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音頻功率放大器電路設(shè)計(jì)及仿真分析1 任課老師： 院 系： 專(zhuān) 業(yè)： 年 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 一、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的 本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)和制備一個(gè)可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，從而了解音頻功率放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)也進(jìn)一步加深對(duì)模擬電路中所學(xué)知識(shí)的掌握和認(rèn)識(shí)，并通過(guò)單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和組合方法。 實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)要求復(fù)習(xí)和掌握運(yùn)算放大器的使用方法，即運(yùn)放同相比例放大器和反相比例放大器的結(jié)構(gòu)、計(jì)算和運(yùn)用。同時(shí)也要求復(fù)習(xí)和掌握有源濾波電路的基本結(jié)構(gòu)和原理。在電路設(shè)計(jì)中和實(shí)驗(yàn)中也需要了解對(duì)元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，掌握一些常用元件的性能。 另外，在本實(shí)驗(yàn)中還增加了直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及三端穩(wěn)壓器的使用方法，同時(shí)復(fù)習(xí)和加深對(duì)橋式整流電路理解。 熟悉Proteus軟件的使用方法，掌握該軟件的仿真分析方法,同時(shí)學(xué)會(huì)應(yīng)用Proteus軟件分析其他電路，為以后更好的學(xué)習(xí)電子電路準(zhǔn)備條件。 二、 實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)分析 本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)和制備一個(gè)可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，整體功能框圖如下圖所示：前置放大器 二級(jí)放大器 功率放大器 揚(yáng)聲器 前置放大器將信號(hào)源輸出信號(hào)放大 放大，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊羯幚? 聲源 變壓器 全橋整流電路 線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電路 電源輸入220V交流 穩(wěn)壓電源輸出 可以分為音頻放大和直流電源兩大部分。其中音頻放大電路的功能是將其他電子設(shè)備的音源信號(hào)進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過(guò)功率放大，最后去推動(dòng)揚(yáng)聲器輸出，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)擴(kuò)音器。直流電源部分則負(fù)責(zé)將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使用，同時(shí)，為了減小電源波動(dòng)引起的噪聲對(duì)放大電路的影響，電源部分采用線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源。 三、 直流穩(wěn)壓電源的分析和設(shè)計(jì) 為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中專(zhuān)門(mén)增加線(xiàn)性穩(wěn)壓電路，由三端穩(wěn)壓器7915和7815構(gòu)成，7915為負(fù)三端穩(wěn)壓，7815為正三端穩(wěn)壓。直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖如下： 由上圖可知直流穩(wěn)壓電源可輸出15V的電壓 1、全橋整流電路 從圖中可以看到，220V的交流電源經(jīng)變壓器降壓后，由全橋整流電路輸出直流，再由穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流，提供給放大電路使用。在設(shè)計(jì)中，音頻放大電路需要對(duì)稱(chēng)的雙電源，因此必須選擇次級(jí)有三端抽頭的變壓器，經(jīng)全橋電路整流和電容C1和C2濾波后，輸出對(duì)稱(chēng)的正負(fù)電源。 在這里需要重點(diǎn)注意的是，變壓器次級(jí)的中心抽頭就是所有電路中的公共地線(xiàn)。 2、三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源 要構(gòu)成線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源，最簡(jiǎn)單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器。這種集成電路塊內(nèi)部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護(hù)電路和啟動(dòng)電路等功能，但是外部引腳只有三個(gè)端口，分別接輸入電源，地，另一個(gè)端口輸出，其使用十分簡(jiǎn)單，只要將三個(gè)端口按規(guī)定接入電路就可以使用。 四、 音頻放大電路的分析和設(shè)計(jì) 1、前置放大電路 前置放大電路的作用簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是“緩沖”，將外部輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行放大并輸出。前置放大器是一個(gè)高輸入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路，實(shí)質(zhì)是一個(gè)反相比例放大電路，其電路圖如下： (1)電路輸入與輸出分析 由上圖可知輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)電壓值為-10mV，輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)電壓值為206mV，放大倍數(shù)約為20，與前置放大電路的計(jì)算值200/10=20（倍）相符。 (2)電路頻率響應(yīng)特性分析 圖（1） 圖（2） 由圖（1）可知，系統(tǒng)的最大頻率增益為26.0dB，則截止頻率處增益應(yīng)為26.00.707=18.38dB。依次測(cè)量電路截止頻率，如圖（2）所示 從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為10～63.7kHz. (3)電路噪聲分析 圖（1） 圖（2） 測(cè)量頻率為[10,10000]Hz時(shí)系統(tǒng)的噪聲電壓值。 測(cè)量系統(tǒng)最大噪聲電壓，如圖（1）所示，為604nV/ 從系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為 57 1nV/～604 nV/。 (4)電路失真分析 失真分析仿真結(jié)果圖 測(cè)量頻率為10Hz、10000Hz時(shí)電路二次諧波失真 測(cè)量頻率為10Hz、10000Hz時(shí)電路三次諧波失真 (5)傅里葉分析 輸入信號(hào) 輸入信號(hào)為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)基波增益Vom1=198mV 輸入信號(hào)為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)二次諧波增益Vom2=8.62mV 輸入信號(hào)為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)三次諧波增益Vom3=2.83mV 此時(shí)系統(tǒng)的失真度為：D≈（8.622+2.832）/1982≈5% 2、二級(jí)放大電路 由圖可知此二級(jí)放大電路由低通電路和高通電路組成 （1）電路輸入與輸出分析 從模擬圖表的仿真結(jié)果可知，電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了同相放大，同時(shí)輸出信號(hào)相位發(fā)生了偏移。放大倍數(shù)約為1.51/0.2=7.6。 （2）電路頻率響應(yīng)特性分析 圖（1） 圖（2） 圖（3） 由圖（1）可知系統(tǒng)的最大頻率增益為1807Db,則截止頻率處增益應(yīng)為 18.70.707=13.2Db,據(jù)此測(cè)量電路截止頻率，從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為38.5Hz～2.71kHz。 （3）電路噪聲分析 測(cè)量頻率為10Hz時(shí)系統(tǒng)的噪聲電壓值 測(cè)量頻率為10kHz時(shí)系統(tǒng)的噪聲電壓值 從系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為 75.1～213 nV/ （4）電路失真分析 10Hz～1MHz系統(tǒng)二次諧波與三次諧波引起的電路失真。 （5）傅里葉分析 輸入信號(hào)頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)基波增益為1.49V 輸入信號(hào)頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)二次諧波增益為2.11mV 輸入信號(hào)頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)三次諧波增益為1.70mV 此時(shí)系統(tǒng)的失真度為：D≈（0.002112+0.001702）/1.492≈0.2% 3、音頻功率放大器功率放大電路 （1）電路輸入與輸出分析 模擬仿真參數(shù)設(shè)置 添加輸出功率變化曲線(xiàn) 模擬仿真分析結(jié)果，從圖中的仿真結(jié)果可知系統(tǒng)輸入信號(hào)經(jīng)功率放大電路后功率被放大。 改變滑動(dòng)變阻器RV1的參數(shù)后模擬仿真結(jié)果。 從上述仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)以恒定功率輸入信號(hào)，而調(diào)節(jié)RV1可調(diào)節(jié)電路輸入阻抗。 （2）電路失真分析 電路仿真結(jié)果如下圖所示 4、音頻功率放大電路分析 電路圖如下，由前置放大電路、二級(jí)放大電路、功率放大電路組成。 （1）電路輸入與輸出分析 電路輸入信號(hào)為電壓幅度10mV、頻率為1kHz的正弦信號(hào)，輸入-輸出仿真結(jié)果圖，由上圖可知電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了反相放大，放大倍數(shù)約為：4740/10=474(倍)，同時(shí)還有一定的相位偏移。 （2）電路頻率響應(yīng)特性分析 圖（1） 圖（2） 圖（3） 由圖（1）可知系統(tǒng)的最大頻率增益為57.2dB，則截止頻率處增益應(yīng)為57.20.707=40.4dB。測(cè)量電路截止頻率如圖（2）和圖（3）。 從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為9.73Hz～10.4kHz。 （3）電路噪聲分析 圖（1） 圖（2） 圖（3） 從噪聲分析仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)對(duì)輸入噪聲進(jìn)行了放大。 測(cè)量頻率為[50，10000] Hz時(shí)系統(tǒng)的噪聲電壓值。如圖（2）和圖（3）所示。 測(cè)量系統(tǒng)最大噪聲電壓值，如圖（1）所示。 從系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可知在音頻放大器的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為 3.41 μV/～21.9 μV/ （4）電路失真分析 仿真結(jié)果如下圖所示 （5）傅里葉分析 輸入信號(hào)為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)基波增益Vom1=6.31V 輸入信號(hào)為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)二次諧波增益Vom2=7.63mV 輸入信號(hào)為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)三次諧波增益Vom3=6.61mV 系統(tǒng)失真度為：D≈(0.007632+0.006612)6.312≈0.16% (6)音頻分析 五、 PCB 設(shè)計(jì) 六、 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 1、通過(guò)本實(shí)驗(yàn)使我了解了音頻放大電路的基本組成及工作原理，以及直流穩(wěn)壓電源的組成及工作原理。 2、通過(guò)本實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，更加進(jìn)一步理解了模擬電路中的一些知識(shí)，設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，通過(guò)各種途徑查閱資料，這個(gè)過(guò)程讓我學(xué)會(huì)很多書(shū)本上沒(méi)有的知識(shí)，也加深了對(duì)書(shū)本知識(shí)的理解。 3、熟悉了Proteus軟件的使用方法，掌握該軟件的仿真分析方法，為以后的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。 4、整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程也鍛煉了我的動(dòng)手能力，也讓我再次深刻理解知識(shí)積累的重要性。另外，我們學(xué)習(xí)理工科的一定要注意觀(guān)察生活中的一些現(xiàn)象，在生活中檢驗(yàn)我們所學(xué)的知識(shí)，在生活中理解我們所學(xué)的知識(shí)。