Mulisim和Proeus软件音频放大器设计.doc

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1、第28页 音频放大器的设计摘要 ：本文主要介绍音频放大电路的设计与调试。音频放大电路主要包括三部分：稳定的直流电压源，信号发生器以及带有滤波器的功率放大电路。在构建好电路的每一个环节后要对音频放大电路的每一部份进行仿真分析。在Multisim和Proteus软件的辅助下尽可能的使电路各项指标接近或达到实验设计要求。再将电路各部分连成整体，整体把握音频放大电路的性能。有了完整的设计方案后利用Protel软件将电路图制成PCB仿真图，布局不仅要符合原理图而且要合理经过处理后生成光绘文件。到此一切设计方案结束。接下来将设计方案原理制成PCB板，通过原理图及所要元件焊接电路板，在对电路板进行测试最终完

2、成小学期设计任务。关键词：功率放大电路，稳压直流电源，滤波电路，波形发生器，音频放大电路，PCB板The design of the audio frequency enlargerAuthor：Wang Wen Zhe Tutor: Zhou Run JingAbstract: This paper describes the audio amplifier circuit design and debugging. Audio amplifier circuit mainly includes three parts: a stable DC voltage source, signal

3、generators, and power amplifier circuit with a filter. In a good circuit to build every aspect of the audio amplifier circuit and after going to every part of the simulation and analysis. In the Multisim or Proteus software, assisted the targets as much as possible so that the circuit close to or me

4、ets the test design requirements. The various parts of the circuit and then connected into a whole, the overall grasp the audio amplifier circuit performance. With a complete design proposal is made using protel software PCB schematic simulation diagram, layout diagram should not only meet but also

5、to generate a reasonable processed Gerber files. All designed to this end of the program. The next will be made of PCB board design principles, through the schematic and the circuit board to be welded components in the circuit board to test the final period to complete their primary design task.Key

6、words: power amplifier circuit, regulated DC power supply, filter circuits, waveform generators, audio amplifier circuit, PCB board目 录第一章 绪论1.1 音频功率放大电路概述51.2 音频放大电路的发展51.3 音频功率放大电路的分类61.4 本次设计的主要目的、意义71.5 设计总体要求及实现基本指标的方略7第二章 方案的选择讨论及应用2.1 方案选择讨论2.1.1 直流稳压电源的选择及设计 10 2.1.2 信号发生器的选择及设计 12 2.1.3 功率放大

7、电路的选择及设计 12 2.1.4 滤波器设计 142.1.5 带有滤波器的功率放大电路设计 162.2 电路的仿真分析2.2.1 直流稳定电源的仿真分析 162.2.2 信号发生器的仿真分析 192.2.3 滤波器的仿真分析 212.2.4 带有滤波器的功率放大电路仿真分析 222.2.5 音频功率放大器整体仿真分析 24结论 24致谢 26参考文献26附录 28第一章 绪论1.1音频功率放大电路概述音频功率放大器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声元器件获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声元器件，使原声响重现。其电路一般可分为两部分，前一部分进行小信号电压幅值

8、放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相连。一般扬声器的阻值较低，仅有8左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电脑的有源音箱大多采用这种方式。其简单的构成框图如图1-1所示。电源模块信号源前置放大器扬声器功率放大器 图1-11.2音频放大电路的发展随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作

9、，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块USP3；可对12000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。20世纪80年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。80年

10、代中期欧洲首先推出了采用MOSFET音频场效应管功放。MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为150W/8等。90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司（ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。第3代MOSFET功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外MOSFET

11、开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。1.3 音频功率放大电路的分类音频功率放大器主要有电子管式功率放大器、晶体管式功率

12、放大器和集成电路功率放大器等三种。具体包括以下几类：1、A类放大器A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。2、B类放大器B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半周期正弦

13、波时与正半周期相反，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V-0.6V之间时，Q1Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。3、AB类放大器AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。4、D类放大器D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率

14、开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。以上几类放大器中AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。1.4 本次设计的主要目的、意义本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用家用电器的内部电路结构，从而为以后的学习和工作作好知识保障。另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方

15、式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。1.5 设计总体要求及实现基本指标的方略（一）基本要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（510）mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR2W； 带宽BW（5010000）Hz； 在POR下和BW内的非线性失真系数3%； 在POR下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流噪声功率10mW。（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的直流稳压电源。（二） 发挥部分（1）直流稳定电源 在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%-20%条件下：a.输出电压可调范围为05Vb.最大输出电流为1.5

16、Ac.电压调整率0.2%d.负载调整率1%e.纹波电压5mVf.有过流及短路保护功能（2）波形发生器a. 具有产生正弦波的功能b. 输出波形的频率范围为10Hz-200KHzc. 输出波形幅度范围0-5V（3）滤波器设计a. 10Hz20KHz的带通滤波，增益为一b. 50Hz干扰抑制（三）实现方略当音频放大电路输入为（5-10）mV，额定输出功率POR=2W时，在RL=8上的正弦输出电压幅值为Vom=5.66V假设输入正弦波幅值为最小值5mv时，则整个放大器的电压增益为Av=20lg =20 lg=61dB61dB的增益在2-3级放大器中如何分配，也是比较关键的。通常的功率输出级的增益为20

17、dB左右，前置放大级要承担41dB以上的增益。目前的集成工艺已经相当发达，现在已有专用的低频前置放大器集成电路，其开环增益都在100dB左右。指标中要求放大器的带宽BW50Hz-10k Hz，对50Hz的低频响应就要求各级的输入耦合电容和输出电容足够大，特别是耦合到负载RL=8上的电容CL要求很大。CL可以按如下关系估算 =397.89F。为满足耦合要求，CL应大于 值的50倍，即CL=19894.5F。这样大的电容是无法选用的，所以只能采用没有输出电容CL的OCL电路。这样，就要求稳压电源为对称双电源。指标中的非线性失真系数3和效率55是有联系的。非线性失真小，末级功放就要工作在甲乙类，这时

18、就必然使效率降低，故两者必须兼顾。音频放大电路的设计要满足以下几个要求： 信号基本不失真信号功率的放大并能驱动负载。 10到20kHz通频带宽并且有除噪声功能（且虑除50Hz频率波）电路性价比要合适。本次设计电路的框图如图1-5所示。图1-5第二章 方案的选择讨论及应用2.1 方案选择讨论2.1.1 直流稳压电源的选择及设计设计思想：稳定直流源设计的一般思路是让输入市电先通过变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。方案（一）我们可以采用以桥式整流电路实现整流的目的，以大电容作为滤波电路，然后接负载。但是这样做有以下不足之处：如负载的影响很大，电压不可调以及没有保护电路等一下列

19、问题。我们采用某些芯片，可以解决以上的问题。方案（二）以全桥整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7815和7915设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。如图2-1-1所示，220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7815CT与LM7915CT作用得到15V的直流输出。图2-1-1（1）图2-1-1（2）注：（1）图中滑动变阻器R3,R4的存在使电源输出变的可调。电阻R1，R2为保护电阻，可以起到过流保护作用。也可以在芯片两端加上两个对称的二极管（替代电阻），以起到过流保护

20、和短路保护的作用如图（2）所示。2.1.2 信号发生器的选择及设计波形发生器主要作用是产生信号，作测试作用，本身不属于音频放大电路的组成部分，所以对于它的设计，要求没有也没有必要象音频放大电路和直流稳压电源要求那样苛刻。只要满足要求便可以了。波形发生器工作原理是通过电路本身的自激振荡来实现的。发生器按材料主要分RC，LC和石英晶体三种形式。本次设计电路采用RC正弦振荡器，即文氏桥发生器。如图2-1-2所示。图2-1-2注：信号发生器在本此设计中是作为测试信号用。设计要求是0到5V频带可调的实验电路。对于输出电压可调，可以通过改变电阻R6的值来实现。对于频带的调节可以通过C1，C2，R1和R2来

21、实现，即输出信号的频率为，其中R=R1=R2，C=C1=C2。所以可以通过同步调节R1，R2和C1，C2实现有不同频率的信号的输出。 2.1.3 功率放大电路的选择及设计前置级设计思想：本次设计要求的电压放大倍数大约是1000到2000，用直接耦合电路很难实现，我们可以通过阻容耦合放大电路来实现。因为使用阻容耦合放大倍数各级不相互影响，所以很容易得到很大放大倍数。采用集成运算放大器来实现高增益。因为集成运放的放大倍数一般在100000以上，所以满足放大倍数很简单。而且集成运放的的低频特性很好，所以我们可以通过查有关参数来满足低频特性。但是本实验中对于带宽和增益都有严格的要求，而带宽和增益是成反

22、比的，也就是说带宽越大增益越小。二者是矛盾的。但可以通过以下的方案解决。我们可以选择增益带宽积很大的管子。这样便可以满足增益和带宽两者的要求。我们也可以通过选用两个运放来是实现要求。一个运放是用来满足增益的要求，另外一个是满足带宽的要求。电路图如图2-1-3（1）所示图2-1-3（1）输出级设计思想：本设计采用OCL电路因为它具有以下的优点,失真系数小，相同条见下能承受的功率大，能量转化率高等一系列的优点。音频放大电路要求保证电路工作稳定,具有抑制零漂和能够向负载提供大功率的能力。因此本设计选用OCL电路。要保证电路的稳定，一者要选择好合适的静态工作点，二者要求直流电压源稳定。要抑制零漂，需要

23、在选择晶体管时特别注意，我们要求输出级两晶体管，在参数上要严格对称。电路图如图2-1-3（2）所示：图2-1-3（2）2.1.4 滤波器设计设计思想：对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过。由运放构成的有源滤波器无损耗、成本低、而且前后级滤波器容易耦合。通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)和全通滤波器(APF)。在本次设计中我们不仅需要频带为10-20KHZ的带通滤波器，还需要一个可滤除50HZ干扰的带阻滤波器。采用低通-高通级联实现

24、带通滤波器；在级联上50Hz陷波器就构成了所要设计的滤波器如图2-1-4（1）所示。图2-1-4（1）图2-1-4（2）注：图2-1-4（1）中第一级为高通滤波电路(HPF)、第二级为低通滤波电路(LPF)、第三级为50Hz干扰抑制电路。图2-1-4（2）就是有名的双T型滤波网络，它是带阻滤波器，图中INPUT点是输入信号处，OUTPUT点是信号的输出处。通过它可以将50HZ噪声滤除。2.1.5 带有滤波器的功率放大电路设计综合滤波电路图及功率放大电路图就可得到带有滤波器的功率放大电路。图2-1-5是一个带有滤波器的功率放大电路。前置级是一个单级放大电路这样会使电路图较为简单。图2-1-52.

25、2 电路的仿真分析2.2.1 直流稳定电源的仿真分析直流稳压电源的实验要求：此设计电路主要是将220V,50HZ，电压变化范围+15%到-20%条件下，转化为满足以下条件的直流稳压电源。电压可调范围为5到正负15V；最大输出电流1.5A； 电压调整率=0.2%负载调整率=1%纹波电压（峰-峰）=5mV效率40%具有过流保护及短路保护功能直流电压源的仿真分析（transient）图如图2-2-1所示：图2-2-1（1）通过调节滑动变阻器R3、R4可得05V电压如图2-2-1（2）所示。图2-2-1（2）由图可知输出电压为+5.0265和5.0115，基本符合设计要求。2.2.2 信号发生器的仿真

26、分析信号发生器的性能指标：此电路主要用来产生满足以下条件的波形：输出波形是正弦波；输出波形频带是10HZ到200kHZ增加稳伏输出功能，当负载变化时，电压变化不大于正负3%。仿真分析：当R7分别为1K、10K、100K时的瞬态分析如图2-2-2：负载电阻为1K时：图2-2-2（1）负载电阻为10K时：图2-2-2-（2）负载电阻为100K时：图2-2-2（3）由以上三个图可知曲线幅值基本没有变化说明外加负载R7对此电路没有影响。2.2.3 滤波器的仿真分析性能要求：10Hz20KHz的带通滤波，增益为一， 50Hz干扰抑制频响特性分析如下：图2-2-3（1）图2-2-3（2）图2-2-3（3）

27、由图（1）知该滤波器对50Hz频波有很好的抑制作用。由图（2）知通频带为13Hz19KHz与设计要求很吻合！图（3）为没有50Hz陷波器时的带通滤波器。2.2.4 带有滤波器的功率放大电路仿真分析功率放大电路是存在级间反馈形式的放大电路，又因为它的放大倍数是500以上，满足深度负反馈的条件的，则放大倍数Au = , A1，又R1=1kohm,R2=820kohm, Au约=1/F;F= =,Au=821。、静态工作点分析如下：由DC分析可得静态功放输出端对地电压约为0。、transient分析：由图知放大倍数约为935倍，与理论计算接近。2.2.5 音频功率放大器整体仿真分析AC分析：由图知带

28、宽满足设计要求。瞬态分析如下：由瞬态分析图知放大倍数约为582倍，输入电压10mv,据P=，RL=8欧，P=2.1w,符合设计要求傅里叶分析：由图知非线性失真系数为0.16基本满足要求。结论在独立完成音频功率放大器设计的过程中，我对电路的设计能力有显著提高，尤其是对所学电路知识有了新的认识。本设计电路简单高效，失真小，选频特性较好，达到了设计目的和要求，但在电路的整个设计过程中存在很多问题：虽然理论上达到了设计要求，但在实际操作过程中理想与现实总是存在很大差异。在一些元器件的选择上，性能较好的管子参数很好但性价比较低。更有一些元件市场上买不到。应此在电路设计时一定要寻求最优化设计。在设计电路的

29、每一部分时也有很多问题需要注意：放大倍数和频带宽度是相互矛盾的，此消彼长。在使用电容时更要小心因为电容的串联与并联正好与电阻的相反。如果不多加小心也许会走很多弯路。在设计电路时考虑到元器件差异，理论与实际的差异及元器件对电路复杂程度的影响和电路的性价比等因素，所以在设计电路时一般都有多于一套的方案及备用元件来更好的完成此次试验。在做PCB板时也遇到很多问题：排板不合理，有些元器件需要自己设计封装图，还需要考虑元件散热问题等。在焊接电路板时需要注意焊接技巧，若不细心则会出现虚焊或焊接不美观，更糟糕的是可能损坏元器件。总而言之，通过这次小学期设计我相信对我今后学习会有很大帮助！致谢在为时一个多月的

30、设计与仿真中，我得到了很多同学的帮助和周润景老师的认真指导，才最终得以完成。在此特向帮助过我的同学和各位辅导老师致以最诚挚的谢意和忠心的感谢，并特别感谢周润景老师和韩丁老师的孜孜教诲以及任哲坡，高斌，杨峰等同学的热情指导和帮助。参考文献主要参考文献：1 .周润景 张丽娜 刘印群 编著.PROTEUS入门实用教程.北京：机械工业出版社，2007.92. 周润景 张丽娜 编著. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.05.013. 童诗白 华成英 主编. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2000.3 4. 王松武 赵旦峰 于蕾 王扬 编著

31、.常用电路模块分析与设计指导.北京：清华大学出版社2007.45. 黄正瑾 主编.电子设计竞赛赛题解析.南京：东南大学出版社，2003.56. 周润景 张丽娜 编著.Protel 99 SE原理图与印制电路板设计.北京：电子工业出版社，2008.87. 徐治邦 编著 集成电路音响放大器. 北京：新时代出版社,1984.18. 王增福 李昶 魏永明 编著 新编线性直流稳压电源. 北京：电子工业出版社，2004.119. 韩广兴 编著 电子元器件与使用电路基础. 北京：电子工业出版社，200210. 吴运昌 编著 模拟集成电路原理与应用.广东：华南理工大学出版社，1995附录A：电路元器件清单=波

32、形发生器Quantity Description Reference_ID Package4RESISITOR,1KR1,R2,R4,R7RESO.52 RESISITOR,2.2K R3,R5RESO.51 POTENTIOMETER, 1K_LIN R6 LIN_POT2 DIODE, 1BH62 D1, D2 3-3B1A2 OPAMP OP44或 (3554AM)直流稳定电源Quantity Description Reference_ID Package1 TRANSFORMER, TS_AUDIO_10_TO_1 T1 XFMR_5PIN2 CAP_ELECTROLIT, 1000

33、uF C1, C2 ELKO10R52 CAP_ELECTROLIT, 10uF C3, C4 ELKO10R52 RESISTOR, 510ohm R1, R2 RES0.51 FWB, 1G4B42 D1 12-7A2A2 POTENTIOMETER, 1K_LIN R3, R4 LIN_POT1 VOLTAGE_REGULATOR, LM7815CT U1 TO-2201 VOLTAGE_REGULATOR, LM7915CT U2 TO-220带有滤波器的功率放大电路Quantity Description Reference_ID Package2 CAP_ELECTROLIT, 1

34、0uF C4, C1 ELKO10R51 CAP_ELECTROLIT, 22uF C2 ELKO8R51 RESISTOR, 1.5kohm R11 RES0.51 RESISTOR, 10kohm R1 RES0.51 RESISTOR, 1.0Mohm R14 RES0.51 CAP_ELECTROLIT, 100uF C3 ELKO10R51 RESISTOR, 8ohm R9 RES0.54 RESISTOR, 1.0ohm R5, R6, R8, R10 RES0.52 RESISTOR, 51ohm R4 , R7 RES0.51 BJT_PNP, D43C12 Q2 TO-202AB1 BJT_NPN, D42C3 Q1 TO-202AB1 OPAMP, 3554AM U2 TO-992 DIODE, 1N3595 D1, D2 DO-35附录B PCB板=