音频功率放大器电路设计及仿真分析.docx

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音频功率放大器电路设计及仿真分析

音频功率放大器电路设计及仿真分析

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一、实验内容和目的

本实验的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，从而了解音频功率放大电路的基本结构和工作原理，同时也进一步加深对模拟电路中所学知识的掌握和认识，并通过单元电路的分析，了解电路系统设计的步骤和组合方法。

实验中重点要求复习和掌握运算放大器的使用方法，即运放同相比例放大器和反相比例放大器的结构、计算和运用。

同时也要求复习和掌握有源滤波电路的基本结构和原理。

在电路设计中和实验中也需要了解对元器件的选择标准，掌握一些常用元件的性能。

另外，在本实验中还增加了直流稳压电源的内容，要求通过实验掌握直流稳压电源的基本结构、工作原理以及三端稳压器的使用方法，同时复习和加深对桥式整流电路理解。

熟悉Proteus软件的使用方法，掌握该软件的仿真分析方法,同时学会应用Proteus软件分析其他电路，为以后更好的学习电子电路准备条件。

二、实验电路的结构分析

本实验的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，整体功能框图如下图所示：

可以分为音频放大和直流电源两大部分。

其中音频放大电路的功能是将其他电子设备的音源信号进行放大，然后再经过功率放大，最后去推动扬声器输出，简单来说，就是一个扩音器。

直流电源部分则负责将220V的交流电源转换为低压直流电供放大电路使用，同时，为了减小电源波动引起的噪声对放大电路的影响，电源部分采用线性直流稳压电源。

三、直流稳压电源的分析和设计

为了提高直流电源的稳定性，本实验的设计中专门增加线性稳压电路，由三端稳压器7915和7815构成，7915为负三端稳压，7815为正三端稳压。

直流稳压电源的设计图如下：

由上图可知直流稳压电源可输出±15V的电压

1、全桥整流电路

从图中可以看到，220V的交流电源经变压器降压后，由全桥整流电路输出直流，再由稳压电路输出稳定的直流，提供给放大电路使用。

在设计中，音频放大电路需要对称的双电源，因此必须选择次级有三端抽头的变压器，经全桥电路整流和电容C1和C2滤波后，输出对称的正负电源。

在这里需要重点注意的是，变压器次级的中心抽头就是所有电路中的公共地线。

2、三端集成稳压器构成的线性直流稳压电源

要构成线性直流稳压电源，最简单的方法就是采用三端集成稳压器。

这种集成电路块内部完整地集成了采样电路、比较放大、调整电路、保护电路和启动电路等功能，但是外部引脚只有三个端口，分别接输入电源，地，另一个端口输出，其使用十分简单，只要将三个端口按规定接入电路就可以使用。

四、音频放大电路的分析和设计

1、前置放大电路

前置放大电路的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音频信号进行放大并输出。

前置放大器是一个高输入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信号放大电路，实质是一个反相比例放大电路，其电路图如下：

（1）电路输入与输出分析

由上图可知输出信号与输入信号反相，当系统的输入信号电压值为-10mV，输出信号对应电压值为206mV，放大倍数约为20，与前置放大电路的计算值200/10=20（倍）相符。

（2）电路频率响应特性分析

图

（1）

图

（2）

由图

（1）可知，系统的最大频率增益为26.0dB，则截止频率处增益应为26.0×0.707=18.38dB。

依次测量电路截止频率，如图

（2）所示

从电路的仿真结果可知，系统通带频率范围为10～63.7kHz.

（3）电路噪声分析

图

（1）

图

（2）

测量频率为[10,10000]Hz时系统的噪声电压值。

测量系统最大噪声电压，如图

（1）所示，为604nV/

从系统测量结果可知在音频放大器的工作频率范围内，系统的噪声范围为

571nV/

～604nV/

。

（4）电路失真分析

失真分析仿真结果图

测量频率为10Hz、10000Hz时电路二次谐波失真

测量频率为10Hz、10000Hz时电路三次谐波失真

（5）傅里叶分析

输入信号

输入信号为频率为100Hz、幅值为10mV的正弦波信号时输出信号基波增益Vom1=198mV

输入信号为频率为100Hz、幅值为10mV的正弦波信号时输出信号二次谐波增益Vom2=8.62mV

输入信号为频率为100Hz、幅值为10mV的正弦波信号时输出信号三次谐波增益Vom3=2.83mV

此时系统的失真度为：

D≈（8.622+2.832）/1982≈5%

2、二级放大电路

由图可知此二级放大电路由低通电路和高通电路组成

（1）电路输入与输出分析

从模拟图表的仿真结果可知，电路对输入信号进行了同相放大，同时输出信号相位发生了偏移。

放大倍数约为1.51/0.2=7.6。

（2）电路频率响应特性分析

图

（1）

图

（2）

图（3）

由图

（1）可知系统的最大频率增益为1807Db,则截止频率处增益应为

18.7×0.707=13.2Db,据此测量电路截止频率，从电路的仿真结果可知，系统通带频率范围为38.5Hz～2.71kHz。

（3）电路噪声分析

测量频率为10Hz时系统的噪声电压值

测量频率为10kHz时系统的噪声电压值

从系统测量结果可知在音频放大器的工作频率范围内，系统的噪声范围为

75.1～213nV/

（4）电路失真分析

10Hz～1MHz系统二次谐波与三次谐波引起的电路失真。

（5）傅里叶分析

输入信号频率为100Hz、幅值200mV的正弦波信号时输出信号基波增益为1.49V

输入信号频率为100Hz、幅值200mV的正弦波信号时输出信号二次谐波增益为2.11mV

输入信号频率为100Hz、幅值200mV的正弦波信号时输出信号三次谐波增益为1.70mV

此时系统的失真度为：

D≈

（0.002112+0.001702）/1.492≈0.2%

3、音频功率放大器功率放大电路

（1）电路输入与输出分析

模拟仿真参数设置添加输出功率变化曲线

模拟仿真分析结果，从图中的仿真结果可知系统输入信号经功率放大电路后功率被放大。

改变滑动变阻器RV1的参数后模拟仿真结果。

从上述仿真结果可知，系统以恒定功率输入信号，而调节RV1可调节电路输入阻抗。

（2）电路失真分析

电路仿真结果如下图所示

4、音频功率放大电路分析

电路图如下，由前置放大电路、二级放大电路、功率放大电路组成。

（1）电路输入与输出分析

电路输入信号为电压幅度10mV、频率为1kHz的正弦信号，输入-输出仿真结果图，由上图可知电路对输入信号进行了反相放大，放大倍数约为：

4740/10=474（倍），同时还有一定的相位偏移。

（2）电路频率响应特性分析

图

（1）

图

（2）

图（3）

由图

（1）可知系统的最大频率增益为57.2dB，则截止频率处增益应为57.2×0.707=40.4dB。

测量电路截止频率如图

（2）和图（3）。

从电路的仿真结果可知，系统通带频率范围为9.73Hz～10.4kHz。

（3）电路噪声分析

图

（1）

图

（2）

图（3）

从噪声分析仿真结果可知，系统对输入噪声进行了放大。

测量频率为[50，10000]Hz时系统的噪声电压值。

如图

（2）和图（3）所示。

测量系统最大噪声电压值，如图

（1）所示。

从系统测量结果可知在音频放大器的工作频率范围内，系统的噪声范围为

3.41μV/

～21.9μV/

（4）电路失真分析

仿真结果如下图所示

（5）傅里叶分析

输入信号为频率为1kHz、幅值为10mV的正弦波信号时输出信号基波增益Vom1=6.31V

输入信号为频率为1kHz、幅值为10mV的正弦波信号时输出信号二次谐波增益Vom2=7.63mV

输入信号为频率为1kHz、幅值为10mV的正弦波信号时输出信号三次谐波增益Vom3=6.61mV

系统失真度为：

D≈（0.007632+0.006612）÷6.312≈0.16%

（6）音频分析

五、PCB设计

六、实验总结

1、通过本实验使我了解了音频放大电路的基本组成及工作原理，以及直流稳压电源的组成及工作原理。

2、通过本实验电路的设计过程，更加进一步理解了模拟电路中的一些知识，设计电路的过程中，通过各种途径查阅资料，这个过程让我学会很多书本上没有的知识，也加深了对书本知识的理解。

3、熟悉了Proteus软件的使用方法，掌握该软件的仿真分析方法，为以后的学习打下一定的基础。

4、整个实验过程也锻炼了我的动手能力，也让我再次深刻理解知识积累的重要性。

另外，我们学习理工科的一定要注意观察生活中的一些现象，在生活中检验我们所学的知识，在生活中理解我们所学的知识。

如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！