音頻放大器的設(shè)計(jì)

1、學(xué)校代碼 10126 學(xué)號(hào)00824017本科學(xué)年論文（設(shè)計(jì)）題目：音頻放大器設(shè)計(jì)學(xué)院、系： 電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化系 專業(yè)名稱： 自動(dòng)化 年 級(jí)： 0 8 級(jí) 學(xué)生姓名： 李光達(dá) 學(xué) 號(hào)： 00824017 指導(dǎo)教師： 周潤(rùn)景 2010年 9月 9日摘要： 實(shí)用音頻放大器主要應(yīng)用是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，本文介紹了弱信號(hào)放大能力的低頻功率放大器的基本原理內(nèi)容技術(shù)路線。整個(gè)電路主要由穩(wěn)壓電源，前置放大電路，二級(jí)放大電路，濾波器，功率放大電路共五部分構(gòu)成。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大電器，功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是電壓的方大。二級(jí)放大電路主要是繼續(xù)放大電壓。濾波器主要是去除噪聲。

2、功率放大器實(shí)現(xiàn)電流電壓的放大。設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔實(shí)用，充分利用了集成功放的優(yōu)良性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該功率放大該功率放大器在帶寬,失真度,效率 等方面具有較好的指標(biāo),較高的實(shí)用性,為功率放大器的設(shè)計(jì)提供了廣闊的思路。 在proteus軟件的輔助下盡可能的使電路各項(xiàng)指標(biāo)接近或達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。再將電路各部分連成整體，整體把握音頻放大電路的性能。有了完整的設(shè)計(jì)方案后利用protel軟件將電路圖制成pcb仿真圖，布局不僅要符合原理圖而且要合理經(jīng)過(guò)處理后生成光繪文件。到此一切設(shè)計(jì)方案結(jié)束。接下來(lái)將設(shè)計(jì)方案原理制成pcb板，通過(guò)原理圖及所要元件焊接電路板，在對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試最終完成小學(xué)期設(shè)計(jì)任務(wù)。關(guān)鍵詞：

3、自制穩(wěn)壓電源電路 弱信號(hào)前置放大級(jí)電路 功率放大電路 音頻放大電路 pcb板 author：li guangda tutor： zhou runjingabstract: the practical application of audio amplifier main power amplifier for audio signals, this paper introduces a weak signal amplification capability of the basic principles of low-frequency power amplifier, content, t

4、echnical route. the entire circuit is mainly regulated power supply, pre-amplifier, 2 amplifier, filter, power amplifier circuit of five parts. power supply is mainly for the electrical preamplifier, power amplifier to provide a stable dc power. preamplifier voltage side main large.&#

5、160;2 is to continue to enlarge the main amplifier voltage. filter is mainly to remove noise. power amplifier circuit and voltage amplification.  simple circuit design and practical, take full advantage of the excellent performance of the integrated amplifier. experimental result

6、s show that the power amplifier of the power amplifier in the bandwidth, distortion and efficiency indicators has a better, higher availability, the design for the power amplifier provides a broad line of thought.      assisted in the proteus software as possible to the

7、 target circuit at or near the experimental design requirements. then connected the various parts of the circuit into a whole, an overall sense of audio amplifier performance. with a complete design after the use of protel pcb simulation software is made of circuit diagram, layout diagram

8、and not only to meet the reasonable processed to generate gerber files. all designed to this end of the program. next will be made of pcb board design principles, by schematic and circuit board to be welded components, in the final testing on the circuit board to complete primary school of

9、 design task.key words: self-regulated power supply circuit weak signal preamplifier circuit of power amplifier circuit audio amplifier circuit board pc目 錄第一章 緒論1.1 音頻功率放大電路概述51.2 音頻放大電路的發(fā)展51.3數(shù)字時(shí)代提出了新的要求61.4 本次設(shè)計(jì)的主要目的、意義71.5 設(shè)計(jì)總體要求及實(shí)現(xiàn)基本指標(biāo)的方略7第二章 方案的選擇討論及應(yīng)用2.1直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)與仿真分析2.1.1設(shè)計(jì)概念8 2.1.2電路設(shè)計(jì)及測(cè)試82.

10、2前置放大電路的設(shè)計(jì)與仿真分析2.2.1弱信號(hào)前置放大級(jí)電路102.2.2 前置放大電路的電路圖 102.2.3 前置放大電路的仿真分析 102.3二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)與仿真分析2.3.1二級(jí)放大電路的電路圖142.3.2二級(jí)放大電路的仿真分析152.4功率放大器2.4.1功率放大器的電路圖192.4.2功率放大器的仿真分析202.5音頻功率放大電路分析 2.5.1音頻功率放大電路電路圖232.5.1音頻功率放大電路的仿真分析242.6pcb的封裝與設(shè)計(jì)：2.6.1pcb的設(shè)計(jì)292.6.2在ares軟件中封裝29結(jié)論 30致謝 30參考文獻(xiàn)32第一章 緒論1.1音頻功率放大電路概述音頻功率放大

11、器是音響系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其作用是將傳聲元器件獲得的微弱信號(hào)放大到足夠的強(qiáng)度去推動(dòng)放聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器或其他電聲元器件，使原聲響重現(xiàn)。其電路一般可分為兩部分，前一部分進(jìn)行小信號(hào)電壓幅值放大，后一部分采用功率放大器，與揚(yáng)聲器相連。一般揚(yáng)聲器的阻值較低，僅有8左右，需要較大的輸出電流才能達(dá)到較大的輸出功率，因此，需要功率放大器提供足夠功率，一般電腦的有源音箱大多采用這種方式。其簡(jiǎn)單的構(gòu)成框圖如圖1-1所示。電源模塊 信號(hào)源 前置放大器揚(yáng)聲器功率放大器1.2音頻1.2放大電路的發(fā)展隨著晶體管制造技術(shù)的不斷提高和新技術(shù)的應(yīng)用，各項(xiàng)實(shí)用性指標(biāo)和可靠性指標(biāo)都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，

12、更輕的重量，更多的功能和智能化方向發(fā)展，如美國(guó)crown公司的ma-5000vza功放，其最大輸出功率可達(dá)4000w/8（橋接，單通道）；完善的可靠性設(shè)計(jì)使它在苛刻的環(huán)境中可連續(xù)工作，使得生產(chǎn)者可作3年免維護(hù)的保證；插入可編程的輸入處理模塊usp3；可對(duì)12000臺(tái)功放的工作狀態(tài)進(jìn)行程控調(diào)節(jié)和各種參數(shù)檢測(cè)。各種完善的可靠性保護(hù)措施，使它的可靠性大大提高，可與電子管功放媲美。晶體管功放具有許多寶貴優(yōu)點(diǎn)，它的失真低于萬(wàn)分之一，但其音質(zhì)聽(tīng)感總不如電子管功放那么逼真，細(xì)膩，尤其是在表現(xiàn)瞬態(tài)變化快而清脆的打擊樂(lè)，弦樂(lè)和渾厚回蕩的鋼琴曲方面感覺(jué)最明顯。20世紀(jì)80年代初，歐洲有些專業(yè)公司開(kāi)始研究晶體管功放

13、與電子管功放之間的性能差異及解決辦法。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開(kāi)關(guān)速率很快。晶體管是一種電流控制器件，需有較大的控制電流，轉(zhuǎn)換速率較慢，這是最基本的差別。80年代中期歐洲首先推出了采用mosfet音頻場(chǎng)效應(yīng)管功放。mosfet場(chǎng)效應(yīng)晶體管既具有晶體管的基本優(yōu)點(diǎn)。但使用不久發(fā)現(xiàn)這種功放的可靠性不高（無(wú)法外電路保護(hù)），開(kāi)關(guān)速度提高得不多和最大輸出功率僅為150w/8等。90年代初，mosfet的制造技術(shù)有了很大突破，出現(xiàn)了一種高速mosfet大功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。西班牙藝格公司（ecler）經(jīng)多年研究，攻克了非破壞性保護(hù)系統(tǒng)的spm專利技術(shù)，推出了集電子管功放和晶體管功放兩

14、者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合的第3代功放產(chǎn)品，在歐洲市場(chǎng)上獲得了認(rèn)可，并逐步在世界上得到了應(yīng)用。第3代mosfet功放的中頻和高頻音質(zhì)接近電子管功放，但低頻的柔和度比晶體管功放差一些，此外mosfet開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管容易被輸出和輸入過(guò)載損壞。數(shù)字功放的概念早在20世紀(jì)60年代就有人提出了，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直較慢。1983年，m.b.sandler等學(xué)者提出了d類放大的pcm（脈碼調(diào)制）數(shù)字功放的基本結(jié)構(gòu)。主要技術(shù)要點(diǎn)是如何把pcm信號(hào)變成pwm（脈沖調(diào)寬信號(hào)）。美國(guó)tripass公司設(shè)計(jì)了改進(jìn)的d類數(shù)字功放，取名為“t”類功1999年意大利powersoft公司推出了數(shù)字功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音

15、頻功率放大器，數(shù)字功放進(jìn)入了工程應(yīng)用，并獲得了世界同行的認(rèn)可，市場(chǎng)日益擴(kuò)大，最終將替代各類模擬功放。1.3 數(shù)字時(shí)代提出了新的要求 早期的數(shù)字放大器與模擬音源配合得很好, 在某種程度上與數(shù)字音源的配合也不錯(cuò), 但 最多只能生成分辨率為 12-13.5bit 的音頻.家庭影院,數(shù)字音頻接收機(jī)和 pc 游戲等先進(jìn)的 娛樂(lè)系統(tǒng)需要全 16bit 的音頻重現(xiàn),以支持市場(chǎng)所要求環(huán)繞聲,回響和音樂(lè)廳效果. 典型的 d 類數(shù)字放大器,有些具有模擬輸入,有些具有數(shù)字輸出,不能滿足上述目標(biāo). 因?yàn)楸M管它們成本低,效率高,但缺乏生成精確音頻所需的分辨率.而且,這些元件甚至不 能滿足 cd 機(jī),dvd 影碟機(jī)等普通

16、的娛樂(lè)設(shè)備的要求. 利用光盤發(fā)行數(shù)字音頻,消除了音 頻信號(hào)在格式方面的一個(gè)弱點(diǎn).最終,家庭中都可以實(shí)現(xiàn)影院級(jí)音質(zhì).按字面理解,數(shù)字音 頻是沒(méi)有噪聲的.它是被作為一系列的"0"和"1"加以處理的,沒(méi)有給可能引起微小失真的噪 聲留下任何空間. 但另外一個(gè)問(wèn)題仍然存在:模擬放大所必需的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)對(duì)尺寸, 成本和質(zhì)量的影響. 現(xiàn)在,新技術(shù)使得整個(gè)音頻處理鏈都保持純數(shù)字形式.具有數(shù)字輸入的純數(shù)字放大器, 使得在信號(hào)路徑中不再需要使用 dac,而是直接把干凈的數(shù)字輸入在音箱終端轉(zhuǎn)化成干凈的功率. 直到最近,才在高檔,昂貴的音響系統(tǒng)中見(jiàn)到端到端的數(shù)字放大器.

17、幾乎所有的 同時(shí)需要大量外部元件. 這種兩芯片方案的成本 早期數(shù)字放大系統(tǒng)都需要利用兩芯片方案, 和尺寸在很大程度上妨礙了它在主流市場(chǎng)中的應(yīng)用.盡管現(xiàn)有的 d 類數(shù)字放大器較以前的 技術(shù)有所改善,但它們?cè)谝糍|(zhì),封裝,性能,價(jià)格和核心技術(shù)方面未能取得重大改進(jìn). 1.4 本次設(shè)計(jì)的主要目的、意義本次電路設(shè)計(jì)，一方面鞏固和加強(qiáng)了自己在電路方面的知識(shí)，了解一些常用家用電器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，從而為以后的學(xué)習(xí)和工作作好知識(shí)保障。另一方面，我們可以進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，以及如何用所學(xué)知識(shí)來(lái)處理一些在實(shí)際操作過(guò)程中問(wèn)題。這一實(shí)踐與理論相結(jié)合的過(guò)程，將有益于我們學(xué)習(xí)其它理論知識(shí)和提高我們今后進(jìn)一步利用理論知

18、識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.在設(shè)計(jì)的過(guò)程中使得我們有必要對(duì)其進(jìn)行更深刻地認(rèn)識(shí)與了解，從而在本質(zhì)上掌握它的設(shè)計(jì)思路及實(shí)踐方式，為以后能夠更好的應(yīng)用打下良好的理論基礎(chǔ)。1.5 設(shè)計(jì)總體要求及實(shí)現(xiàn)基本指標(biāo)的方略 1基本要求（1）在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為（510）mv，等效負(fù)載電阻rl為8下，放大通道應(yīng)滿足： 額定輸出功率por2w； 帶寬bw（5010000）hz； 在por下和bw內(nèi)的非線性失真系數(shù)3%； 在por下的效率55%； 在前置放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，rl=8上的交流聲功率10mw。（2）自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：方案設(shè)計(jì)與論證（20分

19、），理論分析與計(jì)算（20分），電路原理圖及pcb板（40分），測(cè)試方法與數(shù)據(jù)（10分），對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析（10分）本次設(shè)計(jì)電路的框圖如圖1-2所示。2.1直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)與仿真分析 2.1.1 設(shè)計(jì)概念：在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。單相交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓輸出電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。所以直流電源的設(shè)計(jì)共包括電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓輸出電路四個(gè)部分，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該明確每個(gè)部分的作用，從而正確的連接出可行的電路。另外，電路要正常工作，必須有一定的工作范圍，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要通過(guò)參數(shù)掃描使得各個(gè)元件正常工作，并且使其滿足所要設(shè)計(jì)電路的要求。例

20、如穩(wěn)壓管在工作時(shí)必須有限流電阻，使其工作時(shí)的電流大小在izmin-izmax之間。2.1.2電路設(shè)計(jì)及測(cè)試：設(shè)計(jì)的直流電路圖為：11對(duì)該電路進(jìn)行瞬態(tài)分析為：由仿真看出該直流電源的輸出為±15v，滿足設(shè)計(jì)要求。2.2前置放大電路的設(shè)計(jì)與仿真分析2.2.1弱信號(hào)前置放大級(jí)電路: 前置放大電路可以采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的前置放大器,也可以采用專 用前置放大器ic構(gòu)成的前置放大器電路,從經(jīng)濟(jì)方面考慮本設(shè)計(jì)采用的是集成運(yùn) 算放大器方案,設(shè)計(jì)前置放大器可供選用的集成運(yùn)算放大器有很多,有l(wèi)f347, lf353,lf357,lf356,0p-16,op-37,ne5532,ne5534等.主要考慮

21、的技術(shù)指 標(biāo)是帶寬,電壓增益,轉(zhuǎn)換速率,噪聲和電流消耗等. 為提高前置放大器電路輸入電阻和共模抑制性能,減少輸出噪聲,采用集 成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器電路時(shí),必須采用同相放大電路結(jié)構(gòu)。2.2.2前置電路的電路圖：2.2.3對(duì)前置放大器的仿真分析：電路輸入輸出分析：從電路的仿真結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)電壓值為10mv時(shí)，輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)電壓值值為208mv，即系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為20，系統(tǒng)為同相放大電路。電路的頻率響應(yīng)特性分析：從仿真分析的結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)的最大增益為26.8db，則截止頻率處增益應(yīng)為26.8*0.707=18.95db.從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的頻率范圍為3196khz。電路的

22、是真分析：傅里葉分析：通過(guò)改變輸入信號(hào)的頻率，發(fā)現(xiàn)在信號(hào)頻率改變的同時(shí)，系統(tǒng)的失真度也在改變。2.3二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)與仿真分析2.3.1二級(jí)放大電路的電路圖2.3.2對(duì)二級(jí)放大電路的仿真分析：電路的輸入輸出分析：從分析結(jié)果可以看出，電路對(duì)輸入進(jìn)行了同相放大，同時(shí)輸出信號(hào)相位發(fā)生了偏移。通過(guò)改變輸入信號(hào)頻率發(fā)現(xiàn)二級(jí)放大電路對(duì)不同輸入信號(hào)功率有不同相位偏移。電路頻率響應(yīng)特性分析：從圖中測(cè)量結(jié)果可知系統(tǒng)的最大增益為21.6db，則截止頻率處的增益應(yīng)為21.6*0.707=15.3db。從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為10276khz. 電路噪聲分析：從系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可知在音頻放大器的夠做頻率

23、范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為208405v/hz。仿真日志中查看噪聲源：電路失真分析：傅里葉分析：2.4功率放大器2.4.1功率放大器電路圖2.4.2功率放大器仿真分析：輸入輸出分析：從上述仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)以恒定功率輸入信號(hào)，而調(diào)節(jié)電路中電位器可調(diào)節(jié)電路的輸入阻抗。電路失真分析：2.5音頻功率放大電路分析：2.5.1音頻功率放大器電路：2.5.2音頻功率放大器的分析：電路輸入與輸出分析：從模擬圖表的仿真結(jié)果可知，電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了同相放大。電路頻率響應(yīng)特性分析：從圖中的測(cè)量結(jié)果可知系統(tǒng)的最大頻率增益為56.4db，則截止頻率處增益應(yīng)為56.4*0.707=39.9db。電路噪聲分析：從分析仿真

24、的結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)對(duì)輸入噪聲進(jìn)行了放大。電路失真分析：傅里葉分析：從系統(tǒng)的分析結(jié)果可知，系統(tǒng)瞞住設(shè)計(jì)要求。音頻分析：如有聲卡和揚(yáng)聲器，用戶可聽(tīng)到音頻放大器的輸出結(jié)果。2.6pcb的封裝與設(shè)計(jì)：2.6.1pcb的設(shè)計(jì)： pcb幾乎會(huì)出現(xiàn)在每一種電子設(shè)備當(dāng)中，如果在某種設(shè)備中有電子元器件，那么它們也都是鑲在大小各異的pcb上，pcb是電子工業(yè)重要的電子部件之一?？梢?jiàn)，pcb的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。在進(jìn)行pcb設(shè)計(jì)之前必須對(duì)原理圖進(jìn)行后處理，proteus pcb設(shè)計(jì)是先在isis軟件中生成電路圖，然后在ares軟件中完成的。2.6.2在ares軟件中封裝在ares軟件中進(jìn)行封裝時(shí)，元器件的擺放順序要按isis軟件中生成的電路圖的順序進(jìn)行擺放，各個(gè)元器件間的空間要取的適當(dāng)，如應(yīng)該給晶體管留有足夠的空間使其能進(jìn)行很好的散熱 圖43 在ares中生成的鋪銅電路封裝圖 結(jié) 論在獨(dú)立完成音頻功率放大器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我對(duì)電路的設(shè)計(jì)能力有顯著提高，尤其是對(duì)所學(xué)電路知識(shí)有了新的認(rèn)識(shí)。本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單高效，失真小，選頻特性較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求，但在電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在很多問(wèn)題：雖然理論上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但在實(shí)際操作過(guò)程中理想與現(xiàn)實(shí)總是存在很大差異。在一些元器件的選擇上，性能較好的管子參數(shù)很好但性價(jià)比較低。更