OTL音頻功率放大器

./模擬電路課程設計報告設計題目：OTL音頻功率放大器專業(yè)班級：電信本學生：學號：39指導教師：設計時間：1月4日摘要功率放大器的作用是給音響放大器負載RL〔揚聲器,提供一定的輸出功率,當負載一定時,希望輸出的功率盡可能的大,輸出信號的非線性失真盡可能的小,效率盡可能的高,功率放大器的常見電路形式有OTL電路和OCL電路,有用繼承運算放大器晶體管功率放大器,也有去集成電路功率放大器,本文設計的是OTL功率放大器,該放大電路采用LM386高頻放大器芯片,LM386音頻放大器電路是做常用的音頻功率放大電路,LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗低,電壓增益可調,電壓圍大,外接元件少喝總諧波失真少等功率放大器。音頻功率放大器簡稱"功放",作用是放大調音臺或周邊設備〔信號處理設備送來的低電平音頻頻信號,使它的輸出功率足以驅動配接的揚聲器負載?，F有的音頻功率放大器都是以線性放大為基礎的模擬類功放,即把連續(xù)變化的音頻信號〔稱為模擬信號直接進行線性放大。所用的放大器件為電子管和雙極晶體管〔即NPN和PNP型半導體晶體管,簡稱晶體管兩類。按功放靜態(tài)工作點的設置又可分為A類放大、A/B類放大和C類放三種。A類放大的失真最小,音質好,但電源轉換率最低,器件的發(fā)熱量最大,生產成高,一般用于輸出功率較小的Hi-Fi發(fā)燒級功放。

C類放大的失真比A類大些,尤其是在小信號輸出時〔1/100輸出功率音質失真更明顯,但電源轉換效率高,器件發(fā)熱量小,性能/價格比高,一般用于輸出功率大的專業(yè)功放。A/B類功放的特點介于A類和C類之間,多用于家庭影院的AV功放。電子管功放巳有數十年歷史,是功放元老代。轉換速率高,工作可靠,偶次諧波失真小〔聽覺對偶次諧波失真特別敏感,音質上好,被人們寵愛。最大缺點是電源利用效率很低,電子管A類放的效率不到10%、C類約15-17%,大部分電能變?yōu)闊崃肯牡簟：碾姶?、發(fā)熱高、體積大、成本高等缺點,在專業(yè)音響系統(tǒng)中被晶體管功放替代。晶體管功放近20多年發(fā)展史,是第二代功放。最大優(yōu)點是電源轉換效率高?！睠類功放最高可達60%左右,體積小,重量輕、發(fā)熱量不大,生產成本低、缺點是轉換速率低,偶次諧波失真較大,音質和可靠性都略遜于電子管功放。故此次我們選擇用集成塊來做此次的課程設計。題目：OTL音頻功率放大器設計任務與要求設計任務學習基本理論在實踐中綜合應用的初步體驗,掌握模擬電路設計的基本方法,設計步驟,培養(yǎng)綜合設計能力和調試能力。培養(yǎng)實踐技能,提高分析和解決問題的能力。掌握OTL音頻功率放大器的設計方法,基本工作原理和基本性能的測試。通過OTL音頻功率放大器的設計、安裝和調試,進一步加深對互補對稱功率放大電路的理解,提高動手能力。設計要求設音頻信號為vi=10mV,頻率f＝1KHz；額定輸出功率Po≥2W；負載阻抗RL=8Ω；失真度γ≤3%；用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源。方案設計與論證2.1總體設計方案1、設計思路功率放大器的作用是給負載RL提供一定的輸出功率。當RL一定時希望輸出功率盡可能的大,輸出信號的非線性失真盡可能的小,且效率盡可能的高。由于OTL電路采用的是直接耦合方式,為了保證電路的工作穩(wěn)定,必須采取有效措施抑制零點漂移,為了獲得足夠大的輸出功率驅動負載工作,故,需要喲足夠大的電壓放大倍數,因此,性能良好的OTL功率放大器應由輸入級,推動級和輸出級等組成部分。2、OTL功放各級的作用和電路結構特征輸入級：主要是抑制零點漂移,保證電路工作穩(wěn)定同時對前級〔音調控制級傳來的信號作低失真,低噪音放大,為此采用帶恒流源由復合管組成的差分放大電路,切設置的靜態(tài)偏置電流較小。推動級：推動級的作用是獲得足夠高地電壓放大倍數以及輸出級提供足夠大的驅動電流,為此采用帶集電極有源負載的共射放大電路,切靜態(tài)偏置電流比輸入級大。輸出級：輸出級的主要作用是為負載提供足夠大的輸入信號功率,可采用由復合管構成的甲乙互補對稱功放的準互補功放電路。2.2方案一：分立元件電路基本工作原理：當輸入信號處于正半周期時,Q3導通,Q1截止。Q3以射級輸出的形式將信號傳遞給負載,同時向Co充電,因為Co電容量大,基級電壓基本保持不變,維持在Vcc/2,當輸入信號處于負半周期時,Q1導通,Q3截止,以充電的Co充當Q1的電源,同時放電,Q1也可以以射級輸出形式將信號傳輸給負載RL,這樣在RL上就得到了完整的輸出波形。方案二：用TDA2030做OTL音頻功率放大器電路為音頻功率放大器的原理圖,其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,輸出功率大于10W頻響為10-1400HZ,輸出電流峰值課達3.5A,其部有輸入級,中間級,輸出級,且有短路保護,和過熱保護,課確保電路工作安全可靠,TDA2030使用方便,外圍所接器件少,電位器可調節(jié)音量的大小。方案三：用LM386做OTL音頻功率放大器上圖為LM386與UA741構成的OTL音頻功率放大器,LM386音頻功率放大器是最常用的音頻功率放大電路,LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗低,電源增益可調,打壓圍大,外接元件少,和總諧波失真小,等優(yōu)點的功放塊2.3方案討論與確定方案一,分立元件電路,電路中所用地元器件多,成本高,焊接難,且,Uim=Vcc/2/Au,很難調到與理論值相等或接近,且難以保證U5Q=Vcc/2,晶體管受溫度影響大,溫度變化導致Q點發(fā)生變化,使得所測的數據誤差較大,難以達到設計目的,失真率難以控制,可能使得失真率>=0.03。方案二,用TDA2030做OTL音頻功率放大器,.TDA2030芯片所組成的功放電路,TDA2030是一款輸出功率大,TDA2030最大功率到達35W左右,靜態(tài)電流小,負載能力強,動態(tài)電流大既可帶動4-16Ω的揚聲器,電路簡潔,制作方便、性能可靠的高保真功放,TDA2030并具有部保護電路,TDA2030適用與功率相對LM386大的電路,缺點是放大倍數不可調,有時候無法滿足設計要求。方案三,用UA741和LM386做OTL音頻功率放大器,LM386是一種音頻集成功放,LM386具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點,廣泛應用于錄音機和收音機之中。LM386電源電壓4--12V,音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的,它的電源電壓圍非常寬,最高可使用到15V,消耗靜態(tài)電流為4mA,當電源電壓為12V時,在8歐姆的負載情況下,可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K?；旧夏軡M足設計要求。綜合上述優(yōu)缺點,選擇方案三選擇方案三的理由如下：電路設計簡化,組裝方便,只需在集成塊外接少量元件便能實現輸入輸出的各種放大關系。由于運放的開環(huán)增益都很高,用其構成的放大電路一般工作在深度負反饋的閉環(huán)狀態(tài),則性能穩(wěn)定,非線性失真小。LM386做的功率放大器零漂小,適合各種微弱的信號放大,又其具有很高地共模抑制比,對溫度的變化及其他外界干擾具有很強的抗干擾能力。由LM386構成的放大電路,功耗低,體積小,壽命長。使整機使用的元器件減少,成本降低,工作效率和可靠性也大大的提高。LM3876具有電業(yè)放大可調的優(yōu)點,能夠適應于各種微弱信號的放大。單元電路設計與參數計算電源部分,由直流穩(wěn)壓電源提供,電源部分參數計算交流電濾波電路濾波電路整流電路穩(wěn)壓電路提供的是220V的交流電源要變?yōu)?2V直流電變壓器用220V~12V規(guī)格設計思路〔1電網供電電壓交流220V<有效值>50Hz,要獲得低壓直流輸出,首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓?！?降壓后的交流電壓,通過整流電路變成單向直流電,但其幅度變化大〔即脈動大?！?脈動大的直流電壓須經過濾波電路變成平滑,脈動小的直流電,即將交流成份濾掉,保留其直流成份?！?濾波后的直流電壓,再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓,便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出,供給負載RL。直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置,它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成,其中：〔1電源變壓器：是降壓變壓器,它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。〔2整流電路：利用單向導電元件,把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電壓,常用的整流濾波電路有全波整流、橋式整流,此處用的是橋式整流電路?！?濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電壓。〔4穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定,不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。整流電路常采用二極管單相全波整流電路,電路如圖2所示。在u2的正半周,二極管D1、D2導通,D3、D4截止；u2的負半周,D3、D4導通,D1、D2截止。正負半周部都有電流流過的負載電阻RL,且方向是一致的。整流電路1、輸出電壓平均值UO<AV>和輸出電流的平均值IO<AV>.2、脈動系數二極管的選擇每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個周期通過電流,所以每只二極管的平均電流只有負載電阻上電流平均值的一半。二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓對于二極管最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓UR均應留10%的余地,以保證二極管安全工作。整流用的二極管可用1N4007電解電容用3300ufC2和C3可用0.1ufC4、C5、可用0.33ufC7、C8可用220uf發(fā)光二極管上的R用1KΩ濾波電路輸出電壓平均值當負載開路時當RLC＝〔3~5>T/2時考慮電網電壓波動,電容的耐壓值應滿足RC=〔3~5T/2即,應大于脈動系數S穩(wěn)壓電路若輸出電壓較高,接一保護二極管D,以保護集成穩(wěn)壓器部的調整管。LM7812和LM7912的輸出電壓分別了正負12伏C2和C3是用于抵消輸入線較長時的電感效應,以防止電路產生自激振蕩,其容量較小一般小于1微法圖中電容C4和C5是用于消除輸出電壓中高頻噪聲,可取小于1微法的電容,也可以去幾微法或幾十微法的電容,一邊輸出較大的脈沖電流.2、功能部分,參數計算Po>=2w,Uo>=4vVcc=12Uom=4.24v4.24>4滿足設計要求Ui=10mvAu=Uom/Ui=4.24v/10mv=424即Au>=400LM386來說最大的放大倍數為200倍,無法滿足400倍的設計要求,故需在LM386前面串一個ua741。Aumax=424ua741放大的倍數為2倍左右,取R1=1k,Au12,Au1=Rx/R12Rx用5K的電位器調。取C1=C5=10ufC2=0.1ufC3=0.05ufC5>=250uf總原理圖及元器件清單1、總原理圖、元器件清單2．元件清單元件名稱型號主要參數數量單價萬能板大號22.8電位器5K10.5電阻1K40.11010.1電容耐壓值25V0.1uf20.2耐壓值25V220uf20.6耐壓值25V0.33uf20.2耐壓值50V3300uf21耐壓值50V0.05uf10.1耐壓值50V10uf20.2耐壓值25V0.1uf20.2二極管IN4007耐壓值1000V,I=1A80.2發(fā)光二極管LED1.5V~2.0V,10mA~20mA20.3變壓器220V~12V19夾子紅、黑90.25導線鋁線兩米0.5集成塊UA74111LM38611LM7812Uo=12V、Io=100mA11LM7912Uo=-12V、Io=100mA11底座八腳20.4保險管10.5穩(wěn)壓管BZV55-C6穩(wěn)壓3.3V20.2揚聲器14總價33.2安裝與調試先在電路板上做好布局,然后進行焊接。焊接好電路到實驗室進行調試,初次調試發(fā)現電源部分正常,之后的功能部分焊好電路板后,進入實驗室調試時發(fā)現很難達到設計要求,連靜態(tài)工作點都測不出來,后面檢查發(fā)現是電路有個地沒焊好,虛焊了,改裝好電路后再次進入實驗室,進行調試時,靜態(tài)工作點是可以測出來,但是LM386的最大輸出不失真電壓達不到要求,老師說是集成塊滿足不了要求,叫我們在741和386之間再接一個電容器,并在386的1.8號腳之間接一個電位器來調節(jié)電壓放大倍數,我們回去改裝好電路后,又一次回到了實驗室,進行功能部分的測試,這次改裝后,電路的其它的要求基本上能滿足要求,但是最大輸出不失真電壓還是無法滿足設計要求,最后勉強調到了,3.56V勉強達到了300多倍,但還是無法達到400的設計要求,距離成功還差那么一步,后面換了個集成塊,差不多就達到了要求,總之調試了好久,其中發(fā)現了好多問題,但最終還是把這些個問題解決了！性能測試與分析電源部分性能測試實驗測得：副邊電壓：U1=15.6V、U2=-15.4V濾波后的電壓：U1=19.6VU2=-20.5V輸出電壓：Uo1=11.9VUo2=-12.0V穩(wěn)壓管的差：7812Uo1=9.5V7912Uo2=-9.3V所測項目理論值絕對誤差相對誤差輸出電壓Uo112V0.10.08%輸出電壓Uo2-1200副邊電壓U1150.63.8%副邊電壓U2-15-0.42.5%濾波后的電壓U1181.68.16%濾波后的電壓U2-18-2.512.1%誤差分析：輸入變壓器的交流電頻率不穩(wěn)定,導致輸出的電壓不是很穩(wěn)定,產生誤差,電路中得電阻不是標準電阻,電容也非標準電容,存在一定的誤差,電路中得參數不是很好,導致產生誤差,讀數時產生誤差功能部分靜態(tài)：ua741的部分的靜態(tài)輸出,U6Q=10.6VLM386的靜態(tài)部分輸出,U5Q=5.8V動態(tài)：輸入信號：Ui=10.13mvf=1000HZUa741的輸出電壓：Uo1=20.12mvLM386的最大不失真電壓：Uom=3.56V第一級的放大倍數Au1=第二級的放大倍數Au2=總的電壓放大倍數Au=Au1*Au2=1.98*179.6=358.4P=1.58W3、理論值：Ua741部分的靜態(tài)輸出：U6Q=LM386的靜態(tài)輸出：U5Q=LM386的輸出端最大不失真電壓：Uom=為了能達到Uom=4.13V,放大倍數Au>=4004、誤差計算：U6Q的誤差：W<U6Q>%=U5Q的誤差：W<U5Q>%=3.4%放大倍數的誤差：W<最大不失真電壓的誤差：W%=5、誤差分析：1.參數設計不是非常完美；導致產生一系列的誤差2測量儀器本身的老化產生的誤差；3焊接電路時焊點處有電阻被忽略,連接的線路也有電阻；4試驗時間過長溫度發(fā)生變化,使得一些元件的電阻發(fā)生變化；5連接電路時布局拉線太長了?。е庐a生了自激振蕩,使得波形不好。6.測量數據時讀數產生的誤差。7.所選得集成塊未能達到所要求的性能指標。七．結論與心得1.結論：本實驗還可以選擇其它集成塊來完成.例如,選用TDA2030來完成此實驗,TDA2030和LM386一樣是音頻集成功放,同樣可以實現同樣的功能。通過這次開放性實驗,我學會了制作電路,熟練了電路焊接方法以及掌握調試方法與測試參數；同時還提高了我們的動手能力和測試技術能力。在此次試驗中遇到一些困難,比如有一些元器件不能買到,我只能用其他元件代替,或買的與要求的參數稍有偏差,致使好多參數達不到要求。LM386的一號腳和八號腳之間即使不接電阻也很難達到200倍的放大要求,所以當要放大倍數大時,一般選擇在LM386之前接個ua741一起來調節(jié)放大倍數,本實驗時LM386的一號腳與八號腳之間接個電位器來調節(jié)電壓放大倍數,確保放大倍數的可調。靜態(tài)工作點得調試一定要合理,否則后面的是要容就很難達到設計要求,一開始調試時靜態(tài)工作點沒達到要求所以后面的設計要求也就無法達到要求,后面調整電路后靜態(tài)工作點達到要求后,后面的要求也就基本上就滿足了關鍵點還是靜態(tài)工作點。電路的布局要合理,電路板中的線如果過長的話,容易產生自激振蕩,所以布局一定要合理,不讓其產生子激振蕩。2.心得通過這次課程設計,我學會了好會了好多東西,剛拿到設計要求的時候一頭霧水,后面經過一番的差資料把那些個原理和要求基本上都解讀出來了,以為我們的電路圖無法仿真出來,所以經過我們小組四人的一起討論了好久,才確定了最終的方案,雖說過程有點曲折,但還是成功了,后面我們開始買器件,當器件當手后各自焊好電路板后,都開心的把MP3的音頻信號加進去,結果是喜人的,出來的是美妙的歌聲,后來到了,調試時發(fā)現還沒達到設計要求,又趕緊討論是出什么問題了,再次改進后又一次進入實驗室調試,結果還是悲劇的,問了老師后老師肯定了我們的原理圖是正確的,給我們提出來改進的方法,我們又回去改進電路,最后進入實驗室測試時,基本上達到了設計要求,雖說過程有的難,但是我們最后還是成功了。心情異