音频功率放大器课程设计.docx
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音频功率放大器课程设计
哈哈
电子技术综合训练
设计报告
题目：
音频功率放大器
姓名：
梁一一
学号：
10086
班级：
兰州
成员：
恩恩
指导教师：
哈哈
日期：
2011/12/29
摘要
设计的音频功率放大器完成了音源的切换，音频的放大，音量的调节等功能。
本次设计的只是一个很基本的音频功放，失真度比较大，放大倍数一般，只是实现了一些基本的功能。
关键词：
音频功放，切换，放大，调节
1设计任务和要求
1.1设计任务
设计并制作一个音频功率放大器，将MP3输出的音乐信号放大
1.2设计要求
1.放大器有两个MP3输出输入接口；
2.能够使用电子开关进行音源选择，并且能够用发光二极管指示；
3.放大器设有音量控制，功率放大功能；
4.主要技术指标如下：
（1）额定输出功率：
2×1W（或2×5W）（THD≦0.5﹪）
（2）负载阻抗：
8
（3）输入阻抗：
≧600
5.电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
（注：
直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）
6.按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用版焊接元器件，制作电路，完成调试，测试，撰写设计报告。
发挥部分：
1.设计均衡电路（音调电路）：
2.有电平指示功能。
2系统设计
2.1系统要求
1.放大器有两个MP3输出输入接口；
2.能够使用电子开关进行音源选择，并且能够用发光二极管指示；
3.放大器设有音量控制，功率放大功能；
4.主要技术指标如下：
（1）额定输出功率：
2×1W（或2×5W）（THD≦0.5﹪）
（2）负载阻抗：
8
（3）输入阻抗：
≧600
5.电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
2.2方案设计
设计方案分析
2.2方案设计
通过对毕满清第三版《电子技术课程实验与课程设计》的“音频功率放大器实验”章节的学习及在参阅大量书目的前提下，与同组成员讨论，初步设计方案如下：
方案一采用一般的晶体管分立元件组成语音放大电路，这样虽然能达到题目的基本要求，但是由于电路所用元件很多，会导致结构复杂，调试很难，失真度很大，稳定性不高.
方案二采用专用语音集成芯片构成语音放大电路，这样使得电路结构大为简化，调试安装方便，稳定性得到大幅度提高。
综上所述：
方案一由于电路结构复杂，调试困难，其次作为初次尝试设计电子产品的学生，不易采用。
方案二除了可以满足题目中的基本要求外，还能够大幅度提高系统稳定性，使系统更为经济实用。
经过比较论证，本设计采用第二种方案。
根据推任务要求，设计总电路需要弱信号前置放大级电路和功率放大电路两个基本电路，其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务。
以一路声道为例，该音频功率放大器可由图1所示框图实现。
电路设计方案:
图1音频功率放大器组成框图
2.3系统工
作原理
原理框图:
图2.3.1图2.3.1系统结构框图图2.3.1系统结构框图系统结构框图
弱信号前置放大级
弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。
符合上述条件的集成电路有：
M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534、TL072等。
本系统设计选用TL072，因为同众多的运放相比,NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能。
这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能,较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。
由于MP3有两路信号输入，分别为左右声道，所以放置两路前置放大电路，为后级放大做电压放大。
功率放大级
根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。
由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。
许多优质功放均是分立功放。
但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当，则性能很可能低于一般集成功放，为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。
现在市场上有许多性能优异的集成功放芯片，如TDA2040A、LM1875、LM386等。
集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。
另外集成运放还有性价比高的特点。
本电路中LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。
静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电。
其特点是工作电压范围宽，4-12V或者5-18V，外围元件少，电压增益可调，20-200，低失真度，符合本电路的设计要求。
音源选择
根据题目设计要求，两个MP3作为输入，有音源选择电路控制其中一路的输出。
要求没有延迟，不会有信号的衰减和失真。
而每个MP3有两路信号输入，分别为左右声道，两个MP3有4路信号输入，选择方式一般有机械式，继电器式，电子式。
机械式通过拨动选择开关选通某一音源，继电器式是用继电器及相应的驱动电路代替机械式选择开关，电子式是用电子线路构成模拟式电子开关来选择音源。
机械式虽然电路简单，声道隔离度好，但其对选择开关要求较高，否则频繁的拨动选择开关容易使开关老化，影响整机性能。
继电器式声道隔离度好，但装配较复杂，另外还有一定的电磁干扰，一般采用的不多。
电子式选择电路设计灵活，装配方便，应用比较广泛，许多半导体公司都生产出了这种用途的多路开关电路。
这种方式的缺点是通道隔离度稍低，但在一般情况下足以满足要求。
故本实验采用电子式音源选择电路。
我们学选择CD4066,作为选择电路的核心元件，CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。
CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号端，开关可以相互独立地开断，互补影响。
电源部分
音频功放的电源部分是很重要的组成部分，一般选择稳定的单相桥式整流电路做功放的电源，由于实验室提供了稳定的直流源，经过测试后满足功放系统的设计要求，所以不再详细设计电源部分。
3单元电路设计
3.1前置放大电路
3.1.1电路结构及工作原理
前置放大器
音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。
声音源
的种类有多种，如传声器（音源）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。
一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。
所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。
另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。
对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。
对于音源和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。
前置放大器的主要功能:
一是使音源的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。
由于音源输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。
前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。
由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。
如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。
对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。
图2为前置放大电路原理图。
图2前置放大电路原理图
在前置放大电路元件的选择上，我们选择了低噪声JFET输入运算放大器ＴＬ０７２，以下图３、图4为TL072的封装管脚图和内部结构图：
图3TL072封装管脚图
图4TL072内部结构图
以下是TL072的功能说明表
由于TL072是电压放大型器件，所以在前置放大电路张，TL072用于电压放大。
在参数方面，完全能够满足设计需求，尤其是低内阻特性，较宽的响应频带而且考虑到成本的限制，所以选择了价格较低的TL072做前级核心元件。
在前置放大电路中，TL072分别为差分式放大电路的前级放大器，在原理图中为U1和U2的位置。
由于左右声道原理和元件及结构都相同，所以只以左声道为例，列出原理图及结构图。
在二级放大中想经过电压放大的信号进行电流放大，再二级放大中，使用NPN和PNP三极管分别对差分电路的两路进行二级放大。
三极管型号分别为NPN型2SD667和PNP型2SB647。
3.1.2元器件的选择及参数确定
在前级放大时，首先需要对电压进行放大，综上所述，TL072为电压放大器，所以可以满足设计要求，而且成本较低，所以选择TL072为前置放大电路的核心放大元件。
在二级放大中想经过电压放大的信号进行电流放大，再二级放大中，使用NPN和PNP三极管分别对差分电路的两路进行二级放大。
电容选择：
在音频电路中，信号电容应该越大越好，首先可以对负载进行保护，防止直流渗透进负载，将扬声器烧坏，其次，音效好，可以将低频拉低，有很好的下潜度，和弹性，收放自如。
但在前级没有较大的直流产生，前级的放大接近1，所以前级输出电容选择47μF电解电容，在此注意电容正负极，选择电解电容也不会对后级有较大影响，前级主要起滤波和整理输入信号的作用，在TL072的供电部分，使用47μF电解电容并联一个0.1μF的瓷片电容，在首次调试中，没有瓷片电容，发现，有较多的高次谐波产生，而且负反馈深度不够，所以将之前输入的1000Ω电阻降为200，目的是展宽通频带，在展宽通频带的同时又有较大的放大电压，所以为了减轻放大倍数增高所有可能产生的自激振荡，在TL072第4脚和第8脚各并联一个0.1μF瓷片电容，并联后，效果明显提升，由于放大倍数约为1，所以，放大效果不好，但是相频特性已有较大改观，在用耳机测试时，已有较高的声音素质，高频明亮，但没有冲头感，中频段一般，没有多少特色，低频段，下潜度较好，低频弹性也较好，测试耳机接DT235，音源为笔记本音源，曲目为加州旅馆WAV格式音源。
考虑到负载要求，还需要接后级电路。
因此接入后级放大。
3.1.3前级放大电路仿真
如图5所示当输入正弦波幅值为2V时，经放大电路放大后输出正弦波的幅值为22V（图中纵坐标为每格10V），则仿真结果与计算结果吻合。
图5前级放大电路波形仿真
3.2后级放大部分
功率放大级的作用是将来自前置放大器的信号进行功率放大。
功率放大级可以由集成放大器组成，也可以由分离元件组成，一般后者性能优于前者，但为使实验简单，采用集成功率放大器。
集成功率放大器的种类很多，本系统采用TDA1521A构成集成功率放大电路。
TDA2616是PHILIPS公司生产的双声道功放，可单电源工作，也可双电源工作，在±16V电源时可获得2×12W功率。
内部设置了过热保护及静噪电路，接通或断开瞬间有静噪功能，可以在接通或断开瞬间抑制不需要的输入，保护功放及喇叭。
该集成功率放大电路性能优良，外围电路简单，广泛应用于大屏幕电视机的音频信号放大电路，以及其它音频设备。
TDA2616是TDA1521的替代型号。
其各引脚功能如下：
tda2616引脚功能TDA2616引脚功能及参考电压：
1脚：
10V——信号输入12脚：
5V——静噪（低电平静噪）3脚：
10V——1/2基准电压4脚：
10V——信号输出15脚：
0V——地6脚：
10V——信号输出27脚：
20V——电源8脚：
10V——负向输入端9脚：
10V——信号输入2vc
tda2616引脚功能
TDA2616引脚功能及参考电压：
1脚：
10V——信号输入1
2脚：
5V——静噪（低电平静噪）
3脚：
10V——1/2基准电压
4脚：
10V——信号输出1
5脚：
0V——地
6脚：
10V——信号输出2
7脚：
20V——电源
8脚：
10V——负向输入端
9脚：
10V——信号输入2
图5TDA2616管脚图及管教说明表
3.2.1电路结构及工作原理
、
图6后级放大电路图
3.2.2电路仿真
由于Multisim仿真软件中找不到TDA2616，故我们方针是根据其内部结构，构造出内部元件及其接线方式，以完成TDA2616的仿真。
图7即为搭建的后级放大电路原理图，图8是Multisim仿真出的波形图，当输入波形幅值为100mV时，输出波形幅值为300mV左右，则放大倍数约为31.6倍（增益约为30dB）。
图7后级放大原理图
图8后级放大电路仿真波形
3.2.3元器件的选择及参数确定
图中中接线简单，为TDA2616的典型用法，采用正16V单电源供电。
其中C10、C11为耦合电容，取22nF；C14、C15为滤波电容,取1000uF；R13（取10欧）与C15、R14（取10欧）与C16组成吸收回路（C15、C16可取0.1μF）。
3.3音源选择电路
3.3.1电路结构及工作原理
音源选择电路有两路双刀双掷开关和四双向模拟开关CD4066构成，CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。
CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号端，开关可以相互独立地开断，互补影响。
这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。
CD4066引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。
另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。
与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。
但若应用于采保电路，仍推荐CD4016。
当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如=﹢5V，=﹣5V（均对地0V而言），则输入电压对称于0V的正、负信号电压（﹢5V～﹣5V）均能传输。
这时要求控制信号C=“1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极性的信号电压CD4066的引脚功能下图所示。
每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。
当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。
模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。
模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。
各开关间的串扰很小，典型值为－50dB。
图9CD4066功能图
3.3.2电路仿真
由于CD4066在Muitisim中没有该原件，在电路中CD4066的功能近似于一个双刀双掷开关，所以仿真有一个双刀双掷开关组成。
3.3.3元器件的选择及参数确定
CD4066是四双向模拟开关，集成块SCR1～SCR4为控制端，用于控制四双向模拟开关的通断。
当SCR1接高电平时，集成块①、②脚导通，＋12V→K1→集成块①、②脚→电源负极使K1吸合；反之当SCR1输入低电平时，集成块①、②脚开路，K1失电释放，SCR2～SCR4输入高电平或低电平时状态与SCR1相同。
以及单刀双掷开关2个。
3.4电源
3.4.1电路结构及工作原理
直流电源为放大器各部分电路提供能量。
电路的各部分对电源可能有不同的要求，因此，应根据电路对电压、电流、稳压系数、波纹电压等参数的不同要求来设计直流电源。
本实验中若选择TDA1521A为功率放大器，则选功率放大器电源为±16V，另外，选择±12V为运放供电，逻辑电路电源为+5V，因此，该电路系统的电源电压等级为±16V，±12V，+5V。
在音频电路中，通常功率放大级电流较大，对电源的电压和电流有一定的要求，但对稳压系数和波纹系数要求不高，因此可直接用整流滤波后的直流脉动电压供电，当然，如果要提高音质，可用稳压电源为功放级供电。
一般情况下，前级功耗较小，三端稳压器提供的电流足以满足要求，因此用三端稳压器为前级提供稳压电源，如图3.1.1所示。
图3.1.1电源电路原理图
3.4.2电路仿真
电路仿真如图3.1.2（a）、（b）、（c）所示（a、b图中纵坐标为每格5V，c图中纵坐标每格为10V）。
图3.1.2（a）正5V直流电源仿真图
图3.1.2（b）正负12V直流电源仿真图
图3.1.2（c）正负16V直流电源仿真图
3.1.3元器件的选择及参数确定
滤波电容的容量可由计算而得，但是在工程设计中，一般按经验选取，而且音频功率放大器的电源滤波电容通常选得较大，故图3-20中C17、C18选用4700μF的电解电容器，耐压应大于16×1.4=22.4V，取25V（工程上，电容耐压通常取电路额定工作电压的1.4—2倍以上），C21、C23、C25取220μF，耐压大于12×1.4=16.8V，取25V，C19、C20、C22、C24、C26为高频退耦电容，同时还可以降低电源的高频内阻，一般选取聚酯或聚丙烯电容，要求不高的地方也可选用价格较低的涤纶电容，耐压选63V。
该放大器的功耗主要在功率放大级，小信号部分功耗相对较小，所以估算电源变压器容量时，主要考虑功率放大部分。
该功放额定工作电流IO=1.5A（见TDA1521的DATASHEET），加上小信号电路的功耗，取IOMAX=3A，所以变压器次级输出功率为：
P0=16×3=48W
设变压器效率为=0.8，则变压器输出功率
P=48／0.8=60W
如果两个声道同时使用，则取变压器功率为120W。
电源变压器次级绕组（双绕组）输出电压为Uo=16／1.2=13.3V
取Uo=13V。
故电源变压器可选用120W，次级输出为双13V，或次级输出26V，但有中心抽头的变压器。
保险丝选用1A/250V，整流二极管选用3A/50V。
由于电源有实验室给出，且满足放大电路设计要求，所以讲不在另行设计。
4系统仿真
系统整体电路如所示，其功放输出端仿真波形如图所示。
当输入幅值为30mV时，则输出端波形幅值约为9V。
.
图4（b）系统整体电路仿真图
该图包含了本系统除电源和模拟开关外的所有单元电路。
在使用Multisim进行仿真时，需要从前置放大的输入端送入一个正弦波信号，设定其幅值应为25mV左右，然后再放大级输出端观察所属出的波形信号的幅值为多少。
经仿真后引入探针或者运用示波器观察后得知其输出正弦波的幅值300mV左右，则仿真结果与理论计算的结果相吻合，说明前置放大基本达到了设计要求。
继续在均衡输出端引入探针或者使用示波器观察输出波形的幅值，则可检测到输出正弦波幅值为280mV左右，则说明均衡部分增益稍有损失，可认为其放大倍数基本为1。
同时调节均衡电位器与音量电位器，观察示波器波形变化与波特图仪曲线变化。
最后把探针或者示波器接入功率放大的输出端，检测输出波形的幅值，结果大约应为7000mV左右，则说明功放基本合适。
再把功放输出端接在电平指示的输入端上，观察电平指示的二极管发光情况。
5电路安装、调试与测试
5.1电路安装
5.1.1元件选择
三大模块：
第一模块是RC振荡电路产生正弦波，电压过零比较器产生方波，积分电路产生三角波；第二模块为由cd4051构成的开关电路；第三模块为由74ls148、cd4511、及共阴气段数码管构成的数字信号发生部分。
5.1.2焊接
对焊接点的基本要求 ：
1、焊点要有足够的机械强度，保证被焊件在受振动或冲击时不致脱落、松动
不能用过多焊料堆积，这样容易造成虚焊、焊点与焊点的短路。
2、焊接可靠，具有良好导电性，必须防止虚焊。
虚焊是指焊料与被焊件表面没有形成合金结构。
只是简单地依附在被焊金属表面上。
3、焊点表面要光滑、清洁 ， 焊点表面应有良好光泽，不应有毛刺、空隙，无污垢，尤其是焊剂的有害残留物质，要选择合适的焊料与焊剂。
手工焊接的基本操作方法
1、前准备
准备好电烙铁以及镊子、剪刀、斜口钳、尖嘴钳、焊料、焊剂等工具,
将电烙铁及焊件搪锡，左手握焊料，右手握电烙铁，保持随时可焊状态。
2、用烙铁加热备焊件。
3、送入焊料，熔化适量焊料。
4、移开焊料。
5、当焊料流动覆盖焊接点，迅速移开电烙铁。
掌握好焊接的温度和时间。
在焊接时，要有足够的热量和温度。
如温度过低，焊锡流动性差，很容易凝固，形成虚焊；如温度过高，将使焊锡流淌，焊点不易存锡，焊剂分解速度加快，使金属表面加速氧化，并导致印制电路板上的焊盘脱落。
尤其在使用天然松香作助焊剂时，锡焊温度过高，很易氧化脱皮而产生炭化，造成虚焊。
拆焊的方法:
在调试、维修过程中，或由于焊接错误对元器件进行更换时就需拆焊。
拆焊方法不当，往往会造成元器件的损坏、印制导线的断裂或焊盘的脱落。
良好的拆焊技术，能保证调试、维修工作顺利进行，避免由于更换器件不得法而增加产品故障率。
通过电路设计图。
我们就可以购买器件进行安装焊接，安装时先将各模块器件放上电路板进行合理分配。
分配好后，按照各模块分别连接和检验，待各模块连接好后再总体连在一起。
焊接时要注意先接器件的引脚再接其他导线，准确按照设计图连接，千万不能接错，更不能短路。
焊接注意事项：
待镀面应该保持清洁。
温度要足够高。
要使用有效的焊剂。
要注意焊烙铁的安全使用。
谨防焊接短路。
在焊接过程中要理清接线，必要时做标记。
元器件引线成型注意事项：
所有元器件引线均不得从根部弯曲。
弯曲一般不要成死角，圆弧半径应大于直径的1倍到2倍。
要尽量将有字符的元器件面置于容易观察的位置。
元器件插装注意事项：
贴板与悬空插装。
安装应注意元器件字符标记方向一致，容易读出。
安装时不要用手直接碰元器件引线和印刷板上铜箔。
插装后为了固定可对引线进行弯折处理。
焊接步骤：
1.准备施焊2.加热焊件3.融化焊料4.移开焊锡
5.移开烙铁
焊前处理：
减去多余引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其它力。
检查印制板上所有元器件引线焊点，修补缺陷。
根据工艺要求选择清洁液清洗印制板。
一般使用松香焊剂的印刷版不用清洗。
5.2电路调试
利用5V，15V电源进行调试，将电路板和电源箱正确接线，确保线没接反，输出端可与示波器相连进行调试。
调试是也按每个小模块进行检测。
若出现结果失真，依据理论知识调整参数即可；若连结果都不出现，则要按模块逐个检查电路：
首先检查接线是否有误，再检查是否有短路或虚焊的地方，可用万用表或发光二极管（看二极管是否亮或亮度变化）进行检测。
不断调试，直到成功为止。
调试中遇到的问题：
电路焊接完成后的调试中，波形产生部分出现的问题主要是实际的结果与仿真产生的结果有较大悬殊，主要是器件的参数性能以及周围环境问题导致，而且示波器上的显示出现了跳跃以及毛刺等现象，
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