高保真音频功率放大器.docx

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高保真音频功率放大器

辽宁工业大学

模拟电子技术基础课程设计（论文）

题目：

高保真音频功率放大器

院（系）：

专业班级：

学号：

学生：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2013.7.1—2013.7.12

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电子与信息工程学院教研室：

电子信息工程

学号

学生

专业班级

课程设计题目

高保真音频功率放大器的设计与制作

课程设计（论文）任务

设计参数：

4采用全部或部分分立元件设计一种音频功率放大器。

5额定输出功率

6负载阻抗

。

7失真度

8设计放大器所需的直流稳压电源。

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体案。

对各种案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行案。

3.设计各单元电路。

总体案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

回顾一下功率放大器的发展历程，对广大学生来说也是一件饶有趣味的事情。

半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。

功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率。

当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。

功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。

有用运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。

本设计采用LM324D进行前置放大，再采用甲乙类双电源互补对称电路进行功率放大。

普通信号经由输入端输入到前置放大电路，通过2级同比例放大电路进行前置放大，完成小信号的电压放大任务，LM324D运放具有部补偿功能，短路保护输出。

第一级放大倍数为1+R5/R4=11，第二级放大倍数同为11倍，总体放大倍数121倍，可有效的对小信号进行电压放大。

信号经前置放大初步放大后进入后级功率放大，功率放大采用射级输出，其电压增益为1，输出的电压将保持不变；可对电流进行放大，从而输出电流增大，导致功率放大。

关键词：

LM324D；前置放大；功率放大；甲乙类

第1章高保真音频功率放大器案论证1

1.1高保真音频功率放大器的设计意义1

1.2高保真音频功率放大器的设计要求和技术指标1

1.3总体设计案2

1.3.1案论证2

1.3.2总体案框图4

第2章高保真音频功率放大器各单元电路设计5

2.1直流稳压电源设计5

2.2前置放大级设计5

2.3功率放大器设计6

第3章高保真音频功率放大器整体电路设计7

3.1整体电路图及工作原理7

3.2电路的参数计算与选择8

3.2.1输入级参数的计算与选择8

3.2.2输出级参数的计算与选择8

3.3电路的仿真结果8

第4章设计总结11

参考文献12

附录I总体电路图13

附录II元器件清单14

第1章高保真音频功率放大器案论证

高保真音频功率放大器的设计意义

高保真功率放大技术的发展，使整个音频功率放大技术领域发生了巨大的变化。

现代人对听觉水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，高保真音频功率放大技术克服了这个缺点，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，同时对声音信号进行必要的修饰和加工.

高保真音频功率放大器的设计要求和技术指标

设计参数：

1采用全部或部分分立元件设计一种音频功率放大器。

2额定输出功率

3负载阻抗

。

4失真度

5设计放大器所需的直流稳压电源。

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体案。

对各种案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行案。

3.设计各单元电路。

总体案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

总体设计案

案论证

案一：

简要原理分析

当输出信号处于正半期时，Q1导通，Q3截止，于是Q1以射极输出的形式将信号传递给负载，同时向C3充电，因为C3电容量大1其上电压基本不变，维持在1/2VCC；当输出信号处于负半时，Q3导通，Q1截止，已充电的C3充当Q3的电源，同时放电，Q3也以射极输出形式将信号传输给负载R9，这样在R9上得到了完整的输出波形。

（如图1.1所示）

图1.1完全分立元件阻容耦合多级放大器原理图

案二：

简要原理分析:

采用2个同相比例放大电路对输入电压进行前置放大，小信号经前置放大后，再采用甲乙类电源互补对称电路对功率进行放大，其电压增益接近为1，通过放大电流，从而放大功率。

（如图1.2所示）

图1.2多级前置放大甲乙类互补对称功率放大电路原理图

对于以上两种案均可达到本设计要求。

案一分立元件电路，电路中所用元器件多，成本高，焊接难。

案二中采用LM324D进行前置放大，具有部补偿功能，短路保护输出，后采用甲乙类双电源互补对称电路，可有效的克服交越失真。

通过比较，本设计采用案二。

根据本课题要求，所设计的功率放大器应由以下几部分组成：

直流稳压电源、前置放大及功率放大。

1.电源部分

采用±24V直流稳压电源。

2.信号放大部分

前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的式，作为信号放大。

功率放大电路由甲乙类电源互补对称电路进行功率放大。

总体案框图

+24

+24

初步放大

输入信号

-24

-24

图1.3总体案框图

第2章高保真音频功率放大器各单元电路设计

直流稳压电源设计

基本原理：

变压部分：

通常采用变压器来实现；整流部分：

一般桥式整流可采用4个整流二极管接成桥式，也可以也可采用二极管整流桥堆；滤波电路：

采用电容滤波即可；稳压电路：

可以采用集成稳压电路。

图2.1直流稳压电源原理图

前置放大级设计

前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比。

失真度和噪声对系其统的影响最大，是应该优先考虑的指标。

本设计采用2个LM324D运放对电路进行两级放大，LM324D运放具有部补偿功能，短路保护输出。

第一级放大倍数为Av1=1+R5/R4=11，第二级放大倍数为Av2=1+R8/R7=11，总体放大倍数121倍，可有效的对小信号进行电压放大。

（如图2.2所示）

图2.2前置放大器

功率放大器设计

功率放大器由甲乙类电源互补对称电路构成，可有效的克服交越失真，Q3组成前置放大级，Q1和Q2组成互补输出级。

静态时，在D1、D2上产生的压降为Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。

由于电路对称，有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使输入电压很小，基本上可线性的进行放大。

因此这种激励法增益高，失真小，使输出获足够的激励，故输出功率大，效率高。

（如图2.3所示）

图2.3功率放大器

第3章高保真音频功率放大器整体电路设计

整体电路图及工作原理

220V市电经变压器、整流、滤波输出±24V，用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供电源。

普通信号经由输入端输入到前置放大电路，通过2级同比例放大电路进行前置放大，完成小信号的电压放大任务，LM324D运放具有部补偿功能，短路保护输出。

第一级放大倍数为11，第二级放大倍数同为11，总体放大倍数121倍，可有效的对小信号进行电压放大。

信号经前置放大初步放大后进入后级功率放大，功率放大采用射级输出，其电压增益为1，输出的电压将保持不变；可对电流进行放大，从而输出电流增大，导致功率放大。

（如图3.1所示）

图3.1整体电路图

电路的参数计算与选择

输入级参数的计算与选择

输入级选择2级LM324D对电路进行前置放大。

电压增益Av：

根据虚短和虚断的概念：

Vp=Vn，Ip=In=0，Vi=Vp=Vn=Vf=【R4/（R4+R5）】Vo，从而可得电压增益为Av1=（R4+R5）/R4=1+R5/R4=1+10K/1K=11；

Av2=（R7+R8）/R7=1+R8/R7=1+10K/1K=11；

Av=Av1*Av2=11*11=121。

3.2.2输出级参数的计算与选择

输出级选择甲乙类互补对称电路进行功率放大。

输入信号Vi，经放大倍数为121的两级同比例放大电路放大后输出电压Vo1=121*Vi，因功率放大电路部分是采用射级输出，电压增益接近为1，所以输出电压Vo=Vo1=121*Vi；输出功率Po=（Vo*Vo）/R3。

电路的仿真结果

仿真时，前端输入电压为70mV频率为1000HZ的小信号

图3.2整体电路仿真图

图3.3整体电路仿真波形图

输入电压为90mv频率为1000HZ的小信号。

图3.4整体电路仿真波形图

当输入信号为70mV1000HZ的低电压小信号，理论Po=Vo2/R3=9W。

电路由Multisim仿真后，电路输出电压最大值为10V。

所以Po.=（Vomax/21/2）2/R3=Vomax2/2R3=7W。

当输入信号为90mV1000HZ的低电压小信号，理论Po=Vo2/R3=15W。

电路有Multisim仿真后，电路输出电压最大值为13V。

所以Po.=（Vomax/21/2）2/R3=Vomax2/2R3=10.6W。

因此该电路额定输出功率Po>=10W，符合设计要求。

第4章设计总结

本设计通过案对比选出如下案。

220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放输出±24V，用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供电源。

普通信号经由输入端输入到前置放大电路，通过2级同比例放大电路进行前置放大，完成小信号的电压放大任务，LM324D运放具有部补偿功能，短路保护输出。

第一级放大倍数为Av1=1+R5/R4=11，第二级放大倍数同为11倍，总体放大倍数121倍，可有效的对小信号进行电压放大。

信号经前置放大初步放大后进入后级功率放大，功率放大采用射级输出，其电压增益为1，输出的电压将保持不变；可对电流进行放大，从而输出电流增大，导致功率放大。

采用LM324D运放,LM324适合于电源电压围很宽的电电源使用，也适合用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单双电源供电的使用运算放大器的场合。

具有短路保护输出、部补偿功能、电压增益高、单位增益频带宽等特点。

通过Multisim仿真软件对电路进行仿真后，结果满足设计要求，完成本设计。

参考文献

[1]康华光主编《电子技术基础（模拟部分）》（第五版）：

高等教育，2006.1

[2]亦武编著《放大电路指南》科学技术2004.10

[3]童建华主编《音响设备技术》：

电子工业，2004.9

[4]静波编著《电子技术试验与课程设计指导》：

电子工业，2011.11

[5]黄永定主编《音响技术及应用》：

机械工业，2007.9

[6]汝全主编《电子技术常用器件应用手册》：

机械工业1994.6

[7]惠潮编著《常用电子器件及典型应用》：

电子工业，2007.4

[8]邱关源编著《电路》：

高等教育，2006.5

[9]希才编著《新型稳压电源及应用实例》：

电子工业，2004.1

附录I总体电路图

附录II元器件清单

元器件名称

元器件参数

元器件名称

元器件参数

电阻R1

5KΩ

二极管D1

1N3903

电阻R2

100Ω

二极管D2

1N3903

电阻R3

1KΩ

二极管D3

1N3903

电阻R4

8Ω

二极管D4

1N3903

电阻R5

1KΩ

二极管D5

1N3903

电阻R6

10KΩ

二极管D6

1N3903

电阻R7

1KΩ

三极管Q1

2N1711

电阻R8

10KΩ

三极管Q2

2N2905

电阻R10

5KΩ

三极管Q3

2N2905

电容C1

2.4mF

运放1

LM324D

电容C2

2.4mF

运放2

LM324D

电容C3

10uF

稳压器U1

LM7924CT

电容C4

10uF

稳压器U2

LM7824CT

电容C5

220uF