplifiedsoundtodriveaspeaker.
Keyword：
Audioamplifiertonecontrol+poweramplifier--;poweramplifier;LM324;LM386;amplifier。
目录
目录4
1引言1
1.1 引言1
1.2 音响放大器概述1
1.3本课题的目的1
2设计任务及要求3
2.1设计要求和技术指标3
2.2设计思想3
2.3设计方案4
2.3.1音调控制电路的设计4
2.3.2功率放大器的设计4
3各部分电路设计原理及仿真结果7
3.1部分及整体仿真结果7
3.2工作原理总图9
4电路详细设计9
4.1音调控制电路分析9
4.2功率放大电路分析9
5设计成果11
5.1设计成果11
5.2设计特点11
5.3存在问题及改进方法11
结束语12
参考文献13
致谢感言14
1引言
1.1 引言
伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。
音频是多媒体中的一种重要媒体。
人能够听见的音频信号的频率范围大约是60Hz-20kHz其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。
如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。
1.2 音响放大器概述
音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。
1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。
1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negativefeedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。
60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。
晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：
“OTL（OutputTransformerLess）”无输出放大器、“OCL（OutputCapacitorLess）”放大器等。
1.3本课题的目的
功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。
功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有数控机床的电机驱动，有应用于新型磁轴承开关，也有在电力电子控制技术种的应用。
在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。
但所有的功率放大器，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。
而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。
因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。
实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。
同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固四年来所学的知识，在实践中锻炼自己，在锻炼中提高自己专业水平。
2设计任务及要求
2.1设计要求和技术指标
1、技术指标
额定功率P≥0.3W，负载阻抗为10Ω，频率响应范围为50Hz-20KHz，输入阻抗大于20KΩ，放大倍数≥20dB。
2、设计要求
（1）设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级；
（2）选定元器件和参数，并设计好电路原理图；
（3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调测；
（4）测试输出功率；
（5）测试输入阻抗；
（6）撰写设计报告。
3、设计扩展要求
（1）能驱动额定功率P≥8W的扬声器；
（2）电路电压放大级输出阻抗低，能带500Ω负载。
2.2设计思想
音响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。
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。
总体设计思路框图：
2.3设计方案
2.3.1音调控制电路的设计
音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。
因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。
图2.3.1音调控制电路
2.3.2功率放大器的设计
功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。
功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。
目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。
有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多.
由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。
采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组装、调试方便，成本低廉，所以本设计选用集成功放实现。
目前常用的集成功放型号非常多。
经过考虑，本实验采取LM386功放芯片。
是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。
它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。
LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
2.3.2内部电路图
2.3.3LM386应用电路图之增益=20
图2.3.4LM386组成的功率放大器电路实验用电路图
3各部分电路设计原理及仿真结果
3.1部分及整体仿真结果
3.1.1仿真电路图
图3.1.1音调控制电路
图3.1.2功率放大电路
3.1.2整体实验电路仿真结果
3.2工作原理总图
图3.2.1功率放大总电路图
本电路实际上就是对比音频信号进行调节，然后进行功率增加，然后输出。
其原理如图3.2.1所示，前置电路主要完成对小信号的调节。
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。
4电路详细设计
4.1音调控制电路分析
此电路简洁方便实现对音调信号的调节，产生不同的音调。
4.2功率放大电路分析
LM386是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括LM386在内的几种。
我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。
LM386功放芯片。
是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。
它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。
LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
5设计成果
5.1设计成果
在本次课程设计中，通过电路设计，仿真，实际焊接测量，基本能满足要求，在输入信号段输入不同的信号，输出端的喇叭会发出不同的响声，当在输入端接上音乐时，输出端会想起悦耳的音乐，说明设计成功。
5.2设计特点
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。
5.3存在问题及改进方法
如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，我们还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。
然而这乃是在用高投入成本来获得实际效果增加不多。
事实上，当人们把功率放大器的输出功率制做得很巨大时，它也成为中高音单元喇叭的致命杀手！
而且使用级后分频方式，在使用到高中低三个单元喇叭的情况下就开始明显表现不佳，级后分频方式仅能在二分频情况下表现得比较良好。
只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，我们才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果，本次用功放芯片能基本满足课题要求。
结束语
本次课程设计既加强了我们对课本知识的理解，又加强了我们在实践过程中的使用，真正的从理论到实践，从实践中去探讨理论。
在网上我找到了多种设计方案，我根据自己所掌握的知识对该方案进行分析，了解它的工作原理，以及不同情况下的工作状况，接着便开始根据课程设计的具体要求对电路进行修改，并通过计算进行参数设置，在进行参数设置的时候遇到一些小困难，这都是知识不牢固的原因，通过查找资料，小问题也很快解决了。
通过实践使自己的知识更加得到理解，使课本知识真正为自己所有。
因为有的元件市场上不一定买得到，于是我开始在淘宝是搜索所需的元器件，有的元器件没有的，只好找替代品，只要功能差不多就行，这样做有利于提高效率，考虑较周全。
本次课程设计虽然遇到了许多小问题，但通过各种途径，最终都得到了解决，是自己在制作的过程中得到了应有的欣慰，同时对课堂上那乏味的知识有了兴趣，主动的去理解它，使自己获得的知识更多，更透彻，跟深刻。
通过此次课程设计，大大的加强了动手能力，使我明白了所学知识的真正价值，可谓千金难换，只要真正掌握了，就会使我们终身受益，在以后的学习和生活中，我们只要好好利用我们所学过的知识，我们就会过得充实，过得更加精彩有意义。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）［M］.北京：
高等教育出版社，2011.381-404
[2]罗杰谢自美电子线路（设计·实验·测试）第四版北京：
电子工业出版社，2008.4114-129
致谢感言
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。
在这个过程中，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，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。
第四，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。
最后，感谢所有在本次课程设计中帮助过我的老师和同学，没有你们的无私帮助，我可能就不能完成这次任务，谢谢你们！
附录1：
元器件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
电解电容
10uf
5
2
电解电容
100nf
1
3
电解电容
220uf
1
4
电容
10nf
2
5
电容
470uf
1
6
电阻
47k
3
7
电阻
13k
1
8
电阻
10k
2
9
电阻
2k
1
10
电位器
500k
2
11
电位器
10k
1
12
集成芯片
LM324
1
13
集成芯片
LM386
1
附录2：
实物图
升级会员 