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功放课程设计
模拟电子技术课程设计报告
1.设计题目:
音频功率放大电路
2.设计任务和要求:
要求:
设计并制作一个音频功率放大电路(电路形式不限),负载为扬声器,阻抗8
。
基本指标:
频带宽50HZ~20kHZ,输出波形基本不失真;电路输出功率大于2W;
输入灵敏度为100mV。
3.整体电路设计
3.1.1功率放大器:
从能量控制和转换的角度看,功率放大器与其他放大电路的本质上没有根本的区别,只是功放既不是单纯追求输出高电压,也不是单纯追求输出大电流,而是追求在电源电压确定的情况下,输出尽可能大的功率。
3.1.2功率放大电路的主要指标:
功率放大电路的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。
3.1.3功率放大器的类型:
常见的功率放大器有:
A类(甲类)放大器,A类(甲类)放大器,是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器;B类(乙类)放大器,B类(乙类)放大器,是指器件导通时间为50%的一种工作类别;AB类(甲乙类)放大器,AB类(甲乙类)放大器,实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合,每个器件的导通时间在50—100%之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平,该类放大器的偏置按B类(乙类)设计,然后增加偏置电流,使放大器进入AB类(甲乙类);C类(丙类)放大器,C类(丙类)放大器,是指器件导通时间小于50%的工作类别。
除了以上4类常见的类型外,其实还有其他的类型,在这就不一一列出。
3.2.1方案比较与选择
1.运用晶体管设计。
下面是一个用晶体管设计的15W纯甲类功率放大器。
电路分析如下,实验电路看如图1。
图1
由VT1、VT2组成差动放大电路。
R3为VT1的集电极负载电阻,VT1与推动级VT4之间为直接耦合。
输出级由两只型号相同的NPN型大功率晶体管VT5、VT6组成。
输出管VT6对于负载(扬声器)来说是共发射极电路,而VT5则是射极输出电路,因此是不对称放大。
VT4为集-射分割式倒相电路,分别由其集电极和发射极输出一对大小相等、方向相反的信号。
VT4对于输出管VT6来说为射极输出电路,电压放大倍数小于1。
从VT4集电极输出的信号通过交流电阻很小的发光二极管VD1,加到输出推动管VT3的基极。
VD1的正向导通压降约为1.9V左右,可看作一个噪声很小的稳压二极管,它使得VT3的发射极电阻R7两端的直流电压UEC基本不变,约比VD1的稳压值小0.7V。
对交流信号而言,R7是与VT3的发射结电阻相并联的。
VT3和VT5组成同极性达林顿式复合管。
因此推挽放大的上臂是由一级共射放大电路(VT4)和二级射极输出电路(VT3、VT5)构成的,而推挽电路的下臂是则由一级射极输出电路(VT4)和一级共射放大电路(VT6)构成,可见是不对称的推挽放大电路。
优点:
(1)功率输出管的电流放大系数不需配对;
(2)频率响应好;(3)输出电压幅度大。
缺点:
(1)差分电路的对称点难易调制,难达到差模输入的目的;
(2)晶体管的配对选择和参数的选择比较难配和。
2.运用集成运放设计。
通过TDA2030,LM386,LM2877等集成运放来设计。
下面是一个采用UA741运算放大器设计的功率放大电路。
如图2所示:
图2
如上图所示,运算放大器UA741为电路的驱动级电路,而四个晶体管构成功率输出级由双电源供电的OCL互补功放对称电路,为了克服交越失真,由二级管和电阻构成输出级的偏置电路,使输出级工作于甲乙类状态,而且电路引用了电压串联负反馈,稳定了输出电压和功率增益,减小了失真。
优点:
(1)输出功率肯能很大;
(2)输出电压幅度大;(3)所需元器件简单,电路简单。
缺点:
(1)频率响应不太好,受反馈放大倍数的影响;
(2)运放工作时散热问题要处理。
比较两种类型的放大电路,最后我选择的用运放设计的功率放大电路。
因为采用运放的功率放大电路更容易实现,需要的元件更少,同时采用运放的计算更容易让人懂,而用晶体管设计的试调比用运放的设计的难,运放可以代替多数的晶体管,让电路更简洁。
4.电路原理
4.1整体电路框图:
整个电路有偏置电路,驱动级运算放大电路,电路保护,信号输入,信号输出,负反馈这几部分组成。
其电路的整体电路框图如图3所示:
图3
4.2工作原理和理论数据计算:
本次模电设计的电路图如图4所示:
图4
1.电路分析:
本次设计采用单电源的OTL电路,OTL电路不需要变压器中间抽头,但需要在输出端接上大电容,故在输出端接入C32.2mF的大电容。
驱动级电路采用了两个TDA2030对信号进行放大,两个放大的倍数都不会很大,因为要保持频率带的宽带。
信号是从运算放大器TDA2030的同相输入端输入,而电路又引入了电压串联负反馈电路,所以驱动级作为了一个同相比例运算放大器,对输入信号进行放大。
图中R4,R3,C2,R8,R7,C6构成交流负反馈,控制交流增益,对于音频信号,可以近似地认为C2,C6短路,故功放的增益为1+R3/R4=1+47k/4.7k=11约为11倍;1+R8/R7=3.98约为4倍,总的放大倍数为4*10=40约为40倍。
而对于直流信号,可认为C4断路,所有输出信号到负反馈,故直流增益为1。
对于OTL电路,静态时要保证输出电压为1/2倍VCC,所以由100K电阻R1,R2组成偏置电路,对VCC进行分压,这样就可以把输入端的电位抬高到1/2的VCC。
C1是输入耦合电容,同交流,阻直流。
R5,C7对8Ω的扬声器进行相位补偿。
D1和D2采用1N4001二极管,作用是保护芯片免受扬声器的感应电压而损坏。
C5为滤波电容,C6为高频退耦电容。
2.电路组成部分:
电路由偏置电路,驱动放大电路,负反馈电路,保护电路,相位补偿组成。
下面图5为信号输入和偏置电路,图6为驱动放大电路和负反馈电路,图7为保护电路,输出电路和相位补偿电路。
图5偏置电路图6驱动放大电路和负反馈电路图7保护电路和相位补偿电路
根据模电所学的知识得出:
输出电压:
反馈系数:
电压放大倍数:
输出功率:
代入电阻的阻值得出:
输出电压
电压放大倍数
3.原件清单:
元件
数量
型号
电阻R=100k
R=100
R=4.7K
R=47K
R=120K
R=20K
2
1
1
2
1
1
1/4W碳膜式电阻
1/4W碳膜式电阻
电容C=100nF
C=1uF
C=220uF
C=2.2uF
C=10uF
C=2.2mF
2
1
1
1
1
1
瓷片电容
电解电容
运算放大器TDA2030
2
集成运放
二极管
2
1N4001
TDA2030介绍:
1脚是同相输入端
2脚是反相输入端
3脚是负电源输入端
4脚是功率输出端
5脚是正电源输入
图8
TDA2030特点:
1、开机冲击极小;2、外接元件非常少;3、TDA2030输出功率大,Po=18W(RL=4Ω);4、采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度;5、TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率,THD≤0.1%;6、内含各种保护电路,因此工作安全可靠。
主要保护电路有:
短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接(Vsmax=12V)以及负载泄放电压反冲等。
5.Multisim仿真
1.当输入信号
=100mV,输入频率f=1KHz,直流电源电压为15V,负载电阻为8
时,测得波形如图9:
图9
由图可得:
由此算出,
,符合设计要求。
2.设计电路的通频带宽数值可以由波特图示仪观察得出,如图10所示:
图10
如图所示,频率
频率
。
由此算出,频率带宽
,符合设计要求。
3.设计电路的通频带输出波形和输入波形:
从波形图8我们可以知道,放大倍数不是刚好40倍,而是大于40倍,与理论值有一定的差异。
6.电路焊接及电路试调
1.在焊接前,先对电路板进行初步布局,整理好焊接的线路,尽量简洁,而且不使用跳线。
2.在焊接原件时,不能把电烙铁停留太久,以防烧坏原件,特别在焊接TDA2030的时候。
3.焊接完后,要用万用表检查电路,检测是否出现短路,断路的情况,同时检查点解电容是否的正负极是否接错,发现问题的及时改正。
4.检查完后,将电路接入15V至18V电压,用示波器观察电路波形。
5.输入有效值为100mV的电压,讲频率由50Hz调至20KHz。
观察波形是否失真,观察输出的峰-峰值,并记录好数据。
7.实测数据
频率
50Hz
1KHz
20KHz
理论数据
11.313V
11.313V
11.313V
实测数据
11.003V
12.346V
11.023V
实测得出:
实测数据基本符合要求,而且波形在50Hz到20KHz里不失真。
8.误差分析
误差的来源主要有系统误差(固有误差)和偶然误差(随机误差)。
而产生系统误差的原因有:
仪器本身的缺陷、理论公式和测量方法的近似性、环境的改变和个人存在的不良测量习惯等。
系统误差来源有工具误差、装置误差、人身误差、外界误差、方法误差等。
偶然误差主要是某种未知的偶然因素对实验者、仪器、被测物理量的影响而产生的。
本设计中,最主要的误差是TDA2030在工作时的发热量影响的电路的运行。
TDA2030在15V的电压下工作产生大量热,会影响运放内部的原件,使运放参数有所改变,所以TDA2030的散热问题是主要的误差来源;另外在焊接电路时,锡线使用不当,使用太多的锡线会导致电路的电阻增大,影响结果;还有元件的放置,一些元件并排在了一起或者靠得很近,这样会产生原件间的影响;最后的是,在买元件时没有考虑电阻和小的瓷片电容的功率限制,有些元器件是有功率限制的,没有考虑上,例如这次选择的电阻是1/4W碳膜式电阻,在功率方面可能不太足够,这也是对电路的影响之一。
9.总结和心得体会
在这次课程设计中,一开始我是通过网络寻找资料,然后对找到的功率放大电路进行细致分析,再用Multisim进行电路的仿真。
在仿真过程中出现了不少问题,我通过查找书本的知识,用理论来分析出现的问题。
发现Multimis仿真的结果是与理论是有出入的,同时也让我明白不能太信赖仿真的软件,现实和理想是存在差距的。
知道仿真的结果不太可靠后,我就按照书本的理论和网上收集的资料进行了电路的重新设计,最后还做出了实物。
做出实物后,我多次跑去实验室测试,虽然结果不太理想,经常出现一些问题,不过最后在多次修改后,还是成功地完成了由TDA2030组成的音频功率放大器。
这一切让我知道,只要你用心去做一件事,最终的结果是不会辜负你的。
这次课程设计对我来说是一个很好的锻炼机会,让我能够充分地利用所学过的理论知识,将理论知识和现实实践相结合。
除了这个,我查找资料的能力,分析电路的能力,设计电路的能力都有所提高,让我明白实践才是检验真理的唯一途径。
在这三个多星期中我受益匪浅,不单单是模拟电子方面的知识更加巩固了,而且还大大的拓宽了我的知识领域,同时还发现自己的不足之处。
在学习理论知识的同时还要注重自己的动手能力,只有通过实践得来的知识才是真正属于自己的。
总之,通过这次课程设计让我意识到自己以前所学的知识是远远不够的,如果我想要有更大的发挥空间,我就要不断地去学习和实践,只有两者相结合,才是最快的进步路途。
参考文献:
1、童诗白、华成英,《模拟电子技术基础》
2、赵淑范王宪伟,《电子技术实验与课程设计》
附录:
电路总图
电路装配图,正面:
电路装配图,反面: