lm386音頻功率放大器論文

-.z.---.可修編.濱江學院微電子實驗基礎(chǔ)課程設(shè)計題目語音放大器的設(shè)計院系電子工程系專業(yè)電子科學與技術(shù)學生季琛、季煌盛、胡劍飛、效楠、何菲二Ｏ一五年六月十七日-.z.目錄摘要1關(guān)鍵詞11緒論12需求分析12.1設(shè)計任務(wù)及要求12.1.1設(shè)計任務(wù)12.1.2設(shè)計要求12.2設(shè)計思想13設(shè)計方案13.1方案論證33.1.1前置放大電路13.1.2功率放大電路1_Toc2879969923.2工作原理14電路詳細設(shè)計14.1前置放大電路分析14.2功率放大電路分析1_Toc2879969975實驗結(jié)果15.1前置放大實驗15.2各級單元電路測試結(jié)果實驗15.3總評測試實驗15.4結(jié)果分析16結(jié)論16.1設(shè)計成果16.2設(shè)計特點16.3存在問題及改進方法1參考文獻1附錄B元器件清單1-.z.音頻功率放大器摘要這次的模擬電路課程設(shè)計題目為音頻功率放大器，簡稱音頻功放，音頻功率放大器主要用于推動揚聲器發(fā)聲，凡發(fā)聲的電子產(chǎn)品中都要用到音頻功放，比如手機、MP4播放器、筆記本電腦、電視機、音響設(shè)備等給我們的生活和學習工作帶來了不可替代的方便享受。我主要采用了兩種方法對其進行了分析和設(shè)計，一種利用了LM386集成芯片對其進行放大輸出，另一種是利用二極管進行偏置的互補對稱電路，即分立元件進行設(shè)計放大。期間遇到了不少問題，不過好在在老師的指導，同學的幫助下終于成功調(diào)試成功，聽到了悅耳的嗡嗡聲，設(shè)計題目也算比較圓滿的完成了。在設(shè)計的過程中，首先對自己的設(shè)計思路有個整體的認識，即對音頻功率放大器的原理了解，在查閱了很多資料，以及對實驗器材有了初步了解以后，利用課本及一些資料上所描述的同相放大電路和甲乙類互補對稱功率放大電路的基本知識，通過對兩種方法的對比評析確定了下面的課程設(shè)計。本文設(shè)計了音頻功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用Protel99SE軟件設(shè)計完成原理圖。本系統(tǒng)有匹配對稱三極管完成前置放大級和功率放大級最后將音頻小信號轉(zhuǎn)變成大信號的功能。通過對所設(shè)計的音頻功率放大器進行實驗測試，達到了最大輸出功率、放大倍數(shù)、失真度等技術(shù)指標。具有最大輸出功率穩(wěn)定，工作效率較高，頻率響應(yīng)失真較小，把小信號轉(zhuǎn)變成大信號功能的分立元件功率放大器?；具_到了任務(wù)書的要求。在社會當中，功放俗稱“擴音機”他的作用就是把來自音源或前級放大器的弱信號放大，推動音箱防聲。一套良好的音響系統(tǒng)功放的作用功不可沒。功放是音響系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，它的任務(wù)是把來自信號源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調(diào)音臺）的微弱電信號進行放大以驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。關(guān)鍵詞音頻功率放大器LM386-.z.緒論1.1引言伴隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對音頻功率放大器的要求越來越高。音頻是多媒體中的一種重要媒體。人能夠聽見的音頻信號的頻率圍大約是60Hz-20kHz其中語音大約分布在300Hz-4kHz之，而音樂和其他自然聲響是全圍分布的。如何通過分析儀器讓音頻功放達到更高的要許多人為之努力的永恒的課題，聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成數(shù)字音頻，音頻分析就是以數(shù)字音頻信號為分析對象以數(shù)字信號處理的各種理論為分析手段，提取信號在時域，頻域一系列特性的過程。鑒于音頻分析儀價格高、適用圍窄等特點，本文應(yīng)用了目前流行的基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)軟件平臺，結(jié)合高性能的PCI－6024E數(shù)據(jù)采集卡來完成各種測試。1.2音頻功率放大器概述音響技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應(yīng)管四個階段。1906年美國的德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了人類電聲技術(shù)的先河。1927年貝爾實驗室發(fā)明了負反饋NFB（Negativefeedback）技術(shù)后，使音響技術(shù)的發(fā)展進入了一個嶄新的時代，比較有代表性的如“威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設(shè)計Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介紹了一種成功運用負反饋技術(shù)，成為了Hi-Fi史上一個重要的里程碑。60年代由于晶體管的出現(xiàn)，使功率放大器步入了一個更為廣闊的天地。晶體管放大器細膩動人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動態(tài)圍等特點，各種電路也相應(yīng)產(chǎn)生，如：“OTL（OutputTransformerLess）”無輸出放大器、“OCL（OutputCapacitorLess）”放大器等。1.3本課題的目的功率放大器是機電一體化產(chǎn)品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器發(fā)展至今，有許多種類和應(yīng)用，在工業(yè)方面，有數(shù)控機床的電機驅(qū)動，有應(yīng)用于新型磁軸承開關(guān)，也有在電力電子控制技術(shù)種的應(yīng)用。在通訊方面，有幾百毫瓦的蜂窩發(fā)射機、有基站幾十瓦的功率放大器、也有上千瓦的電視信號發(fā)射機。但所有的功率放大器，其設(shè)計所遵循的基本規(guī)律幾乎是相同的。而它的設(shè)計包含了電子電路技術(shù)、模擬控制理論、測試技術(shù)以及實現(xiàn)智能化的單片機控制技術(shù)等。因此以電子管音頻功率放大器設(shè)計制作作為載體。實現(xiàn)興趣與理論實踐相結(jié)合，使整個設(shè)計過程不枯燥無味，從而既實現(xiàn)了對功率放大器的理論學習，又進行一次高性能智能型產(chǎn)品設(shè)計。同時，通過實際設(shè)計與制作，進一步發(fā)揮和鞏固四年來所學的知識，在實踐中鍛煉自己，在鍛煉中提高自己專業(yè)水平。2需求分析2.1設(shè)計任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計任務(wù)采用運算放大集成電路和功率放大集成電路設(shè)計音頻功率放大器2.1.2設(shè)計要求直流穩(wěn)壓電源供電，多級電壓、功率放大，要求：①3dB通頻帶：20Hz～20kHz②放大倍數(shù)：≥40dB③輸入阻抗：≥10kΩ④輸出功率：5W/8Ω負載2.2設(shè)計思想音頻功率放大器實際上就是對比較小的音頻信號進行放大，使其功率增加，然后輸出。前置放大主要完成對小信號的放大，使用一個同向放大電路對輸入的音頻小信號的電壓進行放大，得到后一級所需要的輸入。后一級的主要對音頻進行功率放大，使其能夠驅(qū)動電阻而得到需要的音頻。設(shè)計時首先根據(jù)技術(shù)指標要求，對整機電路做出適當安排，確定各級的增益分配，然后對各級電路進行具體的設(shè)計。=5W,倍放大倍數(shù)：≥40dB,即總放大倍數(shù)大于100倍。設(shè)計方案2、1第一種設(shè)計方案：2、1、1前端放大器的設(shè)計由于話筒提供的信號非常弱，要在音調(diào)控制級前加一個前置放大器。考慮到設(shè)計電路對頻率響應(yīng)及零輸入時的噪聲、電流、電壓的要求，前置放大器選用集成運算放大器ua741。前置放大電路是由ua741放大器組成的一級放大電路，放大倍數(shù)，即1+R2/R1，取R2=100K?電位器,R1=2K?,所用電源Vcc=+12V，Vee=-12V。經(jīng)過前級運放的放大，放大倍數(shù)由R2可調(diào)。功率放大器的設(shè)計由于實驗室實驗儀器的限制及要求，我們的第一種方案選用了LM386型單片集成功率放大電路，其主要特點是：上升隨率高、瞬態(tài)互調(diào)失真?。惠敵龉β时容^大；外圍電路簡單，使用方便；體積?。缓鞣N保護電路，工作安全可靠。我們選擇功率運放電路的增益為200，即把LM386的運放調(diào)節(jié)電路兩端短路。由Av==200所以U0=8V進而得出P0===8W>5W。其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf，R3=4.7K,RL=8.Av=實驗用電路圖f，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf,R1=2K,R2=100K,R3=4.7K,RL=8.第二種設(shè)計方案：前端放大器的設(shè)置在前端放大器設(shè)計中設(shè)計方案與設(shè)計一相同，即由ua741放大器組成的一級放大電路，不過將放大倍數(shù)設(shè)置為40，即1+R2/R1=40，取R2=390K?,R1=10K?,所用電源Vcc=+12V，Vee=-12V。經(jīng)過前級運放的放大，由Av’===40，可以得到Ui=400mv。于是我們得到了下一級功率放大電路的輸入電壓。功率放大器的設(shè)計這一部分的功率放大電路選用了分立元器件組成的功率放大器，其結(jié)構(gòu)就是集成功率放大器的的部結(jié)構(gòu)，其特點就是對于電路結(jié)構(gòu)了解的清晰明了，更好的掌握電路。缺點就是復雜，難理解，使用起來非常不方便，而且容易損壞器件。由前級放大得到的電路得到了輸入電壓Ui=400mv，然后輸入功率放大器，其中的T1又對信號的電壓進行放大，T1選擇3DG6三極管，它的放大倍數(shù)10~30，可以得到電壓U0：4v~12v，由P0=得到P0：2w~18w符合P0>2w的要求。2、2、3實驗用電路圖其中參數(shù)：R1=10K,R2=390K,R3=1K,R4=10K,R5=10K,R6=47K,RL=8,C1=14.7uf，C2=100uf，T1選擇3DG6,T2選擇3DG6，T3選擇3DG21，D1選擇2CP10,D2選擇2 CP10。3、1設(shè)計方案的選擇3、1、1第一種方案的評述通過對兩種方案的比較我們可以看出，第一種方案無疑是比較好的方案，我們可以從這幾個方面來作為依據(jù)選擇第一種方案。按照第一種方案我們可以達到課程設(shè)計所要達到的要求，結(jié)果比較準確，受外界干擾較小，而且第一種方案的實現(xiàn)非常的簡單，電路容易理解，實驗容易進行，能夠盡少的減小實驗的成本，而且這種方案的主要器件有自我保護的措施，能夠更好的保護實驗器件，減少不必要的損失。3、1、2第二種方案的評述第二種方案在*些情況下也可以達到實驗要求，但是有其不可避免的缺點以及不合理性，下面對其作出評析：eq\o\ac(○,1)對于三極管T1來說，它的放大倍數(shù)是不確定的，這就導致了輸出功率的不確定，直接導致了第二種方案有可能不能夠滿足課程設(shè)計的要求。從第二種方案的設(shè)計我們可以得到：由前級放大得到的電路得到了輸入電壓Ui=400mv，然后輸入功率放大器，其中的T1又對信號的電壓進行放大，T1是3DG6三極管，它的放大倍數(shù)為10~30倍，可以得到電壓U0：4v~12v，由P0=得到P0：2w~18w符合P0>2w的要求。功率P0的圍是2W~18W最大不失真輸出的功率：P0,ma*=*==9W通過第二種方案得到的功率的圍是不符合最大不失真輸出功率的要求的，而且通過對第二種方案的電路圖的分析我們可以看出，第二種方案的電路圖比較復雜，連接比較困難，理解也是比較困難的，所以這種方案在最終確定的時候是要被舍棄的。3、1、3方案的最終確定最大不失真輸出的功率：P0ma*=*==9W;每支晶體管的最大允許管耗Pcm>0.2Pom=1.8W;最大集電極電流Icm>==1.2A;3.1.1前置放大電路圖圖3-2前置放大電路此部分基本能實現(xiàn)預訂功能，結(jié)果如下：20hz的測試波形20khz的測試波形功率放大電路圖圖3-3功率放大電路此部分RC低階濾波效果不是很好，實際測量的時候在上限截止頻率的時候有點失真，說明低階濾波的衰減比較大，這里的設(shè)計有待改進，測試結(jié)果如下：20hz的測試波形20khz的測試波形3.2工作原理圖3-4功率放大總電路圖音頻功率放大器實際上就是對比較小的音頻信號進行放大，使其功率增加，然后輸出。其原理如圖3-1所示，前置放大主要完成對小信號的放大，使用一個同向放大電路對輸入的音頻小信號的電壓進行放大，得到后一級所需要的輸入。后一級的主要對音頻進行功率放大，使其能夠驅(qū)動電阻而得到需要的音頻。設(shè)計時首先根據(jù)技術(shù)指標要求，對整機電路做出適當安排，確定各級的增益分配，然后對各級電路進行具體的設(shè)計。=5W,輸出電壓U==6-7V，要使輸入為10mv的信號放大到輸出的6-7V，所需的總放大倍數(shù)為600-700>100。4電路詳細設(shè)計4.1前置放大電路分析圖4-1前置放大電路此電路簡潔方便實現(xiàn)前置放大，放大倍數(shù)由R2和R1的比值確定。uA741通用高增益運算通用放大器,早些年最常用的運放之一.應(yīng)用非常廣泛,雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓±22V,差分電壓±30V,輸入電壓±18V,允許功耗500mW.其管腳與OP07（超低失調(diào)精密運放）完全一樣，所以選擇此芯片完全能實現(xiàn)要求。4.2功率放大電路分析此部分選擇LM386芯片，因為靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電。工作電壓圍寬，4-12Vor5-18V。外圍元件少。電壓增益可調(diào)，20-200。低失真。C4為去耦電容，C1濾掉直流，C2和R3構(gòu)成低階濾波。圖4-2功率放大電路5實驗結(jié)果另外,我們還進行了頻域的分析.我們知道,人類耳朵的聽覺圍是20Hz-20kHz,因而我們需要對其進行頻域的分析掃描,分析前的設(shè)置定頻率圍是20Hz-20kHz,結(jié)果如下:圖2.6仿真分析(時域)結(jié)果曲線可以看出來,輸入是100mV(最大值)的電壓,經(jīng)過功率放大之后得到的是3.2-3.3V(最大值)的輸出電壓.300多倍的放大倍數(shù)可以滿足我們的需求,并且同時也滿足理論上的設(shè)計.另外,我們還進行了頻域的分析.我們知道,人類耳朵的聽覺圍是20Hz-20kHz,因而我們需要對其進行頻域的分析掃描,分析前的設(shè)置定頻率圍是20Hz-20kHz,設(shè)置與結(jié)果如下:

圖2.7頻域特性分析掃描結(jié)果曲線在上面的曲線圖中可以看出,該電路圖的頻率特性非常好,中間的峰值是30.4分貝,20Hz是28.9分貝,20kHz時是29.7分貝,其最大的分貝下降也不過是1.5分貝(=30.4-28.9)要求.另外設(shè)置的1kHz的峰值也是與理論完美結(jié)合.5.1前置放大實驗表5-1前置放大結(jié)果（k）（k）（mv）（mv）實測220202001110.9240204002120.82602060031312802080041405.2各級單元電路測試實驗各級單元電路測試結(jié)果如表5-2所示。表5-2各級單元電路測試結(jié)果前置放大級功率放大器（mv）20400（mv）4004000實測20.8105.3總評測試實驗測試結(jié)果如表5-3所示。表5-3總評測試結(jié)果（mv）20輸入信號頻率f（hz）10008002000010040（mv）400038963765356833214138.536.233.432.15.4結(jié)果分析在輸入頻率大于于20khz時出現(xiàn)交越失真.波形如下：在頻率輸入為1khz時為最大不失真，波形如下：6結(jié)論6.1設(shè)計成果在本次課程設(shè)計中，通過電路設(shè)計，仿真，實際焊接測量，基本能滿足要求，在輸入信號段輸入不同的信號，輸出端的喇叭會發(fā)出不同的響聲，當在輸入端接上音樂時，輸出端會想起悅耳的音樂，說明設(shè)計成功。6.2設(shè)計特點實現(xiàn)非常的簡單，電路容易理解，實驗容易進行，能夠盡少的減小實驗的成本，而且這種方案的主要器件有自我保護的措施，