湖南工程职院毕业设计论文模板理工类1.docx
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湖南工程职院毕业设计论文模板理工类1
湖南工程职业技术学院
HUNANENGINEERINGPOLYTECHNIC
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
音频放大器的设计
系 部：
信息工程系
专业：
电子信息工程技术
学生姓名：
黄洁琴
班级：
31091-1
学号200903111007
指导教师姓名：
周少华
职称
职称
最终评定成绩
信息工程系
二○一二年六月制
第一部分毕业设计（论文）开题报告
第二部分设计说明书
2009届
毕业设计（论文）资料
第一部分毕业设计（论文）开题报告
湖南工程职业技术学院
毕业设计（论文）开题报告
（2009届）
系 部：
信息工程系
专业：
电子信息工程技术
学生姓名：
黄洁琴
班级：
31091-1
学号200903111007
指导教师姓名：
周少华
职称
职称
2012年6月8日
题目：
音频放大器的设计
进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。
从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。
陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。
所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器。
音频功率放大器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声元器件获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声元器件，使原声响重现。
其电路一般可分为两部分，前一部分进行小信号电压幅值放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相连。
一般扬声器的阻值较低，仅有8
左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电脑的有源音箱大多采用这种方式。
音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。
音频范围为约20Hz～20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应（驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。
根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。
音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。
正向电压增益通常很高（至少40dB）。
如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。
因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力（PSR）来降低电源噪声，所以经常采用反馈。
长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类（甲类）和AB类（甲乙类）。
其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类（乙类）电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。
所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类（甲类）。
随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。
就放大器的类别而言，已不限于A类（甲类）和AB类（甲乙类），而出现了更多类别的放大器。
而本论文是根据音频发达器的基本原理设计的简易的音频放大器，以此来加强对应用电子的了解，增强自己的专业能力，为以后的就业打好基础。
2.选题依据、主要研究内容、研究思路及方案
音频放大器主要应用是对音频信号进行功率放大，整个电路主要由稳压电源，前置放大电路，二级放大电路，滤波器，功率放大电路共五部分构成。
稳压电源只要是为前置电路，功率放大器提供稳定的直流电源。
前置放大电路是对电压的放大，二级放大电路是对电压的继续放大，滤波器主要是出去噪音，功率放大器是对电流、电压的放大。
设计并制作具有弱信号放大能力的低频放大器,要求设计出电路并对电路仿真，验算是否满足技术指标；设计出对应原理图的印刷电路板；最后调试电路。
音频放大电路主要包括四个方向：
（1）设计小信号放大器，5伏
（2）设计并制作交流变换为直流的稳定电源
（3）计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波
（4）设计并制作一滤波器
3.工作进度及具体安排。
设计题目按题意由三个块电路组成：
前置放大器、功率输出放大器和直流稳压供电电路。
一．音频放大器电路设计：
1．设计放大电路：
向负载提供功率的放大电路。
2.设计直流稳压电源：
将50Hz的电网电压轮换成身外稳定的电压和电流，从而满足负载的需要。
直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。
3.设计滤波器：
使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分。
二．音频放大器PCB板的设计
1.设计印制线路板：
元件的布局、布线
三．1、仿真实验：
电路硬件设计仿真环境下的验证，取得相应设计功能的验证效果，得到相应的测量参数，效果图。
2、绘制Proter电路制版设计图：
电路设计好后，应及时绘制Proter制版设计图，要求元件布局合理，尽量在一块单板上完成电路系统。
尽量减少跳线，合理安排。
3、电路测试：
应根据实测元件参数，确定电路测试项目及各部分参数理论值，应设计好测试方案，及时调节元件，找出问题并加以解决。
4.指导教师意见。
指导教师：
年月日
教研室意见
教研室主任：
年月日
说明：
开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效。
2009届
毕业设计（论文）资料
第二部分设计说明书
湖南工程职业技术学院毕业设计（论文）
音频放大器设计
系（部）：
信息工程系
专业：
电子信息工程技术
学号：
200903111007
学生姓名：
黄洁琴
指导教师：
副教授
2009年6月
摘要
本论文根据所学专业知识设计简单的音频放大器，第一部分介绍了音频功率放大器的发展，接着介绍了音频放大器的设计及PCB制作过程。
其中包括放大电路的设计，由前置放大和功率放大组成；分别介绍了其工作原理，电路设计，器件的选择。
稳压电源的设计，输出±18V的直流稳定电压；滤波器的设计，滤去50Hz电源干扰，及25KHz以上的无用信号。
为了检验以上电路设计是否合理，此次设计还包括了波形发生器的制作。
在论文的第三部分，还介绍了PCB板的设计。
另外本文还附有多种电路图和各种元器件的参数表格，在论文的最后还附有参考文献。
关键词：
放大器、滤波器、滤形发生器、稳压电源、PCB板
第一章绪论
1.1音频功率放大电路的发展……………………………………1
1.2设计的总体要求………………………………………………1
1.3设计的目的和意义……………………………………………2
第2章音频放大器的设计
2．1单元电路的设计……………………………………………3
2．1．1放大电路的设计………………………………………3
2．1．2直流稳压电源的设计……………………………………5
2．1．3波形发生器的设计………………………………………7
2.1.4滤波器的设计…………………………………………9
2．2音频放大器的总体设计……………………………………11
第3章音频放大器PCB板的设计
3．1印制线路板的设计………………………………………14
3.1.1设计印制线路板的条件…………………………………14
3.1.2元件的布局………………………………………………14
3.1.3布线………………………………………………………14
3．2音频放大器印制线路板的设计……………………………15
结论…………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………18
第1章绪论
1.1音频功率放大电路的发展
上世纪50年代开发成功的晶体管代表着音频放大技术的巨大飞跃。
但晶体管技术至少有两个重大缺陷。
尽管它比电子管更有效率，但实际上基本未触动上游信号。
第二个问题是，要想经济性的批量生产晶体管，就必须大幅放宽这些元件的误差标准，从而导致信号失真上升或者音质下降。
当时由于使用的是质量相对较低的存储媒体、不够完美传输和接收技术，音质下降的问题还不太明显，但现在情况已完全不同。
集成电路的发展为提高音质提供了一个物美价廉的手段，并有力促进了电子产品的小型化。
模拟放大器是绝对线性的，由于电源总处于接通状态，会消耗大量的电力，因此必须使用大量的散热器件。
这种几乎不考虑能耗问题的做法根本不适合目前电池供电的产品和外形小巧的家庭音响及家庭影院系统。
由于所有的音源都是模拟的，听得见的背景噪声限制了可重复的动态范围。
令人高兴的是，嘶嘶的背景噪声对动态范围的限制作用远不如突发噪音那么厉害。
九十年代中期以来，随着采用数字技术处理音频信号技术的出现和成熟，尤其是计算机软硬件技术和多媒体技术的日趋完善，各种性能优、功能齐、质量好和自动化程度高的数字化产品纷纷面市。
一股采用数字音频技术和设备代替传统的模拟音频产品的浪潮，在国外发达国家的推动下，正在我国广播电视界逐步形成，预计到二十一世纪初叶将会全面替代传统的模拟音频产品。
1.2设计的总体要求
本设计题目按题意由三个块电路组成：
前置放大器、功率输出放大器和直流稳压供电电路。
其中最重要的是功率输出放大器的设计。
整个放大电路的设计要有2到3级的放大才能达到额定输出功率P≥10W的要求。
在额定输出功率PO=10W时，在RL=8Ω上的正弦输出电压幅值为
V=√2×P×RL=√2×10×8=12.65V
假设输入正弦波幅值为最小值5mA时，则整个放大器的电压增益为
Av=20lgV/Vi=20lg12.65/5×0.001=68dB
68dB的增益在2-3级放大器中分配也比较烦琐。
通常的功率输出级的增益为20dB左右，前置放大级要承担48dB以上的增益。
显然，必要时前置放大级需要用两级放大器来实现。
目前的集成工艺已经相当发达，现在已有装用的低频前置放大器集成电路，其增益可在100dB左右。
放大器的噪音通常来自元件的噪音、电路高频自激噪音和电源产生的交流噪音。
元件噪音对低频功率放大器而言，往往是极小的，所以不考虑。
而高频自激和来自文雅电源的交流噪音就是主要的。
所以，要消除或降低这类噪音电平，首先必须在电路中防止产生自激振荡。
其次是设计好支流呀电源，尽量降低稳压电源的输出纹波电压。
1.3设计的目的和意义
本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用家用电器的内部电路结构，从而为以后的学习和工作作好知识保障。
另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。
这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。
第2章音频放大器的设计
2．1单元电路的设计
2．1．1放大电路的计
在多级放大电路中，输出信号往往都是送到负载，去驱动一定的装置。
例如，飞机中的扬声器，电动机控制，计算机监视器或电视机的扫描偏置线圈等等。
多级放大电路除了应有的电压放大级外，还要有一个能输出信号功率的输出级。
这类主要用于向负载提供功率的放大电路被称为功率放大电路。
1、工作原理
放大电路包括前置放大电路及功率放大电路集成运放构成前置放大电路，为提高其输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，采用同相放大电路结构。
为了尽可能保证不失真放大，采用两级运放电路。
为提高整个低频功放电路的直流稳定性，电路实行直流负反馈。
采用互补复合管推挽输出电路，着对提高线性、降低波形失真都有作用。
此电路的可调节性好，对于符合要求的不同晶体管均可调节。
5mV~10mV的小信号经过U1、U2两个运放放大一千倍以上，使其达到所要求的电压幅值，再经过Q1、Q2及二极管和电阻组成的功放电路将功率放大，并加到负载上。
为了使输出电压达到12.6V以上集成运放的放大倍数以及最大输出电压幅值必须足够大。
电路中的C1、C2、C3及R3，R5，R7构成低通，滤去低频部分的信号。
原理图如图2.1：
2、元器件的的选择
CA3140是集成放大器，它的放大倍数为320000倍，最大输出电压可达20V以上
输入电阻大，带负载能力强。
表1CA3140的主要参数表
输入失调电压
输入失调电流
开环差模增益
共模抑制比
最大输出电压
转换速率
差模输入电阻
静态功耗
2~7V
3~50MA
320000
60000
VCC-1.5V
32
6
》20
三极管选择的是大功率管其参数如下
表2D44H10的主要参数
型号
直流参数
交流参数
Icbo（mA）
Bf
Vces（V）
Icm（A）
BVceo（V）
D44H10
2.25e-13
155
3．5
4．49e-10
10
D44H11
6.25e-13
148．195
3．48
2．03e-10
10
二极晶体管选择的中1N5400，其参数在下面的2.1.2中的表5中列出
电容如何选择已在下面2.1.2的表6中列出
2.1.2直流稳压电源的设计
在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一能量来源，稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压轮换成身外稳定的电压和电流，从而满足负载的需要。
直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。
指标中要求放大器的带宽BW大于（50～10000Hz），对50Hz的低频响应就要求各级的输入耦合电容和输出耦合电容足够大，特别是耦合到负载RL=8欧的电容CL要求很大。
CL按如下关系估算1/WcL<所以CL>>397.89U，为满足耦合要求，CL应大于1/WC的50倍，即必须选用CL=19894.5uF。
如此大的电容无法选用，所以只能采用没有输出电容CL的所谓OCL电路。
这样电源供电应采用对称双电源。
1、工作原理
市电U1经过变压器降压后得到交流电压U2，交流电压U2经过单项桥式整流电路后获得直流电压U，为了不使电路中产生电压突变的情况，还要经过滤波电路，把电容和负载电阻并联以便吸收脉动电流，并使输出电压保持平稳，经过整流滤波电路之后的输出电压的我们所求的直流电源还有相当规模的距离，为了能够更加稳定直流电源，我们在整流滤波电路后还要经稳压电路稳压，这样应得到了我们所要求的直流电压。
其电路图如图2.6：
图2.6
输入电容C3、C2用于抑制纹波电压，输出电容C4、C5用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。
同时由于输出电容C4C5的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器。
其整流过程如下：
图2.7
2、器件的选择
LM318及LM319是三端稳压器，它的输出电压可调、稳压精度高、输出纹波小，一般输出电压为18V，最大负载电流为1.5A，电路内部设置过流保护、芯片过热保护及调整管安全工作保护，它的工作温度为0~125℃主要如表1所示。
表3LM7818的主要参数表
电压调整率
电流调整率
工作温度
静态电流
耗散功率
最大输出电流
输出电压
偏差
输出电压
360mV
360mV
0~125
8MA
1．2W
1A
0.692～0.748V
17.3~18.7V（T（j）↓=25℃）
表4LM7918的主要参数表
电压调整率
电流调整率
工作温度
静态电流
耗散功率
最大输出电流
输出电压
偏差
输出电压
360mV
360mV
0~125
8MA
1．2W
1A
0.692～0.748V
-17.3~-18.7V（T（j）↓=25℃）
D1~D6都选择了IN5400型号的晶体二极管，其主要参数如下表2所示。
表5IN5400晶体二极管的主要参数
正向直流电压
热阻
总电容
最高结温度
1V
18℃/W
50PF
125
表61N5712晶体三极管的主要参数
集电极-发射极反向截
集电极-发射极连续压
共发射极静态电流放大
共发射极特征频率
共发射极输出电容
集电极-发射极反向击
集电极-基极方向击穿
耗散功率
<=0.1μA（V（CE）↓=20V）
<=0.5V（I（C）↓=100mA）
>=40（V（CE）↓=1V&I（C）↓=10mA）
>=150MHz（V（CE）↓=6V&I（C）↓=2mA&f=30MHz）
<=6pF（V（CB）↓=6V）
>=30V（I（C）↓=0.01mA）
>=40V（I（E）↓=0.01mA）
300x4
C2、C3为极性电容，其选择要考滤两个因素。
一个是容量的选择，通常是根据负载电流I的大小来确定的，一般来说，负载电流大，电容量也要大一些，反之亦然。
下表三可作为电容容量的参考
表6
I0
2A左右
1A左右
0．5~1A
0．1~0.5A
50~100MA
《50MA
电容容量
4000
2000
1000
500
200~500
200
其次要确定电容的耐压值，耐压值选小了，会因过压而击穿，选大了会增加体积和成本，可按下式确定电容C的耐压值Uc：
UC>√2U2
C4，C5为普通电容。
2．1．3波形发生器的设计
信号发生电路又称信号源或是振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
例如有通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频、视频信号或是脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频信号的振荡器。
任务要求
【1】具有产生正弦波的功能。
【2】输出波形的频率范围为10~20KHz。
【3】输出波形范围为0~5V。
1、工作原理
图2.8
上一个方框为放大电路，下一个方框为反馈网络，反馈极性为正。
当输入为零时，反馈量等于净输入量，如图2.8所示。
由于电扰动，电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率，而如果电路只对频率为f0的正弦产生正反馈过程，则输出信号:
X0↑→Xf↑（Xi’↑）→X0↑↑
在正反馈过程中X0越来越大。
由于晶体管的非线性特性，当X0的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值上将减小。
因此，X0不会无限制地增大，当X0增大到一定数值时，电路达到动态平衡。
这时，输出量通过反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入量，而输入量又通过放大电路维持着输出量，写成表达式为
X0=Af*X0
也就是说正统波振荡的平衡条件为
Af=1
为了使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至
平衡在一定幅值的过程，电路的起振条件为
Af>1
电路把除频率f=f0以外的输出量均逐渐衰减为零，
因此输f=f0出量为的正弦波。
电路图为：
2.1.4滤波器的设计
滤波电路是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。
在实际的电子系统中，外来的干扰信号多种多样，应当设法将滤除或衰减到足够小的程度。
而在另一些场合，有用信号和其它信号混在一起，必须设法把有用信号挑选出来。
为了解决上述题采用滤波电路。
一般情况滤波电路均处于主系统的前级，用它来作信号处理，抑制干扰等。
上世纪60年代以后，集成运放获得了迅速发展，形成了由有源器件的RC滤波网络组成的有源滤波电路。
任务要求
设计并制作一滤波器实现
【1】10~20KHz的带通滤波，增益为一。
【2】50Hz干扰抑制
要求分析
抑制50Hz的电源干扰，需要制作一个带阻滤波器。
还要制作一个带通滤波器，滤去10Hz以下，20KHz以上的波形，但前面介绍的功率放大电路已将10Hz以下的波形滤去了，现只要作一个低通滤波器，滤去20KHz以上的波形就可以了。
与无源滤波器相比较，有源滤波器有许多优点。
1它不使用电感元件，故体积小，质量小，也不必屏蔽。
2有源滤波电路中的集成运放可加电压串联深度负反馈，电路的输入阻抗高，输出阻抗小，输入与输出之间具有良好的隔离。
所以本电路采用有源滤波电路。
1、工作原理
图2.13
如图所示为RC低通滤波器，当信号频率趋于零时电容的阻抗趋于无穷大，故通带放大倍数
Aip=Uo/Uo=1
当频率趋于无穷时，电容的阻抗趋于零，通带放大倍数
Aip=Uo/Ui=0
即只有低频的信号才能通过，即为低通。
低通电路图如下：
因电源频率为50Hz对信号有干扰，所以设计一个带阻滤波电路
滤波器的总体电路图如图2.20：
2、元器件的选择
表7LM741的特性参数
输入失调电压
输入失调电流
开环差模增益
共模抑制比
最大输出电压
转换速率
增益带宽
静态功耗
0．8mV
6UV/C
200000
80000
12V
0．7
1．5GB
120
所用电容的选择已在2.1.2中的表6中已例出。
2．2音频放大器的总体设计
音频放大器由前面讲到的前置放大和功率放大，直流稳压电源，滤波器及波形发生器组成。
信号经滤波器滤去无用或干扰的频率成分。
再由放大器利用电源提供的能量放大，再由功率放大将其功率放大，用一个扬声器等就可以听到声音了。
音频放大器系统电路图如图所示。
图2.22
1、工作原理
直流稳压电源电路通过变压，整流，稳压，波波等环节将市电（220V，50Hz，交流）转换成18V的直流稳定的电压。
供给各个集成运放提供偏置电压，供给功放电路提供偏置电流。
使其能正常工作。
所以所有运算放大器的电源电压都为18V，功放提供的偏置电压也为18V。
波形发生器依靠电源提供的能量经自激振荡产生正弦波，正弦波经过调节幅值得到10mV左右的信号，提供给电路。
通过调节两组变阻器可以随意调节输出波形的频率和幅值。
信号输入时，先经过滤波电路，首先将高于22KHz的人耳无法听到的信号滤掉或衰减掉。
然后再通过带阻滤波电路将50Hz的电源干扰滤掉，这时就只剩下人耳可以听到的信号波。
这些信号通过第一个运放后，电压幅值放大33倍输给下一个运算放大器，并且因放大电路带有滤波电路，所以20Hz以下的信号被滤去。
再经过第二个运算放大器，将信号再放大36W倍，这时电压的幅值发已到12V左右，最后通过功率放大器，将功率放大提供给负载即扬声器或是耳机等。
最终音频放大的过程完成。
第3章音频放大器PCB板的设计
3.1.1设计印制线路板的条件
1.具备电路原理图
2.已知印制线路板板面需要容纳的电路以及该电路内各种元器件的型号、规则和尺寸。
3.明确各元器件和导线对印制板板而安排的特殊要求
4.确定印制线路板在总体布局中的位置及其连接形式以及对印制线路板板面的尺寸限制或要求等式逻辑。
3.1.2元件的布局
就一般情况而言，元件布局应从以下几方面考虑：
1.分析面上的元件应按原理图顺序成直线排列，并力求安排紧凑、密集、以缩短引线。
2.能采用单面板的应尽可能使用单面板
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