全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)課程設(shè)計(jì)教材

1、i呀W尊本科生課程設(shè)計(jì)（論文）遼寧工業(yè)大學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)題目全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)院（系）：工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： （簽字）教師職稱：教授起止時(shí)間：2015. 06. 232015. 07. 06課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)號(hào) 學(xué)課 程設(shè)計(jì) （論文） 題目副課程設(shè)計(jì)論文任務(wù), 用 標(biāo) 構(gòu)，路 采 指 結(jié)源 電 , 、 、*來(lái)元 向 能 性：i 單 流 性 進(jìn)牛 或 的 O 丿 。八n 匸 幾 、冬先券 統(tǒng) 號(hào) 訂 求匡的昴 系 信 擴(kuò) 以構(gòu)蹄考 找 真 陋結(jié)M并疋 保 咪制以，器 川 高 怖繪心較?M通 各 分 較匕 解，/ LI o 電 喲案

2、rt合 分 局明 成 旳方旳綜 壞說(shuō) 集 須體進(jìn)作 零 理的 付 必總案面 偽 合要 種 種W方XU必術(shù)各申等 淮 曲出 計(jì) 指出各易 案 圖標(biāo) 近 喘思對(duì)難 助 禍并 牛 性構(gòu) 。的 體 面 X元w zW,案作 總 幅M, 立泅 。M 明路昉仙 定！| 分0-000，思體及 路 各 分p=8-2餐開(kāi)加低 訕 在陽(yáng) 部率 L 帔廣酗高 證 。擺 c功 R 2ii,7的。沖 統(tǒng)律 部出 抗應(yīng)MH等“本養(yǎng)m系規(guī) 參全輸 阻響要淅境宀證成方 。成的 期用定 載率期丘環(huán)砸、市.am組出 設(shè)采額 負(fù)頻設(shè)1用2簡(jiǎn)W可3設(shè)4右/ 應(yīng) 繁定 個(gè) 進(jìn) 1 .234 及 的敲 逐 左指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)?nèi)赵?: 年

3、 指成本科生課程設(shè)計(jì)（論文）隨著信息時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的空前時(shí)期。與此同時(shí)， 電子信息技術(shù)的發(fā)展有關(guān)放大器在電子技術(shù)基礎(chǔ)中所處的位置越來(lái)越重要，它不 僅是電子信息專業(yè)的一個(gè)重要部分，而且在其他類專業(yè)工程中也是不可缺少的。 放大器電路作為子系統(tǒng)的應(yīng)用，已迅速發(fā)展成為新一代電子不可缺少的核心部件, 其在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用非常廣泛。擴(kuò)音機(jī)電路是把微弱的聲音信號(hào)放大成能推動(dòng)揚(yáng)聲器的功率放大信號(hào)，主要 由運(yùn)算放大器構(gòu)成。電路結(jié)構(gòu)分為前置放大，濾波器，功率放大三部分。前置放大主要完成小信號(hào)的放大，一般要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，頻帶 寬，噪聲要小，音頻控制主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)高、低音的提升

4、和衰減；功率放 大器決定了輸出功率，要求效率高，失真盡可能小，輸出功率大關(guān)鍵詞：擴(kuò)音機(jī)；揚(yáng)聲器；功率放大；濾波I 5劈本科生課程設(shè)計(jì)（論文）目錄第1章緒論 11.1全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)的應(yīng)用意義 11.2設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo) 11.3設(shè)計(jì)方案論證 11.4總體設(shè)計(jì)方案的流程及分析 2第2章 全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)電路設(shè)計(jì) 32.1方案的框圖及工作原理 32.1.1前置放大電路 32.1.2有源濾波器 32.1.3功率放大器 42.2擴(kuò)音機(jī)各單元電路的設(shè)計(jì) 42.2.1前置放大電路設(shè)計(jì) 42.2.2有源濾波放大電路的設(shè)計(jì) 52.2.3功率放大器電路的設(shè)計(jì) 6第3章全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)整體電路

5、設(shè)計(jì)及仿真 73.1整體電路圖及工作原理 73.1.1 整機(jī)電路圖 73.2電路參數(shù)仿真及計(jì)算 73.2.1整機(jī)頻率響應(yīng)的測(cè)試 73.2.2最大輸出功率的測(cè)試 83.2.3電壓增益的計(jì)算 93.2.4整體電路的仿真 93.3整機(jī)電路性能分析 103.3.1 整機(jī)電路圖 10第4章設(shè)計(jì)總結(jié) 11附錄一：參考文獻(xiàn) 12附錄二：所用元器件和測(cè)試儀器清單 13i S劈本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第i章緒論i.i全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)的應(yīng)用意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種專用集成電路大量涌現(xiàn)。在電子技術(shù)領(lǐng)域里， 集成電路大有取代分立元件的趨勢(shì)。在各種音響設(shè)備中，全集成電路高保真擴(kuò)音 機(jī)由于工作可靠，外圍電路結(jié)

6、構(gòu)簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，內(nèi)部設(shè)有各種保護(hù)設(shè)施，不易 損壞的特點(diǎn)，不斷地被從事電子技術(shù)工程人員和無(wú)線電愛(ài)好者認(rèn)可和接受。另外, 由于體積小，價(jià)格便宜，在學(xué)校、公司、技術(shù)企業(yè)，以及工廠，它都發(fā)揮了其他 任何東西不可替代的作用。1.2設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求：1. 分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及 應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2. 確定合理的總體方案。對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行分析，以電路的先進(jìn)性、結(jié) 構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲 疋可仃方案。3. 設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路， 逐個(gè)

7、設(shè)計(jì)。4. 組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用 左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。技術(shù)指標(biāo)：1）采用全部或部分分立元件設(shè)計(jì)一種全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)。2）額定輸出功率Po _5W。3） 負(fù)載阻抗Rl。4）頻率響應(yīng)2020KHz1.3設(shè)計(jì)方案論證前置放大主要完成小信號(hào)的放大，一般要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，頻帶 寬，噪聲要小，音調(diào)控制主要是濾除諧波，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需波段的有效放大；功率放 大器決定了整機(jī)的輸出功率、非線性失真系數(shù)等指標(biāo)，要求效率高、失真盡可能 小、輸出功率大。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，確定各級(jí)增益的分配，然后 對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。若 Pm

8、ax=8W,輸出電壓U。f fP。max R= 8V。 要使輸入為5mv的信號(hào)放大到輸出的8V,所需的總放大倍數(shù)為1600。擴(kuò)音機(jī)中各級(jí)增益的分配為：前置級(jí)的電壓放大倍數(shù)為100,功率放大級(jí)電壓 放大倍數(shù)為16。1.4總體設(shè)計(jì)方案的流程及分析總體流程如圖所示圖1.4 :總體設(shè)計(jì)流程電路分析說(shuō)明：（1）前置放大器由于話筒提供的信號(hào)非常弱，一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20k?？紤]到設(shè)計(jì)電路對(duì)頻率響應(yīng)及零輸入時(shí)的噪聲、電流、電壓的要求，前置放大器 選用集成運(yùn)算放大器LF353。LF353是一種雙路運(yùn)算放大器，屬于高輸入阻抗低噪 聲的集成器件。前置放大電路由LF353組成的兩級(jí)放大電路。前置放大

9、器的作用是不失真的. 放大聲音信號(hào)，共輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。（2）有源濾波器的設(shè)計(jì)高帶通濾波器允許一定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干 擾和噪聲。該電路中，在前級(jí)為無(wú)限增益多路反饋二階帶通濾波器的基礎(chǔ)上，由 第二級(jí)反相放大比例放大器對(duì)他施加正反饋組成。從而，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波的作 用。（3）功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)功率輸出及電路結(jié)構(gòu)有許多種形式，這里選用TDA2030A型單片集成功率放 大電路，其主要特點(diǎn)是 a上升隨率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小。b、輸出功率比較大， 單片的TDA2030A的輸出功率可達(dá)18W。c、外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便。d、采用 單列直插的封裝形式，體積小。e、內(nèi)含各種保

10、護(hù)電路，工作安全可靠。第2章全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)電路設(shè)計(jì)2.1方案的框圖及工作原理擴(kuò)音機(jī)電路主要由前置放大電路，有源帶通濾波電路，集成運(yùn)算放大電路組 成，總體框圖如圖：輸入信號(hào)前置放大電路有源帶通濾波電路圖2.1 :擴(kuò)音機(jī)電路總體框圖2.1.1前置放大電路功能：將前級(jí)輸出的微小的電信號(hào)在電壓幅度上進(jìn)行放大。工作原理：在測(cè)量用的放大電路中，一般傳感器送來(lái)的直流或低頻信號(hào)，經(jīng) 放大后多用單端方式傳輸。典型情況下，信號(hào)的最大幅度可能僅有若干毫伏，共 模噪聲可能高達(dá)幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對(duì)于總的精度至關(guān)重要。放 大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問(wèn)題。因此前置放大電路應(yīng)該是一個(gè)高 輸入阻

11、抗、高共模抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路。2.1.2有源濾波器功能：濾除各種噪聲信號(hào)，而使正常的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)。工作原理：通帶濾波器能通過(guò)規(guī)定范圍的頻率，這個(gè)頻率范圍就是電路的帶 寬BW，濾波器的最大輸出電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率 fo的頻率點(diǎn)上。帶通濾波器 的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì)Q越高。電路的Q值可用公式求出:Q 二 f WB可見(jiàn)，高Q值濾波器有窄的帶寬，大的輸出電壓；反之低Q值濾波器有較寬 的帶寬，勢(shì)必輸出電壓較小。要實(shí)現(xiàn)這么一個(gè)功能，我們可以將一個(gè)二階有源低 通濾波器與一個(gè)二階有源高通濾波器串聯(lián)起來(lái)，由二階有源低通濾波器來(lái)對(duì)高頻 信號(hào)進(jìn)行抑制，由二階有源高通對(duì)濾波器隊(duì)地頻信號(hào)

12、機(jī)行抑制，最終達(dá)到對(duì)信號(hào) 進(jìn)行一定頻率范圍的抑制作用。2.1.3功率放大器功能：放大電流，使信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載（喇叭）。工作原理：功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換 成為高頻交流輸出。2.2擴(kuò)音機(jī)各單元電路的設(shè)計(jì)2.2.1前置放大電路設(shè)計(jì)各級(jí)放大電路均采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)，且增益分配要均衡，輸入阻抗，共模抑 制比和噪聲主要取決于前置級(jí)，因此前置放大器的設(shè)計(jì)尤為重要。根據(jù)高輸入阻 抗的要求，應(yīng)選用JFET的運(yùn)放，本設(shè)計(jì)采用LF411ACh型運(yùn)放。該運(yùn)放的Avo=4C彳彳X 10，Rd=4 X 10 Q，KCMR=106dB。儀用放大電路：KcM=134dB本設(shè)計(jì)采用儀用放大器作為

13、前置級(jí)。圖2.2.1 :前置放大電路3I 5劈本科生課程設(shè)計(jì)（論文）222有源濾波放大電路的設(shè)計(jì)第二級(jí)要完成的主要任務(wù)之一是進(jìn)一步提高放大電路的電壓增益，其次為了 消除高，低頻的影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，由于對(duì)濾波器沒(méi)有特殊的要求, 本設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器。圖2.2.2一階低通濾波器圖2.2.3 :一階高通濾波器223功率放大器電路的設(shè)計(jì)功率放大的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換效率 盡可能高，非線性失真盡可能小。當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，輸出電壓峰值 錯(cuò)誤！未找到引用源。達(dá)到錯(cuò)誤！未找到 引用源。時(shí)，此時(shí)最大不失真輸出功率為： 錯(cuò)誤！未

14、找到引用源。直流電源提供的功率 錯(cuò)誤！未找到引用源。電路效率 錯(cuò)誤！未找到引用源。選擇輸出晶體管時(shí)：錯(cuò)誤！未找到引用源。每只晶體管的最大允許管耗最大集電極電流 錯(cuò)誤！未找到引用源。反向擊穿電壓 錯(cuò)誤！未找到引用源。功率放大電路如圖2.2.4所示。圖2.2.4功率放大器電路7第3章 全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)整體電路設(shè)計(jì)及仿真3.1整體電路圖及工作原理工作原理：整體電路圖如圖3.1.1所示。本設(shè)計(jì)采用LF4111系列的運(yùn)算放大器，前級(jí)采用儀用放大電路，分配的增 益為四十倍，儀用放大器是有運(yùn)放U1、U2按同相法組成第一級(jí)差分放大電路， 運(yùn) 放U3組成第二級(jí)差分放大電路，在第一級(jí)電路中輸入信號(hào)分別加入到

15、U1和U2的同相段R1和F6、R組成的反饋網(wǎng)絡(luò)引入負(fù)反饋。在帶通濾波的電路中，本設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波 器構(gòu)成帶通濾波器，來(lái)限制放大頻率的范圍。輸入信號(hào)先經(jīng)經(jīng)前置放大，將輸入信號(hào)放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入音調(diào)電路，對(duì) 高低音段進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出至音量電位器。經(jīng)平衡電位器后，功放輸出經(jīng)喇叭輸出 接座輸出至喇叭。功率放大電路的主要作用是向負(fù)載提供功率，需要輸出功率盡 可能大，非線性失真減小，效率盡可能高。因集成功率放大器性能好，安裝方便， 則選集成功率放大器。3.1.1 整機(jī)電路圖3.2電路參數(shù)仿真及計(jì)算3.2.1整機(jī)頻率響應(yīng)的測(cè)試使用Multisim仿真軟件中的波特圖示儀進(jìn)行仿真實(shí)

16、驗(yàn)，觀察所得的幅頻響應(yīng)曲線是否符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后可得圖3.2.1（a）與圖3.2.1 （b）,由此可知本次設(shè)計(jì)的電路符合設(shè)計(jì)要求。I s劈本科生課程設(shè)計(jì)（論文）Bode Plotter-XBP1ModeMagnitudePhaseHorizontalVerticalReverse Save | Set.+ Out * -11圖3.2.1(a):幅頻響應(yīng)曲線Bode Plotter-XBP1ControlsModeLogLin120dB0PhaseVerticalSet.i.Reverse Save+ Out * -圖3.2.1( b):幅頻響應(yīng)曲線3.2.2最大輸出功率的測(cè)試在Mul

17、tisim仿真軟件中連接電路，并將萬(wàn)用表連在輸出端，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn), 測(cè)量最大輸出電壓。并使用公式Pmax二vMAx . Rl計(jì)算出最大輸出功率。圖3.2.2 :電壓有效值如圖322所示，萬(wàn)用表測(cè)量得到電壓有效值V-5.548V ,由此可得，電壓峰 值為 Vmax 二 2V = 7.845V，最大輸出功率 Pmax 二 vMAxR = 7.69N3.2.3電壓增益的計(jì)算由上述3.2.2中的電壓測(cè)量值可知，Vmax =、公=7.845，又因輸入電壓為 V =5mV，則電路總體增益為 A二VMAx：V =1569根據(jù)理論計(jì)算各級(jí)增益：前置放大級(jí)：A=IR2 R3 R2 -80音調(diào)和音量控制級(jí)：A2

18、=1 ；功率放大級(jí)：人=20 ；總的增益為各級(jí)增益之積：A = 16003.2.4整體電路的仿真在Multisim仿真軟件中連接電路，并將示波器連聯(lián)入電路，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn), 測(cè)得電路的輸入波形與輸出波形。經(jīng)過(guò)比較輸入波形與輸出波形可知，本次設(shè)計(jì) 的電路，波形失真較小。T1T2Ext, Vlgg-er-ITimeChamel AChannel B40.960 9-1.256 mV253.304Rewse十4樺光異1-141 mVri115.46SJV1.660 VSaveChannel B300 msA)ivScale： ZrrtV/DivScat：100 V/OvEdge:Ja m E、tXpa

19、乩巧：0Y DOS伽:0Y PM,flav); 0Level:oI V|VfT Add|BjaAjB |AC o |dcACjipcin SingleNormal Auto NoneTimebaseChanneJ A圖3.2.4輸入與輸出波形經(jīng)過(guò)本次的仿真實(shí)驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)電路時(shí)的理論值與仿真實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)際值誤差較 小，波形失真較小，并基本能夠達(dá)到所設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的擴(kuò)音機(jī)電路符合了設(shè)計(jì)要求。I 5劈本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3.3整機(jī)電路性能分析前面已經(jīng)提及，本次設(shè)計(jì)的全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)主要由前置放大電路、 有源濾波電路、功率放大電路三部分構(gòu)成。擴(kuò)音機(jī)工作時(shí)，輸入選擇電路主要對(duì)

20、輸入信號(hào)進(jìn)行選擇切換控制，得出所需 的信號(hào)輸入，輸入后的信號(hào)經(jīng)有源濾波電路進(jìn)行頻率特性的校正和放大，使輸入 信號(hào)的頻率特性變得較為平坦，同時(shí)使各種信號(hào)源輸入的信號(hào)電平基本趨于一致, 避免了在轉(zhuǎn)換不同的信號(hào)源時(shí)聲音響度出現(xiàn)較大的變化。經(jīng)前置放大器放大處理 后的信號(hào)被送入功率放大器進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)揚(yáng)聲器重放出聲音。在功率放 大器中加入保護(hù)電路是為了保護(hù)揚(yáng)聲器免受電路沖擊電流的干擾或在電路出現(xiàn)故 障時(shí)燒毀揚(yáng)聲器。3.3.1 整機(jī)電路圖#第4章設(shè)計(jì)總結(jié)本次課設(shè)的題目是全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)。電源地端，信號(hào)源以及CH1和CH2地端位置不恰當(dāng)都會(huì)造成不同程度的干擾， 要根據(jù)實(shí)際電路找出最佳的接 線位置，使波形達(dá)到最好的效果。沒(méi)接入信號(hào)的輸入端要接低，因?yàn)檩斎氲男盘?hào) 5mV較小，易受外界干擾。采用低頻運(yùn)放芯片輔助過(guò)慮去高頻。多級(jí)放大電路的第一級(jí)的反饋回路中需要在反饋電阻上并一個(gè)電容，用來(lái)濾 除噪音。對(duì)于特定的頻率放大電路，可以通過(guò)串聯(lián)電容的方法來(lái)調(diào)節(jié)電路中阻抗 的大小，使得電路的性能更好。在將直流源接到電路中時(shí)，需要接一大一小兩個(gè)電容，以最