音頻小信號功率放大電路設計實驗報告

摘要本次電路設計課題是音頻小信號放大電路，它屬于模擬電路課程設計，所以實驗中就需要用到大量的模擬電路知識。對于音頻小信號放大電路它是由兩級放大電路組成，第一部分是運用到了兩級負反饋放大電路，旨在放大電壓，第二部分OCL功率放大電路采用復合三極管，目的放大電路電流。兩部分放大電路的設計根本目的就是為了將小信號放大為一個大信號而不失真。失真這是設計音頻放大電路中的一個難點，電路的巧妙設計可以有效的避免失真，電容的運用是解決失真的關鍵。目錄1選題背景 21．1指導思想 21．2方案論證 21．3基本設計任務 21．4發(fā)揮設計任務 21．5電路特點 32電路設計 32.1總體方框圖 32.2工作原理 33各主要電路及部件工作原理 33.1第一級—輸入信號放大電路 43.2NE5532簡要說明 53.3第二級—功率放大電路 63.4直流信號過濾電路 64原理總圖 75元器件清單 76調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結果） 76.1仿真檢查 86.1.1第一級仿真檢查 86.1.2第二級仿真檢查 96.2通前電檢查 106.3通電檢查 106.3.1第一級電路檢查 106.3.2第二級電路檢查 106.3.3完整電路檢查 106.4結果分析 107小結 108設計體會及今后的改進意見 118.1體會 118.2本方案特點及存在的問題 118.3改進意見 11參考文獻 121選題背景在科技發(fā)達的現(xiàn)代社會隨聲聽、收音機、mp3、mp4、電視機、手機、電腦……極大豐富了我們的日常生活，這些產(chǎn)品在使用時時常會有音頻的播放，而這些產(chǎn)品本身配帶的音頻播放裝置往往功率較小，難以帶給人們想要的音樂效果與震撼。因此音頻小信號功率放大器就有著廣泛的運用空間，能夠讓人們盡情享受音樂激情與活力。正因為如此我對音頻小信號放大電路產(chǎn)生了濃厚的興趣，希望通過自己的知識和能力親自動手設計和制作這樣一款產(chǎn)品。1．1指導思想利用運算放大器構成第一級放大電路對輸入信號進行放大；把放大后的信號接入第二級功率放大電路進行功率放大。1．2方案論證方案一：可使用NE5532配合集成功放TDA2030進行功率放大。這樣實現(xiàn)電路簡單方便且電路的實現(xiàn)效果會很好，但由于題目要求不允許使用集成音頻功放所以此方案不符合，故舍棄此方案。方案二：用NE5532運算放大器對輸入信號進行放大，然后用2N3904/2N3906和TIP41/42配合設計成的功率放大電路對放大后的信號的進行功率放大，在輸出端加上揚聲器實現(xiàn)對音頻小信號的功率放大。經(jīng)論證采取方案二。1．3基本設計任務（1）放大倍數(shù)Av≥1000；（2）通頻帶100Hz~10KHz；（3）放大電路的輸入電阻Ri≥1M;（4）在負載電阻為8的情況下，輸出功率≥2W；（5）功率放大電路效率大于50%；（6）輸出信號無明顯失真。1．4發(fā)揮設計任務在OCL電路中運用一個可調(diào)電位器對電路進行調(diào)節(jié)消除元器件本身誤差?？捎墒謩诱{(diào)節(jié)使功率互補放大電路完全對稱。1．5電路特點（1）放大倍數(shù)大，可以達到1000倍以上；（2）通頻帶寬，適用于多種音頻小信號的放大；（3）輸出信號質(zhì)量好，無明顯失真；（4）輸出功率較大；（5）放大電路效率高，在60%以上；2電路設計2.1總體方框圖輸入信號輸入信號負反饋放大負反饋放大負反饋放大負反饋放大OCL功率放大輸出到負載OCL功率放大輸出到負載圖2-1總體方框圖2.2工作原理信號接入電路后，通過用電容過濾掉輸入信號中的直流部分首先經(jīng)第一個NE5532與電阻33k和1k組成放大倍數(shù)為34倍的負反饋電路，再進入第二個放大倍數(shù)為36倍的負反饋電路。輸入信號經(jīng)兩個負反饋電路放大已經(jīng)達到1224倍，在流經(jīng)電路會造成一定衰減但放大倍數(shù)依然能夠達到1000倍以上。信號經(jīng)第一級放大放大后經(jīng)過電容過濾掉直流信號后流進第二級功率放大電路，通過兩個復合管構成的OCL互補放大電路對電路進行功率放大。整個電路實現(xiàn)對輸入信號的功率放大。3各主要電路及部件工作原理3.1第一級--輸入信號放大電路圖3-1NE5532負反饋放大電路工作原理：Au1=（R2+R3）/R2=(33k+1k)/1k=34倍Au2=(R5+R6)/R5=(35k+1k)/1k=36倍Au=Au1*Au2=34*36=1224倍所以由第一級連續(xù)兩個負反饋放大電路理論放大倍數(shù)能達到1224倍，雖然在電路中會發(fā)生衰減，但是衰減后依然能夠大于1000倍。對信號的放大倍數(shù)能夠達到1000倍以上。3.2NE5532簡要說明圖3—2NE5532實物圖NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器（雙運放）集成電路。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。因此很適合應用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時音色溫暖，保真度高，在上世紀九十年代初的音響界被發(fā)燒友們譽為“運放之皇”，至今仍是很多音響發(fā)燒友手中必備的運放之一。圖3—3NE5532封裝圖3.3第二級--功率放大電路圖3-4OCL互補功率放大電路工作原理：由2N3904和TIP41構成一個NPN型的復合管，2N3906和TIP41構成一個PNP型的復合管。用復合管增大對電流的放大系數(shù)，以此實現(xiàn)對功率的放大。使用了二極管和電阻配合消除電路的交越失真問題。3.4直流信號過濾電路圖3-5直流信號過濾電路工作原理：使用電容形成交流通路將電源中產(chǎn)生的交流信號引入接地，避免其對電路產(chǎn)生影響。在輸入信號后接電容阻擋輸入中附帶的直流信號，使信號中的直流信號不能流入從而避免直流信號對放大電路的影響。4原理總圖圖4-1原理總圖5元器件清單表5-1元器件清單標號名稱參數(shù)數(shù)量NE5532AINE55321C1、C2、C3、C4、C6、C8電解電容10uF6C7電解電容47uF1C5、C9陶瓷電容0.1uF2R1、R4電阻1M2R2、R5電阻1k2R3電阻34k1R6電阻36k1R7R8電阻1002R9電阻10k1R10揚聲器5w81R11電位器20k11N4001二極管22N3904三極管12N3906三極管1TIP41A三極管26調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結果）為使電路便于調(diào)試我們采用分塊調(diào)試的方法。6.1仿真檢查在仿真軟件上畫好電路圖后放上信號發(fā)生器和示波器，調(diào)整好輸入信號。6.1.1第一級仿真檢查。1.斷開第二級，將信號發(fā)生器接入電路輸入信號。將示波器連接到第一級的第一個負反饋輸出上，調(diào)整輸入信號的頻率，仿真查看波形。波形如下：圖6-1第一個負反饋的輸出波形2.將示波器連接到第二個負反饋輸出上觀察波形如下：圖6-2第二個負反饋的輸出波形經(jīng)過仿真，觀察波形可知電路第一級放大電路完好，輸出波形未發(fā)生失真；6.1.2第二級仿真檢查輸入信號調(diào)整到20V的Vp-p連接到第二級的輸入上，觀察輸出波形如下圖：圖6-3第二級輸出波形（1）圖6-4第二級輸出波形（2）經(jīng)過仿真，觀察波形可知第二級功率放大電路可以完美的實現(xiàn)功率放大且不發(fā)生失真。6.2通電前檢查電路安裝完畢后，經(jīng)檢查電路后確認各部分電路接線正確，電源、元器件之間無短路，器件無接錯。6.3通電檢查6.3.1第一級電路檢查斷開第二級后通電接上輸入信號。在第一級的第一個負反饋輸出上連接示波器觀察波形，示波器上出現(xiàn)了雜亂無章的波形。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接地處理沒有連接，連接后波形不出現(xiàn)失真，與仿真所示圖結果一樣。第一個負反饋電路經(jīng)驗證無誤。在第一級的第二個負反饋輸出上連接示波器觀察波形，波形不出現(xiàn)失真，與仿真所示圖結果一樣。第二個負反饋電路經(jīng)驗證無誤。綜上所述，第一級放大電路功能完好實現(xiàn)。6.3.2第二級電路檢查將輸入信號調(diào)整到20V的峰峰值連接到第二級的輸入上，將輸出接到示波器上觀察發(fā)現(xiàn)波形不出現(xiàn)失真，即第二級電路功能玩好。6.3.3完整電路檢查直接將第一級電路和第二級電路相連，將輸出接到示波器上觀察發(fā)現(xiàn)波形不出現(xiàn)失真，測量負載上的電壓計算功率可以達到2w以上。所以完整電路功能玩好。6.4結果分析本設計方案在電路中采用了OCL互補功率放大電路。有效防止了交越失真，且在互補功率放大電路中其效率。經(jīng)計算其效率能滿足達到60%以上。所以不論在放大倍數(shù)、功率放大、還是效率上都能夠滿足要求。7小結本次設計電路運用了兩級放大，在第一級進行輸入信號的放大，第二級進行功率的放大，有效改善了電路的失真現(xiàn)象。在第二級采用OCL互補功率放大電路有效消除了輸出信號的交越失真；同時，OCL電路中還使用了可調(diào)電位器，可調(diào)節(jié)電阻使OCL電路對稱更加準確，嚴格控制了失真問題。理論設計完成后使用了Multisim電路仿真軟件對理論電路進行驗證檢查。確認電路原理無誤后，購買了元器件，進行焊接，連接電路和調(diào)試。調(diào)試過程中采取了分級逐步調(diào)試的方法，避免了兩級之間相互可能會發(fā)生影響，同時這樣檢查電路也可以較容易找到電路的問題出現(xiàn)在哪一塊，其次這樣檢查還有效減小電路損壞的損失。經(jīng)過上述步驟后終于完整的完成了整個實物作品。經(jīng)通電檢驗作品確定功能實現(xiàn)完好：放大倍數(shù)，放大功率、效率以及作品的通頻帶均滿足設計要求，整個實物作品完成。8設計體會及今后的改進意見8.1體會通過這次的數(shù)電實踐體驗，讓我受益匪淺，在整個設計過程中運用到了很多我們學過的模擬電路知識，既是對知識結合實踐的運用，也對知識有了更深一層次的理解。對以后學習知識，運用知識有很大的幫助。在設計實踐中也遇到了很多問題，從收集積累資料、畫理論圖到仿真焊接電路以及調(diào)試。都是經(jīng)過一次次的嘗試、修正與更改才最終完成。當然付出了辛勤與汗水后，還是有很多收獲的。理論總是偏理想化的，在實際中會遇上各種不同的實際困難。在處理了這些問題后我不僅熟悉了仿真軟件Multisim的使用與操作，還學會了多種調(diào)試電路的方法和電路中一些細節(jié)處理的方法。調(diào)試中又多次使用了信號發(fā)生器和示波器等常用電路調(diào)試儀器，對很多操作和知識加深了鞏固。本方案特點及存在的問題特點：（1）放大倍數(shù)大，超過1000倍，達到放大目標；（2）放大效果好，輸出信號不失真；（3）通頻帶寬，可對多種音頻小信號進行放大；（4）自激很??；（5）電路簡單易做，成本較低。問題：（1）帶負載能力存在不足，需要進行調(diào)試；（2）波形可能會出現(xiàn)上下不對稱的現(xiàn)象。8.3改進意見1使用集成音頻功放，放大的效果會更突出。