音频功率放大设计.docx

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音频功率放大设计

音频功率放大设计

1技术指标

设计一音频功率放大器：

要求输入信号=10mV，频率f=1kHZ，负载电阻为8Ω时，输出功率Po≥1W。

2设计方案及其比较

2.1方案一

对于前一级放大器的设计，由于输入信号非常弱，所以必须设置前置放大电路。

考虑到设计电路对频率响应及噪声、电流、电压等的要求，所给的集成运算放大器LF353正好符合条件。

前置放大电路是由LF353放大器构成的一个同相比例电路，放大倍数为2，即1+R2/R1=2，取R1=1K，R2为最大阻值为3KΩ的滑动变阻器，所使用的直流电源分别是+12V和-12V。

图一前置放大电路

经过前级放大电路的放大，可以取到Av1=Uo1/Ui=2，因此Uo1=20mv，于是下一级的功率放大电路的输入电压，即为Uo1=20mv。

对于后一级放大电路，选用LM386型功率集成放大器，其主要特点是：

瞬态互调失真小；输出功率大，外围电路简单，使用方便，体积小；内含各种保护电路，工作可靠安全。

设置功率放大电路放大倍数为200，在LM386的1和8管脚之间接一个10uf的电容，使其在交流的时候短路。

则Av2=Uo/Uo1=200；

所以Uo=Av2Uo1=4V（单峰值）；

Po=/2RL=1w

如下图：

图二后级功率放大电路

总的电路图如下：

图三方案一总的电路仿真图

用示波器观察输入波形、一级放大后波形、输出波形如下：

图四示波器观察波形图

2.2方案二

在前置放大器设计中设计方案二与第一种方案相同，即由集成运放LF353组成的一级放大电路，不过将放大倍数设置为31,1+R2/R1=31,R1=1KΩ,R2=30KΩ；所用直流电源分别为+12V和-12V。

经过前置放大，Av1=Uo1/Ui=31，得到Uo1=310mv,也就是第二级放大电路的输入电压。

不同之处在于，第二级放大电路选用了分立元器件组成的功率放大电路，其结构就是集成功率放大器的内部结构，其特点就是对于电路结构了解的清楚明了，更好地掌握电路。

缺点是复杂，难理解，使用不方便，容易损坏，出错几率大。

由前一级电路放大得到的输入电压Uo1=310mv,然后输入到功率放大电路，其中Q3又对信号的电压进行放大，选择3DG6，它的放大倍数在10-30，Q1（PNP）、Q2（NPN）是互补对称的三极管,再有输入信号时Q1、Q2轮流导通，形成推挽式结构。

可以得到输出电压Uo：

3.1V-9.3V,符合实验要求。

电路图如下：

图五方案二仿真图

2.3方案三

在第二种方案的基础上，把双电源换成单电源，构成甲乙类单电源互补功率放大电路（OTL）,如下图所示：

图六方案三仿真图

它去掉了一组电源，在输出端与负载之间增加了一个大电容C2。

当电路对称时，只要R5、R6取值恰当就可以使Q1、Q2的基极电位达到所需大小，使输出端的静态电位等于直流电源的一半（Vcc/2），从而使得一组电源和一个大电容代替正负两组电源。

在输入信号的负半周期，Q2导通，有电流流过负载，同时向电容C2充电；在输入信号的正半周期，Q1导通，已充电到位的电容一方面因为在静态时就有Vcc/2的偏置电压而充当OCL电路中的负电源，另一方面电容C2通过负载将信号负半周期时存储的电荷放掉。

图中的Q3其前置放大作用，Q1、Q2构成推挽输出的结构。

此时，用+Vcc单电源供电的OTL电路完全可以等效为一个由Vcc/2双电源供电的OCL电路，即每个管子的工作电源电压为+Vcc/2或—Vcc/2。

2.4方案比较

方案一相对于方案二和方案三来说，采用了集成运放LF353和集成功放LM386，集成电路具有体积小、重量轻、功耗低、成本小，内含各种保护电路，电路的可靠性高，出错率低，集成芯片具有电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。

此外方案一中电路所需要的接线少，简化了电路，降低了接线的难度，只需要查一下各管脚的功能，就能明确接线方案，十分方便。

而分立元器件体积相对较大，能耗较高，故障率高。

方案三相对于方案二来说，采用单电源供电，对电源的要求减少，但是缺点是需要通过体积较大的电解电容作为输出耦合。

3实现方案

通过比较以上三种方案，可以看出，第一种方案是比较好实现的，按照方案一不仅可以达到课程设计所要达到的要求，结果比较准确，受外界干扰较小，而且方案一实现起来非常简单，电路容易理解，实验容易进行，能够减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护措施，能够很好地保护试验器件，减少不必要的损失。

而第二种方案的电路图比较复杂，元器件较多，连接比较困难，所以选定方案一作为最终的实现方案。

3.1原理图

在实现的时候对方案一进行了修正，最终的实现方案仿真图如下：

图七原理图

3.2实验原理

音频功率放大就是对较小的音频信号进行放大，使其功率增大，主要分为前置放大和第二级放大。

输出前置放大主要完成对小信号的电压放大，使得到后一级所需要的输入；后一级放大主要对音频信号进行功率放大，使其能够驱动负载。

根据技术指标分析：

输出功率Po≥1W；

则输出电压：

Uo=2V（有效值）

（1）

要使输入信号为10mV（单峰值）的信号放大到输出的4V（单峰值）,需要的放大

倍数为：

Av=Uo/Ui=400

（2）

因此，前级电路电压放大倍数设为2，则后一级电压放大倍数为200。

因为Av1=1+R2/R1=2（3）

且Uo1=UiⅹAv1=20mv（4）

又有Av2=200，则输出电压即为：

Uo=Uo1Av2=4V（单峰值）（5）

所以Po==1w；（6）

电容C1和负载RL组成一阶高通滤波电路，截止频率为：

=1/90HZ（7）

因此可以滤掉低频噪声。

3.3元件清单

直流可调稳压电源两台，数字示波器一台，万用表一块，面包板一块，元器件若干，见到、镊子等必备工具。

3.4元件介绍

3.4.1LF353

图八LF353管脚图

类别：

双运放集成运算器

典型双电源电压：

±5,±9,±12,±15V

典型增益带宽积：

3MHz

典型电压增益：

100dB

典型输入噪声电压密度：

18nV/rtHz

典型非反相输入噪声电流密度：

0.01pA/rtHz

引脚数目：

8

最大双电源电压：

±18V

最大工作温度：

70°C

最大电源电流：

6.5mA

最大输入偏置电压：

10mV

最大输入偏置电流：

0.0002μA

最小工作温度：

0°C

每芯片通路数目：

2

电源类型：

双路

3.4.2LM386

图九LM386管脚图

LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；

工作电压范围宽，4-12V或5-18V；外围元件少；低失真度；

电压增益可调，20-200；

极限参数:

电源电压（LM386N-1，-3，LM386M-1）15V

电源电压（LM386N-4）22V

封装耗散

（LM386N）1.25W

（LM386M）0.73W

（LM386MM-1）0.595W

输入电压±0.4V

储存温度-65℃至+150℃

操作温度0℃至+70℃

结温+150℃

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20,短路时增益为200。

通过查资料可知LM386的电压增益约为：

Av2=（8）

R为管脚1和8之间的电阻值。

因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处--噪音减少，增大这个电容的容值，能够减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。

PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。

尽可能采用双音频输入/输出。

好处是：

“+”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。

第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！

实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。

工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。

增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。

对于输出耦合电容。

此电容的作用有二：

隔直+耦合。

隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。

它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。

减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率提高。

4调试过程及结论

4.1实物布线图

通过查阅有关面包板资料，在弄清楚面包板的基本结构以及各个孔的连通情况，以及面包板上插孔内部导通情况，并且掌握了面包板上下两行插孔的分组情况，遵循着接线“横平竖直”的原则，我和同组同学终于完成了布线，整个面包板看起来比较简洁，没有飞线、混接等情况，并且注意到了芯片电源的正负极以及电容的正负极，面包板上的接地部分已事先留出。

之后是检查电路，看看是否有芯片管脚接错、导线松动接触不良等问题。

在确认无误之后，最终得到以下的实物连接图：

图十面包板实物连接图

4.2接通电源、加信号调试过程

在充分检查电路，确定无误之后正准备接通直流电源的时候，我们遇到了问题，眼前的直流电源与我们平时模拟电子技术试验所用到的有些不同，于是我们在询问了上一组实验的同学之后，终于弄清楚了直流电源的使用方法，在用导线将电源两端的接地端连通之后，我们分别用导线从电源的正负端引出，接到面包板上事先设置好的插孔上，接电源这一步就完成了。

接下来就是加输入信号部分了，实验要求的输入信号是10mv，而我们通过调信号发生器所能得到的最小信号只有40mv，于是我们想到了用滑动变阻器来分压实现，在询问老师之后得知滑动变阻器已经分发完了，我们看到了试验器材里还有多余的定值电阻，于是我们找到了需要的电阻，在分压之后，我们得到了10mv的信号电压，接到信号输入端之后，用示波器观察输出波形。

刚开始的时候观察到的是有一定宽度的带状的波形，通过调示波器水平扫描旋钮，等到了正旋波形，但是波形十分不稳定，而且与理论值有一些差距，于是我们更换了电阻，发现得到的是另一个波形。

于是我们检查起了电路，最后终于找到了问题根源--地线接触不良。

在调整好之后，终于得到了较为理想的波形，如下图：

图十一输出波形

4.3结论

输出的正弦波波形的峰峰值约为8V，与理论值吻合的较好，并且成功地驱动了喇叭，说明了输入信号确实得到了放大

5心得体会

通过这次的课程设计，我学到了很多。

首先，在拿到设计任务书之后，我看了实验要求，知道了是要设计一个功率放大电路，于是我联想到了模拟电子技术课上学的互补对称功率放大电路。

接着我从原理上开始设计，先是把小信号音频信号进行一级放大，放大后的信号作为后一级的输入，后面再接上一个功率放大电路，就可以驱动负载喇叭了。

原理上分析过后，又看了一下试验所给的器材，有LF353和LM386,通过查找资料知道它们分别是集成双运放和集成功放，知道了集成电路具有体积小、重量轻、功耗低、成本小，内含各种保护电路，电路的可靠性高，出错率低，集成芯片具有电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。

紧接着是提出三个可行的方案，在Proteus中进行仿真，用示波器观察各部分电路的波形，看输出波形是否有失真，以及喇叭的声音是否有异样。

这次试验也是第一次接触面包板，通过网上搜索知道了面包板的结构，以及各个孔的连通情况，在确定好方案之后和同组同学一起开始布线了，布线时注意要“横平竖直”，导线不要交叉，尽量做到简洁美观。

这次试验能够增强我的动手实践能力，使得在专业知识的理解与掌握上更进了一步，也提高了对所不了解的专业知识的查找搜索能力，更加加强了团队合作能力。

这次试验也是我明白理论知识和实践的差别，在调试过程中遇到了一些问题，有的时候是电路连线的问题，有的时候是实验元件出了问题，或是导线接触不良等问题，需要不断探索才可以。

这次课程设计让我获得了很多课堂上无法获得的知识，以及解决具体问题的方法，在实验中积累了实践的经验，也加强了对仿真软件的应用，在这次实践中我受益颇多，也成长了不少。

6参考文献

[1]吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社，2009

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2006