音频小信号功率放大电路设计与制作论文 定稿教材

毕业设计论文 课题名称： 音频小信号功率放大电路设计与制作音频小信号功率放大电路设计与制作 学生姓名 欧大连 学 号 0501100219 学院（系） 机械与电子工程学院 专 业 应用电子技术 班 级 10 应电（2）班 指导教师 陈明芳 起讫时间： 2011 年 11 月 14 日 2012 年 01 月 06 日 广东科学技术职业学院 音频小信号功率放大电路设计与制作 摘摘 要要 音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出 了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长 足的进步。本设计主要描述了音频功率放大器的设计思路，硬件电路的调试过 程及测试结果。本设计采用 OTL 功率放大电路用于音频信号的放大，是本电路 设计的重要组成部分。OTL 功放电路由于它不需要变压器就减少了体积和信号 的失真。本设计主要由前级电路和功率放大电路两部分组成，前级电路用于音 频信号的一级放大，功率放大电路用于音频信号的二级放大，保证信号有足够 的功率可以从扬声器输出。 关键词：关键词：OTL 功率放大电路；前级电路；音频功率放大器；音频信号 广东科学技术职业学院 目目 录录 摘摘 要要I 第第 1 章章 绪论绪论 .1 1.1 引言1 1.2 音频功率放大器的发展.2 1.3 本课题设计意义.3 第第 2 章章 系统总体设计方案系统总体设计方案.4 2.1 设计要求4 2.1.1 设计依据4 2.1.2 基本要求4 2.2 设计思路4 2.3 整体框图5 2.4 方案比较与论证.5 2.4.1 方案一.5 2.4.2 方案二.7 2.4.3 方案三.9 第第 3 章章 单元电路设计单元电路设计 .11 3.1 前级放大电路的设计11 3.1.1 负反馈的概念.11 3.1.2 负反馈对放大电路的影响12 3.1.3 前级放大电路对负反馈的应用.13 3.2 功率放大电路的设计13 3.2.1 OTL 电路的概念13 3.2.2 OTL 功率放大电路的工作原理14 3.2.3 OTL 电路的主要性能指标.15 3.2.4 复合管的概念.16 3.2.5 复合管在本设计中的应用17 3.3 总电路的设计.18 第第 4 章章 硬件电路的制作与调试硬件电路的制作与调试.21 4.1 硬件设计21 4.2 系统调试主要测量仪器.21 4.3 系统调试22 4.4 误差分析22 第第 5 章章 结论结论 .24 参考文献参考文献 .25 致谢致谢 .26 附件附件 1 1 元器件清单元器件清单 27 附件附件 2 2 硬件电路板硬件电路板 28 广东科学技术职业学院 0 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着社会和技术的不断发展，音频功率放大器已经达到一个成熟的阶段。 音频功率放大器简称音频功放，它主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产 品中都要用到音频功放，比如手机、MP4 播放器、笔记本电脑、电视机、音响 设备等，给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转 换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交 流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的 倍， 是三极管的 交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会 等于基极电流的 倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流 (或电压)是原先的 倍的大信号，这现象 称为三极管的放大作用。经过不断 的电流放大，就完成了功率放大 。 常见的功率放大器工作方式有以下几种： 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。 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 ：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，Q1 Q2 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。 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。 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（脉冲宽度调制 )或 PDM(脉冲密度调制 )的脉冲信号 ,然后用 广东科学技术职业学院 1 PWM 或 PDM 的脉冲信号去控制大功 率开关器件通/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。 T 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D 类功率放大器相同，功率 晶体管也是工作在开关状态，效率和D 类功率放大器相当。 音频功率放大器的出现让我们的生活充满了活力与色彩，它是音响技术 领域无法或缺的一部分。有了它，把我们带进了电子产品的有声世界。 1.2 音频功率放大器的发展 回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件 饶有趣味的事情。 音频功率放大器的应用主要是音响技术领域。 音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个 阶段。 1906 年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。 1927 年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的 时代，比较有代表性的如“威廉逊“放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放 大器的失真度大大降低。至 50 年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期， 各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发 烧友所偏爱。 60 年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。 晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特 点。 在 60 年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路。到了 70 年 代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。 发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。 70 年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时 具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达 90dB、THD0.01%（100kHz 时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为 末级输出。 80 年代,数字功放成为了新一代的宠儿。 广东科学技术职业学院 2 1.3 本课题设计意义 随着电子技术的迅速发展，音频小信号功率放大器的用途也越来越广泛。 许多电子产品都要用到音频功率放大器，诸如音响、电视机、收音机等，均要 求放大电路的末级有足够的功率去推动扬声器（喇叭）音圈振动发出声音。这 种用于向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。音 频功率放大器的作用是将微弱的声音电信号放大为功率或幅度足够大、且与原 来信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。音频功率放大器应用最广 的是音响技术领域，用于扬声器的发声，是音响设计与制作中必不可少的一部 分。 本设计音频功率放大器是如今使用非常广泛的一类器件，为电子产品的发 声提供了许多的解决方案。本文设计的是一种音频小信号功率放大器，设计中 采用了 OTL 功放作为本课题的主要组成部分，通过前级放大电路与音频功率放 大电路的结合，利用两次放大，从而实现音频信号的输出。本设计制作的基本 技术指标要求：（1）当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时，在 8 电阻负载 （一端接地）上，输出功率 8w，输出波形无明显失真。 （2）通频带为 20Hz150kHz。 （3）输入电阻为 600。 （4）尽可能提高功率放大器的整机 效率。 本设计音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其 功率增加，然后输出。前级放大主要完成对小信号的放大，使用一个由电阻 和电容组成的电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要 的输入。后一级主要是对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要 的音频。本设计用到了两个晶体管： NPN、PNP 各一支；两管特性一致。 组成互补对称式射极输出器。还用到了OTL 功率放大器，这些是本设计的 核心部分。 新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频功 率放大器同样也不会例外。在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的 功率放大器的出现。 广东科学技术职业学院 3 第 2 章 系统总体设计方案 2.1 设计要求 2.1.1 设计依据 （1）与电子电路设计有关的国家和行业法规、技术标准与规范等； （2）本音频功率放大器设计任务书要求的技术范围。 2.1.2 基本要求 （1）当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时，在 8 电阻负载（一端接地） 上，输出功率 8w，输出波形无明显失真。 （2）通频带为 20Hz150kHz。 （3）输入电阻为 600。 （4）尽可能提高功率放大器的整机效率。 2.2 设计思路 本课题要求设计并制作一个音频功率放大器，要求当输入正弦信号电压有 效值为 5mv 时，在 8 电阻负载上，输出功率要大于等于8w，输出波形无 明显的失真；通频带在 20Hz 到 150kHz 之间；输入电阻要求为 600；尽 可能的提高功率放大器的整机工作效率。根据这些要求，本设计最好采用二 级放大来实现音频信号的输出。前级放大主要作用于电压信号的放大，二级 放大主要作用于功率的放大。这样的设计能保证音频信号有足够的功率能从 扬声器输出。 本课题要求设计一种音频功率放大器，在 8 电阻负载上输出波形为无明 显失真的正弦波。设计中采用分立元件组成音频功率放大器，采用三极管构 成一级放大电路，利用 NPN 和 PNP 管构成二级放大电路，采用滑动变阻器 改变输入电压。 广东科学技术职业学院 4 2.3 整体框图 本设计主要通过输入信号源，在一级电路将音频信号的电压放大后，传给 二级电路进行音频信号功率的放大，最后通过扬声器输出。本设计要求在 8 电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波， 当输入正弦信号电压有效值为 5mv 时，输出功率8w，尽可能提高功率放大器的整机效率。 电路通过改变 滑动变阻器的阻值来调节电压，使输出功率随着电压的变化而变化，从而达到 本设计的设计指标。系统整体设计框图如图 1-1 所示。 图 2-1 系统整体设计框图示意图 2.4 前级放大设计方案比较与论证 2.4.1 方案一 用 LM386 组成的 OTL 功放电路如图 1-2 所示，信号从脚同相输入端输 入，从脚经耦合电容（220F）输出。 图 1-3 为 LM386 芯片的管脚图，脚可以接电容，作用是作为去耦滤波电 容。脚与脚之间可以接电阻、电容用于调节电路的闭环电压增益。脚与 脚之间接滑动变阻器的话，可以通过改变电阻值，使集成功放的电压放大倍 前级放大 电路 输入音频 信号 功率放大 电路 输出级 负反馈电 路 电源电路 广东科学技术职业学院 5 数发生变化。R 值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取变阻器阻值 =0。图 1-2 输出端脚所接 10 电阻和 47nF 电容组成阻抗校正网络，抵消 负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。 图 2-2 LM386 构成的音频功