实用音频功放.docx
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实用音频功放
实用音频功放
1.设计思路
1.1前置放大级
方案一：
二极管放大电路
电路图如图1.1.1：
图1.1.1BJT放大电路
这个电路属于射极偏置电路，它不仅具有电压放大作用，同时由于其具有反馈控制功能，能够自动调节稳定对工作点的影响，稳定Q点。
方案二：
集成运放放大电路
电路图如图1.1.2：
图1.1.2运放放大电路
由于运用了运算放大器UA741，其内部结构中输入级的偏置电路本身构成反馈环，具有抑制零点漂移的功能。
且集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
两种方案的比较：
方案二较方案一好。
我们选择方二。
该实验中要求输出功率大于5W，当只用一级放大时，远远不能达到要求，所以在该实验设计中，我们在前级电压放大中，用了两级运放放大。
如图1.3
图1.1.3两级电压放大
1.2功率放大级
1.2.1甲类功率放大器
工作状态如图1.2.1
图1.2.1甲类
因为甲类放大器的效率最高只有50%，效率很低，一般很少用。
1.2.2乙类功率放大器
工作状态如图1.2.2
图1.2.2乙类
电路原理图如图1.2.3：
图1.2.3乙类功率放大器电路图
乙类功率放大器最大可达到78.5％，但由于二极管的门坎电压，其会产生交越失真。
由此进一步改进，改为甲乙类功率放大器。
1.3甲乙类功率放大器
原理：
给两个晶体管加入正向偏置电压，使之处于微导通状态。
原理电路图如图1.3.1：
图1.3.1利用二极管进行偏置得互补对称电路
上面偏置方法是其偏置电压不易调整。
可以把电路图改为图1.3.2
图1.3.2利用Vbe扩大电路进行偏置的互补对称电路
上图只要调节R3,R4就可以改变三极管的偏压值，这在集成电路中经常用到。
但是有个缺点就是当考虑温度等外在因素的影响时，电路输出不稳定，因此可以改进为图1.3.3
图1.3.3引入负反馈的放大电路
上图引入了反馈，当稳度使得Vk点电压发生变化时，反馈电路会自动调节似的电路稳定，使电路的动态性能指标得到改善。
1.4总方案
由以上图形分析得到总方案为图1.4.1
图1.4.1
2．方案比较与选择
2.1方案一
电路原理图如图2.1.1：
图2.1.1
初级放大直接采用BJT进行电压放大。
输出波形图2.1.2：
图2.1.2
初级BJT放大器：
将输入信号10mv进行一级放大，通过耦合电容耦合到晶体管BJT基极进行放大，恰当选择参数基极偏置电阻R1=11K，R10=22K，集电极电阻R2=910Ω，是静态工作点工作在线性放大区，射级接一小的电阻R11＝51Ω，然后再接一并联的电阻R15和电容C7（主要考虑交流可以有适当的负反馈，不使静态工作点进入饱和区）。
二级集成运放放大：
SMALL-SIGNALCHARACTERISTICS（小信号特性）
V（OUT）/V_Vi=0.000E+00
INPUTRESISTANCEATV_Vi=1.000E+20（输入阻抗＝1020K）
OUTPUTRESISTANCEATV（OUT）=1.591E-03（输出阻抗＝1.596×10-3Ω）
可以看出输入阻抗远远大于100k，可见满足了输入阻抗的要求。
满足负载电阻要求RL＝16Ω，从上图可以看出最大输出功率可以达到>5w的要求。
由于功放我们采用的是甲乙类功放，所以选择恰当的静态工作点就可以很容易达到要求。
但是
TOTALHARMONICDISTORTION（总谐波失真）=2.095109E-01PERCENT（20.95109％）
TOTALHARMONICDISTORTION=2.130520E-01PERCENT（21.30520％），也就是失真系数超过到了工程要求的最大失真不超过10％的要求，所以此方案不选择。
2.2方案二：
电路原理图如图2.2.1：
图2.2.1
输出波形如图2.2.2：
图2.2.2
本电路运用前级集成运放和二级集成运放组成两级电压放大，采用运放特点，其虚短、虚短的原理，一级电压放大可达到约30倍，二级电压放大也可达到约30倍，而且此级的电压放大运用到了电压串联负反馈，不但放大了所需电压，更重要的是提高了设计的稳定性，使输出电压趋向于维持恒定，增益恒定，非线性失真达到最少，抑制了反馈环内噪声，扩展了通频带，更重要的是此设计的负反馈了提高了输入电阻，降低了输出电阻，提高了负载能力。
偏置电路由PR2、R4、R11和Q3组成，此设计可以较好克服交越失真。
加入了可调电阻，使工作在甲乙类的功放有了可调偏压值。
本电路功率推动级选择两级达林顿管作为末级功放管，此设计主要承担电流放大任务，由于此级Q1、Q5和Q2、Q4组成的达林顿管功放等效为双射级输出，承担电流放大和阻抗匹配任务，因此可以满足末级功放要求。
偏置电路加入已经将原来存在的交越失真完全克服了，有仿真软件可以得到下面的失真大小只有
TOTALHARMONICDISTORTION=2.129112E-02PERCENT（总谐波失真=2.129112E-02%）
也就是只有2.129％，而且还有调整空间，最小可达到2％以下，完全满足工程要求的小于10％。
设计指标为：
功率发大器部分：
最大输出功率Pom>5W（正弦输入Ui=10mV）时；
负载电阻Rl=16Ω;
效率>50％；
输入阻抗Ri>100kΩ;
电源部分：
输出电压Uo=5V，12V，－12V；
最大输出电流Iomax＝1A；
以上参数都达到了要求。
综上所述，方案二电路比较简洁，调整方便，可兼顾多方面的指标要求，所以选择此方案二。
3.电路仿真与分析
我们针对方案三进行了仿真以及详细分析，分析结果如下。
3.1电路暂态分析
输出电压和输出功率波形如图3.1.1
图3.1.1
从图中可以看出最大输出功率Pom>5W，输出电压在10V左右（正弦输入Ui=10mV），Pspice仿真还可以得到下面的失真大小只有
TOTALHARMONICDISTORTION=2.129112E-02PERCENT（总谐波失真=2.129112E-02%）
也就是只有2.129％，而且还有调整空间，最小可达到2％以下，完全满足工程要求的小于10％。
3.2交流小信号线性化模型参数
SMALL-SIGNALCHARACTERISTICS
V（OUT）/V_VIN1=0.000E+00
INPUTRESISTANCEATV_VIN1=1.000E+20
OUTPUTRESISTANCEATV（OUT）=5.909E-04
从这个文本文件输出可以看出集成运放是工作在晶体管的线型放大区，V1两端输入阻抗为1020欧姆，Vout输出阻抗为5.9×10－4欧。
3.3噪声分析
选择频率在10Hz—1GHz之间，输出噪声波形如图3.3.1
图3.3.1
从图3.3.1中可以看出，等效输入噪声信号源，输出噪声频谱在10MHz之前都是0。
而我们做的是低频功放，频率只是在30~300kHz之间，所以我们的噪声已经得到了完全抑制。
图3.3.2
图3.3.2中，DB（V（out）/V（onoise））=－600保持恒定，而且不随频率的变化而变化，说明噪声已经在负反馈中得到了较好的抑制。
图3.3.3中加入了温度分析，设为27，50，75，但SNR不变，稳定度很高。
图3.3.3
3.4
主要电路的设计与计算
3.4.1电源设计原理图
如图3.4.1.1：
图3.4.1.1
直流输出波形图3.4.1.2：
图3.4.1.2
3.4.2输出额定功率及增益分配
考虑到功率要求Po（max）>5W，由于负载为16
，则要求输出正弦波幅值为
＝
=
12.65V
由于输入正弦波幅值为10mv，电压增益就要约A（vo）＝12.65/10*10-3＝1265，后级功率放大采用闭环电压串联负反馈，电压增益Av2
40，前置放大级电压增益为：
Av1＝1265/40
30。
因此前级电压放大级采用两级。
3.4.3前级放大级设计
前级放大级主要完成小信号的电压放大任务，其失真和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。
据此两级放大器都设计为带有串联负反馈的放大器。
第一级电压增益约为30倍，第二级约为40倍。
考虑到输入失调电压，失调电流的影响，小信号和第一级之间采用电容耦合，为了稳定一二级之间大信号的稳定，中间也采用电容进行耦合。
考虑到输入电阻和输入失调电流的影响，所以在一级放大器前接120K电阻，二级放大器接15K电阻，在仿真当中这两个参数的改变对失真系数影响很大，所以确定120K和15K，失真可达到2.2%以下。
3.4.4运放的选用
在本设计中，运放使提供电压增益的主要器件，为了保证前置级具有低噪声、低失真和高输入阻抗，市场上常用器件要求，选用高性能的集成运放。
这里我们选用的是uA741。
3.4.5功率放大器的设计与计算
如图3.4.5.1
图3.4.5.1
考虑到一级功率管电流放大倍数的限度，因此采用两级达林顿管功放。
两级之间为了避免大电流的直接影响，中间接了R3和R12进行一定的限流，以免烧坏后级功率管。
而偏置电路的作用是给第一级功放管适当的偏置电压以避免交越失真，仿真没有偏置电路将产生严重的交越失真，功率管无法工作。
本级偏置最大的特色是利用并联电阻接晶体管基极进行调节，使灵敏度大大提高。
偏置电路后级输出仿真当中会有点毛刺，但是加入了10u电容之后波形变得很光滑，毛刺现象消失。
仿真效率计算，直流电源仿真功率图3.4.5.2
图3.4.5.2
直流电源功率
Pv＝U＋＋U－＝1.9418W＋1.8926W＝3.8344W
电阻输出功率仿真图3.4.5.3
图3.4.5.3
所以输出平均功率
Po＝（5.9978W＋6.1177W）/2=6.05775W
=（Po/Pv）*100%=3.8344/6.05775*100%=63.297%>50%
所以达到并超过了输出功率的要求。
4．电路板制作、焊接、调试
4.1电路板的制作
步骤一：
放置元件
（1）放置元件
注意：
所选元件必须有封装类型。
（2）元器件封装
注意：
元件的封装形式有很多种，注意选择合适的。
入骨情况允许的话，尽量选择封装面积小的，这样占板的面积就小。
在批量生产时，能减少成本
（3）连线
（4）元器件编号
注意：
无论是单张还是多张图纸设计，都绝对不允许两个元件具有相同的流水序号。
（5）原理图校正
画出的原理图如图4.1.1
图4.1.1
步骤二：
生成PCB图
（1）电气边界和机械边界的添加
（2）原理图的元器件连接表的载入图4.1.2
图4.1.2
（3）元器件布局
注意：
易受干扰的元件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
要按照电路得流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信
号尽可能保持一致的方向。
一般电路应可能使元件平行排列，这样，不但美观，而且焊接容易。
合理的布局可使自动布线更加容易简洁。
布局如图4.1.3
图4.1.3
（3）布线规则的设定
（4）自动布线
注意：
输入和输出断的导线应尽量避免相邻平行。
最好添加线间地线，以免发生反馈耦合。
在工艺允许的情况下，导线宽度可尽量宽。
我们选用了0.8～0.9mm。
如图4.1.4
图4.1.4
（5）给焊盘加泪滴
（6）修改PCB的大小
步骤三：
制作感光板
（1）打开需要制作感光板的PCB文件，点击打印预览，进入预览模式。
（2）在预览模式中右击，选择pagesetup,进入进行一定的设置。
（3）再次在预览模式中右击，选择[configuration……]，打开相应对话框，进行设置。
（4）我们这里是做单面板，所以选中Holes复选框，双击TopLayer,三个选项全部选择Hide,再双击TopOverLayer，也是全部选择Hide。
（5）打印PCB图。
如图4.1.5
图4.1.5
PCB板的3D效果图：
如图4.1.6
图4.1.6
（6）用电熨斗把图印到电路板上。
注意：
烫的时间长短以及是否均匀非常关键。
经过大家的经验，一般可烫15～25分钟。
（7）腐蚀。
水，盐酸，双氧水的比例为2：
1：
1。
注意：
一定要比例合适，且腐蚀时间不能太长也不能太短。
太长容易过腐朽，太短又容易造成腐蚀不完全，容易造成断路。
我们在腐蚀过程中，由于腐蚀不是很完全，善留有铜点，只要把有可能引起导线断路的点去掉就行了。
（8）钻孔
注意：
钻孔时必须对准焊盘，且尽量做到快，才不会使钻孔过于大。
（9）擦去墨漆
注意：
尽可能沿这线路的方向擦。
3.2电路板的焊接
（1）焊接前摆好器件，注意管角是否接对。
（2）焊接的时候要非常小心，要确保器件一次到位，否则要拆除重焊，非常麻烦。
（3）焊接错误时，在吸锡时要非常小心，因为铜不大稳固，极易脱落。
（4）由于三级管三个管角太接近，焊接非常困难。
可在钻孔时，把孔间距离适当调大，焊接时只要把导线与孔用锡焊接起来就行了。
3.3电路板的调试
（1）实验过程中，开始时输出没反应，我们用万用表检查电路是否导通或短路，各级排除错误。
（2）在调节变位器是，发现无论怎么调节波形都没变化，经过检查才知道原来是在绘制protel波形图时，变位器上面的调节端不用连线。
（3）插上电源后，经过一段时间，发现输出又为零，经过检测，发现三级管间竟然导通，原来是三级管烧坏，重新换上一片新的。
（4）调试过程中，发现输出与仿真值有非常大的偏差，这与标称值同实际电阻值的误差有关。
（5）插上电源后，发现后级三级管根本没有发热，经过仔细检查，发现是两个三级管封装类型出错。
5.讨论及进一步研究建议
本级偏置最大的特色是利用并联电阻接晶体管基极进行调节，使灵敏度大大提高。
偏置电路后级输出仿真当中会有点毛刺，但是加入了10u电容之后波形变得很光滑，毛刺现象消失。
电路中采用负反馈，可大大提高电路的稳定性，使输出波形误差大大减小。
进一步减小非线性失真，重点是进一步提高电源电路的性能。
另一方面对元件的精选也可以达到这一目的。
因为电路中非线性失真主要由有源器件产生，古有源器件的优选可以使非线性失真降低。
提高效率的方法最明显的是采用特殊的放大电路。
例如丁类功放的开关式功率放大电路可以把效率提高到85％以上。
6.课程设计心得
这次实验的选择做低频功率放大器，本身就是一个很大的挑战。
因为涉及到模拟电子线路部分，难度比较大，要考虑的因素比较多。
且大部分同学都选择数电的题目：
抢答器。
这意味着可以互相参照讨论的范围极小。
在课程设计的过程中遇到种种困难，比如原理图设计中为了达到实验要求，大到放大级的选择，参数的选择范围，小到偏压的设计，每一步都是经过精心设计，反复推算才得到的，留有很宽的裕度，尽量使得实验结果完善。
在仿真过程中也对orcad这个软件更加熟悉，且知道了它的一些以前我们所不知的功能。
如在暂态分析中，可以文本信息中看到它的失真系数：
在偏压电分析中，可看到输入输出阻抗的值。
等等。
在制板过程中，自学了proteldxp软件，对各个细节问题都得仔细考虑，如布局，布线，导线大小，焊盘，泪滴等等。
在自学的过程中，掌握了这个软件的使用与实际情况下应考虑的问题。
也掌握了腐蚀过程的小技巧。
在调试过程中，发现了实际过程与仿真有很大的偏差，这不仅与元器件的实际值与标称值的误差有关，而且与实际外在因素与仿真过程中的理想化偏差有关。
在调试过程中，通过波形输出结果，一步一步排除各种错误，更换元器件，是结果向理想结果靠近。
在本次设计过程中，我们受益匪浅。
最重要的一点是让我们明白了团队精神的重要性。
合理分工，团结合作，互相讨论，每一个成员在这次设计过程中都是不可缺少的。
设计过程中，虽然困难重重，也曾在设计初期想过放弃，但是我们最后还是选择坚持，相信凭着我们的努力一定能够设计出来的，正是拼这这股信念才让我们坚持到最后。
在这个过程中，有时由于组员意见不统一，但最终都能够在和谐的基础上到达统一。
各个项目设计中，有过坎坷时的烦闷，有过成功时的喜悦，最难得的是我们三个组员的相互鼓励与支持，结果虽然不能完全达到目的，但是我们都在这个过程中学到很多的东西，不仅仅是知识上的，而且在团队的合作上。
结果并不太重要，过程更能体现这次设计的目的。
最后，非常感谢学院提供给我们这次设计的机会。
希望学院多组织这样的课程，让我们在学习理论知识的基础上，加强我们的创造力与动手能力，更加牢固得掌握学习的知识，甚至课堂上没学到的知识，真正做到学以致用。
Low-frequencypoweramplifier
Abstract：
Amplifiernotonlyconsumerproduct（sound）,anindispensableequipmentMeasurementandcontrolsystemisalsowidelyusedinthesystem.Isalow-frequencypoweramplifiertechnologyisalreadyquitematurefields,forthepastseveraldecades,peoplehavebeenmakingunremittingeffortsbothfromthelinetechnologyorcomponents,andthethinkinghasachievedconsiderableprogress.Thispaperpresentsasimple,practical,low-costproductionofthelow-frequencypoweramplifierdesign.andtheactualtestresultsofthestudytoproducelow-frequencypoweramplifiertoprovideapracticalprogram.Poweramplifiercanbecomposedofdiscretecomponents,integratedcircuitscanbecompleted.PAcomposedbydiscretecomponents,circuitwellchosenandappropriateparameters,andcomponentssuperiorperformance,theproductionwelltesting,IntegrationisabetterperformancethanthePA.Thispaperintroducestheabilitytoproducelow-frequencypoweramplifiersmallsignalamplificationtothebasicprinciples,programs,technologyline,orcadsimulation,ProtelDXPPCBproductionandweldingtests.Thewholecircuitfromthemainpowersupply,pre-amplifier,poweramplifierconsistsofthreetypesofcomponents,thecircuitissimple.selecteddeviceprices,andtestresults.Experimentalresultsshowthatthepoweramplifierinbandwidth,distortion,soefficiencyisabetterindicator,higherutilityandThepoweramplifierdesignforabroadideas.
Keywords:
poweroperationalamplifier,powerBJT,Distortion
参考文献
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高等教育出版社.198_253
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4庄渊昭.2005.实用低频功率放大器.电子世界.第5期:
1～53
5谷丽华，辛晓宁，么旭东.2004.实用低频功率放大器的设计.电子世界.第1期.1～54
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