音频功率放大器pspice分析.docx

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音频功率放大器pspice分析

本科生毕业论文（设计）

音频功率放大器的PSPICE分析

院系　电信学院　　　

专业　　电气信息类　　

班级　　　本科四班　　　

组号　　第二组　

指导教师　　姚宁　职称：

　讲师

2010年12月

摘要

数字音頻功率放大器是一种将输入模拟音頻信号变换成PWM（脉冲亮度调制）的脉冲信号，然后用PWM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音頻功率放大器。

本文设计的D类功率放大器是，它由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器等四部分组成。

输入信号形成电路经PWM处理，将输入信号的振幅变化变换成脉冲宽度的变化;功率开关电路采用以MOS-FET功率开关器件的全桥式控制方式;全桥方式是由两条对角线上的管子工作状态相反轮流通断。

可采用功率损耗小的LC型滤波器。

关键词：

脉冲宽度调制全桥逆变电路死区时间

Abstract

DigitalAudioPowerAmplifierissuchaamplifierthatadoptPWMoftheinputaudiosignalorPCMdigitalinformationtransformationintoaPWM（pulsebrightnessModulation）orPDM（pulsedensitymodulation）signalpulse，ThenPWMorPDMsignaltothecontrolpulsehighpowerswitchingdevice/OffAudioPowerAmplifier

ThispaperdescribesthedesignoftheClassDpoweramplifier，itfromtheinputsignalprocessingcircuit，switchsignalformingcircuit，High-powerswitchingcircuitandalow-passfilterinfourparts.InputsignalformedbythePWMcircuit，theinputsignalamplitudechangesconvertedintopulsewidthchanges.SwitchingpowercircuitusedtoMOS-FETpowerswitchingdevicesbridgecontroltheentireway.Bridgeapproachofthetwodiagonaltube.UsesmallpowerlossLC-filter.

Keywords：

Pulsewidthmodulator，Full-bridgeinvertercircuit，Deadtime.

一、绪论

功率放大器（简称功放）的作用是给音频放大器的负载RL（扬声器）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，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。

音频放大器的目的

是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。

音频频率范围约为20Hz～20kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应。

本设计中要求设计一个实用的音频功率放大器。

在输入正弦波幅度=200mV，负载电阻等于8Ω的条件下最大输出不失真功率Po≥2W，功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz，在最大输出功率下非线性失真系数r≤3%。

驱动级应用运算放大器μA741来驱动互补输出级功放电路，功率输出级由双电源供电的OCL互补对称功放电路构成。

为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。

为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。

本课程设计是一个OCL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电。

综合了模拟电路中的许多理论知识，巩固了用运放和三级管组成电路的应用，负反馈放大电路基本运算电路的性能与作用。

本设计报告首先对音频功率放大器进行了简单的介绍，选择放大电路的设计方案。

选择好合理的方案后对电路的基本构成进行了分析，设计出电路图并且分析该电路，按照课程设计任务书对参数进行分析计算使电路的参数满足设计要求。

并且通过ORCAD软件设计出电路图，并对所设计电路工作原理进行分析。

利用ORCAD软件对所设计的电路进行模拟与仿真分析分别对静态工作点，瞬态波形分析，频率分析等，对ORCAD进行了一定的简介。

二、音频功放的设计

音频功放的性能指标

音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高。

非线性失真尽可能小。

功放的性能指标参数如下：

（1）灵敏度

对放大器来说，灵敏度一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音箱施加1W的输入功率,在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的声压值。

（2）阻尼系数

负载阻抗与放大器输出阻抗之比。

使用负反的晶体管放大器输出阻抗极低，仅零点几欧姆甚至更小，所以阻尼系数可达数十到数百。

（3）反馈

也称为回授，一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路放大倍数的技术。

负反馈

导致放大倍数减小的反馈称为负反馈。

负反馈虽然使放大倍数蒙受损失，但能够有效地拓宽频响，减小失真，因此应用极为广泛。

正反馈

使放大倍数增大的反馈称为正反馈。

正反馈的作用与负反馈刚好相反，因此使用时应当小心谨慎。

（4）动态范围

信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差.对器材来说,动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力。

（5）响应

频率响应

简称频响，衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。

对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。

瞬态响应

器材对音乐中突发信号的跟随能力。

瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就嘎然而止，决不拖泥带水。

（6）信噪比（S/N）

又称为讯噪比，信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数表示。

设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。

（7）屏蔽

在电子装置或导线的外面覆盖易于传导电磁波的材料，以防止外来电磁杂波对有用信号产生干扰的技术。

（8）阻抗匹配

一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。

对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。

音频功放的特点

音频功率放大器的特点：

1、输出功率足够大——为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。

2、效率要高——功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。

3、非线性失真要小——功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。

uA741功放电路的功能介绍

其电路图如下图如下，这是由集成运放与晶体管组成的OCL功放电路如图2-1所示。

其中运放为驱动级，晶体管Q3—Q6组成复合式晶体互补对称电路。

R5、R7用于减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆到几百欧姆。

R11、R12为负反馈电路，可以改善功放的性能，一般为几欧姆R8、R6称为平衡电阻，使Q5、Q6的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。

R13、C1称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。

因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。

此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管Q3、Q4。

R13、C1取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好，R13一般为几十欧姆，C1为几千皮法至。

图2-1uA741功放电路

电路工作原理

三极管Q3、Q5为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。

Q4、Q6为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一支管决定，即为PNP型。

R4、R9、R10所组成的支路是两对复合管的基级偏置电路，静态时支路的电流

三、用PSPICE对电路进行分析

静态工作点仿真

进行了静态工作点模拟分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭，运行电路显示各点的V、I值，得到如图3-1所示。

图3-1静态工作点分析

对电路中滤波电路的分析

分析放大器的输出端的电压V1（R10）与输入端的电压V1（R15）的比值，可以从这个比值中判断出滤波电路是何种有源滤波电路，是有源高通滤波、有源低通滤波、有源带通滤波还是有源带阻滤波。

这对我们研究整个的音频功率放大电路是必须的，电路本身就包括滤波电路。

分析结果如下图3-2所示，由图我们可以清楚的看出此滤波器时有源带通滤波器

图3-2滤波电路的分析

图3-3瞬态分析电路图

瞬态分析

瞬态分析实际上是时域分析，电路图如上图3-3。

晶体管放大电路的静态工作点测试正确后，需要测试电路的动态特性。

在图4-1电路图的软件仿真上，我使用的是OrcadPspice，进行了放大瞬态模拟分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。

在其中进行静态分析时要进行如下设计，得到如图3-4所示。

3-4仿真分析时域设置

3-5仿真分析时域输入输出电压曲线

输入的电压最大值为200mv,输出的电压最大值大约为220mv，经过设置运行后得到如下图3-5所示的输入电压V（R1）和输出电压V（C2）,从对两个电压的比较中我们可以看出，音频放大器的放大因数A=11

频率分析

晶体管放大电路的静态工作点测试正确后，需要测试电路的动态特性。

电路图的软件仿真上，我使用的是OrcadPspice，进行了频率特性分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。

在其中进行静态分析时要进行如下设计如图3-6所示，结果如图3-7

图3-6仿真分析频率特性分析设置

图3-7仿真分析频率特性曲线

四、小结

设计一个很完整的电路，需要不断的尝试摸索，这在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。

设计完整的电路，还要考虑到它什么功能需要什么电路来实现。

另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。

这样，也提高了我分析问题的能力。

通过这次设计，我的理论知识上升到了一个实践的过程，我们需要多训练实际动手操作，增强我们的动手能力。

因为对ORCAD软件不能熟悉运用，而且此仿真软件有所限制，所以仿真的过程中遇到了很多困难，许多元件在元件库找不到，于是只能找资料用其他元件代替，不过有困难才能让我们学到更多。

通过这次课设，我也深刻体会到了自己知识的匮乏。

意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。

因此，学习中应多与实际应用相联系。

总之，通过这次设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。

而且提高了我分析问题及动手操作的能力。

使我的综合能力有了一个很大的提高。

致谢

通过这次的课程设计，让我们深深地体会到进行电路设计不是一件简单的事情，它需要设计者具有全面的专业知识、缜密的思维、严谨的工作态度以及较高的分析问题、解决问题的能力，而我们在很多方面还有欠缺。

在我们遇到问题的时候老师、同学和朋友们给了我们莫大的帮助，他们的帮助和鼓励使我们受益匪浅，这里我要对他们表示最真挚的感谢。

我们衷心感谢指导老师——姚宁讲师在我们的课程设计过程中给予极大帮助，在设计上遇到困难时，是她给我们耐心地指导，使我们及时并顺利的完成了本次课程设计。

参考文献

[1]谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉:

华中科技大学出版社.2006

[2]曹丙霞.protel原理图设计.北京:

电子工业出版社.2007

[3]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础.华中科技大学出版社.2002

[4]李挥，罗勇，邹传云．数字音频功率放大器原理及实现电声技术.2003

[5]吴丙申.功率放大器的设计[J]．电子工艺技术.2004