学 海 无 涯 第 0 章 前言 本次模拟电子基础课程设计根据设计要求 完成对音频功率放大器的设计 了解音 频放大器的基本电路结构 概述音频放大器的构造及功能 对电路的各部分功能作简要 解释 进一步加强对模拟电子技术知识的理解和对 Protel 软件的应用 对电路进行调 与仿真 得到重要性能参数且要求要有电路的输入与输出波形 了解集成功率放大器内部电路工作原理 掌握其外围电路的设计与主要性能参数的 测试方法 对放大器的一些性能指标进行研究分析 对输入输出波形研究以及对频率 效应的研究等等 学习音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的安装调试方 法 学 海 无 涯 第一章 1 1 设计目的设计目的 根据设计要求 完成对音频功率放大器的设计 进一步加强对模拟电子技术知识的理解和对 Protel 软件的应用 了解集成功率放大器内部电路工作原理 掌握其外围电路的设计与主要性能参数的 测试方法 学习音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的安装调试方法 1 2 设计要求设计要求 内容 设计并制作一 OCL 音频功率放大器和与之匹配的直流稳压电源 指标 PoM 5W fL 50Hz fH 15KHz 中点电位 100mV 负载 8 2 输入电压 50mV 学 海 无 涯 第二章第二章 2 1 方案选择方案选择 音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率 要求输出功率尽可能大 效率尽可 能高 非线性失真尽可能小 输出功率指的是功放提供给负载级的功率 为达到这一要求 功放管的电压和电流 变化范围应尽可能大 功率放大器的效率指的是负载上得到的功率与电源提供的直流电源的功率之比 为 达到这一要求必须选择合适的电路 下文中会有描述 非线性失真要小 功率放大器是在大信号状态下工作的 电压 电流摆动幅度交大 很容易超出管子特性曲线的线性变化范围而进入非线性区 造成输出信号波形的非线性 失真 因此 功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真严重 为了减小这种失真 本设计选择下文所述方案 功率放大器的常见电路形式有单电源供电的 OTL 电路和正负双电源供电的 OCL 电 路 有集成运放和晶体管组成的功率放大器 也有专用集成电路功率放大器芯片 根据 设计指标及要求 选择 NE5532 功放芯片的双电源供电的 OCL 互补推挽对称功放电路 此推挽功率放大器工作在甲乙类状态 其目的是为了减小交越失真 电路在工作时 由于每管的工作点稍高于截止点 因此有一很小的静态工作电流 CQ I 这样便可克服管 子的截止区电压 使两只管子交替工作处的负载电流按标准正弦规律变化 从而克服了 交越失真 OCL 互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级 前者为后者提供一定的 电压幅度 后者则向负载提供足够的信号 以驱动负载的工作 2 2 电路设计电路设计 学 海 无 涯 设计框图 I In n 电路分析与计算 一 复合管准互补推挽电路的实现 电路图如下图所示 由于大功率的 NPN 和 PNP 管不容易做到良好的对称性 为了提高功 放电路的性能 在实际电路中广泛采用复合功率管 在图中 2 T 4 T为同型的 NPN 大 功率管 容易配对 可以输出较大的电流 1 T 3 T采用异型的 NPN 和 PNP 小功率管 也 容易配对 这样既获得良好的对称性又获得较大电流输出 在实际电路中 1 T 3 T的发 射极和集电极分别接上一个电阻 使 2 T 4 T能有一个合适的工作点 2 R的作用是调整 电路的整体对称性 减小因管子性能而引起的不对称性 二 整体电路原理图为 运放运放 IC OCL 功放功放 学 海 无 涯 三 对电路各部分的定性说明及定量计算 1 电源的确定设计要求为 PoM 5W 管子的 CES U 3V 由 PoM CCCES V U 2 L 2R 可知 若 CC V 9V 则 PoM 2 25W5W 符合要求 综上可知 选择电源电压 CC V 15V 为功放提供直流电源 2 运放的选择由设计要求 fL 50Hz fH 15KHz 故同频带约为fbw fH 15KHz 初步 估计运放的放大倍数 在 110 120 之间 故增益带宽积为 fH 15 1000 110 1 65MHz 而 F007 的 GBW 为 1MHz 不能满足要求 经查阅资料可知 运放 NE5532 的 GBW 为 10MHz 而且其他方面的性能都能满足设计要求 故本设计选择 NE5532 作为前级 驱动运放 3 功率输出级的设计 输出功率管的选择 输出功率管 2 T 4 T为同型的 NPN 大功率管 其承受的最大反向电压为 maxCE U 2 CC V 30V 最大集电极电流为 maxCM I 8 CC L V RR 1 25A 最大集电极耗散功率为 maxCM P 2 2 CC L V R 3W 因此在选择 2 T 4 T时 除了应使每只管子的 值尽量对称外 其 极限参数满足下列关系 CEO U maxCE U 2 CC V 学 海 无 涯 CM I maxCM I 1 25A CM P maxCM P 3W TIP31NPN 型大功率管的参数为 CEO U 5 0A CM I 40V CM P 40W 均能满足设计要求 电阻阻值估算 6 R 7 R用来减小复合管的船头电流 太小会影响复合管的稳定性 太大又会影响 输出功率 一般取几百欧姆 在此取 6 R 7 R 5 10 2i R 330 2i R为 2 T管输入端的 等效输入电阻 其大小为 2i R 2be r 1 2 8 R 输出管 2 T 4 T的发射极和集电极所 接电阻一般取 8 R 9 R 0 05 0 1 L R 0 5 4 R 5 R的阻值大小要根据输出级输入信 号的幅度和前级运放的最大输出电流来决定 电路的静态工作点主要由 0 I决定 0 I过小 会使晶体管工作在乙类状态 产生交越失真 0 I过大会增大静态功耗而使功率放大器的 效率降低一般取 0 I 1 5mA 由 0 I 45 2 CCD VV RR 计算得 4 R 5 R 10k 2P R取 1 k 用来调 整电路的对称性 四 直流稳压电源 设计框图 学 海 无 涯 电路原理图如下 图中 1 D 4 D构成单相桥式整流电路 1 C 4 C组成电容滤波电路 这里需要大容量的电容 一般采用电解电容 为了确保安全及输出电压的稳定性 选用容量为 2200 F 的电解电 容 LM317 和 LM337 分别为三端可调正稳压和负稳压器 输出范围分别为 1 2V 37V 和 1 2V 37V 整个电源的电压输出范围为 0 15V 和 0 15V 能够满足音频功放所需 2 3 安装与调试 按照设计好的电路原理图进行制板 完成后按顺序将所用元器件依次焊接到做好的 PCB 板上 焊接的过程中要尽量避免虚焊 整个电路焊接完成后进行测试 用万用表测 得中点电位为 30mV 符合设计要求 其他各项指标参数需到实验室借助有关仪器进行测 试 参考文献 1 林春方 电子线路学习指导与实训 第 20 页 电子工业出版社 XXXX 2 周凯 EWB 虚拟电子实验室 第 208 到 212 页 北京交通大学出版社 XXXX 3 柳春峰 电子设计自动化 EDA 教程 第 94 页 北京理工大学出版社 XXXX 学 海 无 涯 体会与建议 本次课程设计至此已经接近尾声 设计的时间虽然不是很长 但在整 个设计过程中收获颇丰 整个课程设计过程中首先对模拟电路这门课程有 了更深的了解 因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际 的电路设计当中去 在电路的设计过程中 无形中便加深了对模拟电路的 了解及运用能力 对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解 以前的模电实验只是针对某一个小的功能设计 而此次课程设计对我们的 总体电路的设计的要求更严格 需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了 实验总体设计方案 然后逐步细化进行各模块的设计 另外 通过此次课 程设计 我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解 这对我们以后的工 作和学习的帮助都很有用处 通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距 而且也让我很明 确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞 以后应该多钻研一下 学 海 无 涯 附录 将电路进行仿真得到的波形图如下图所示 在保证最大不失真的最大输出功率为P Rl Vcc 2 2 9 加大电压可看出波形出现了失真 学 海 无 涯