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音頻功率放大器電路設計及仿真分析1 任課老師： 院 系： 專 業(yè)： 年 級： 姓 名： 學 號： 一、 實驗內(nèi)容和目的 本實驗的內(nèi)容是設計和制備一個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，同時也進一步加深對模擬電路中所學知識的掌握和認識，并通過單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設計的步驟和組合方法。 實驗中重點要求復習和掌握運算放大器的使用方法，即運放同相比例放大器和反相比例放大器的結(jié)構(gòu)、計算和運用。同時也要求復習和掌握有源濾波電路的基本結(jié)構(gòu)和原理。在電路設計中和實驗中也需要了解對元器件的選擇標準，掌握一些常用元件的性能。 另外，在本實驗中還增加了直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求通過實驗掌握直流穩(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，同時復習和加深對橋式整流電路理解。 熟悉Proteus軟件的使用方法，掌握該軟件的仿真分析方法,同時學會應用Proteus軟件分析其他電路，為以后更好的學習電子電路準備條件。 二、 實驗電路的結(jié)構(gòu)分析 本實驗的內(nèi)容是設計和制備一個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 二級放大器 功率放大器 揚聲器 前置放大器將信號源輸出信號放大 放大，對信號進行適當?shù)囊羯幚? 聲源 變壓器 全橋整流電路 線性直流穩(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備的音源信號進行放大，然后再經(jīng)過功率放大，最后去推動揚聲器輸出，簡單來說，就是一個擴音器。直流電源部分則負責將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使用，同時，為了減小電源波動引起的噪聲對放大電路的影響，電源部分采用線性直流穩(wěn)壓電源。 三、 直流穩(wěn)壓電源的分析和設計 為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實驗的設計中專門增加線性穩(wěn)壓電路，由三端穩(wěn)壓器7915和7815構(gòu)成，7915為負三端穩(wěn)壓，7815為正三端穩(wěn)壓。直流穩(wěn)壓電源的設計圖如下： 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。在設計中，音頻放大電路需要對稱的雙電源，因此必須選擇次級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，輸出對稱的正負電源。 在這里需要重點注意的是，變壓器次級的中心抽頭就是所有電路中的公共地線。 2、三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的線性直流穩(wěn)壓電源 要構(gòu)成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡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、保護電路和啟動電路等功能，但是外部引腳只有三個端口，分別接輸入電源，地，另一個端口輸出，其使用十分簡單，只要將三個端口按規(guī)定接入電路就可以使用。 四、 音頻放大電路的分析和設計 1、前置放大電路 前置放大電路的作用簡單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音頻信號進行放大并輸出。前置放大器是一個高輸入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信號放大電路，實質(zhì)是一個反相比例放大電路，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與輸入信號反相，當系統(tǒng)的輸入信號電壓值為-10mV，輸出信號對應電壓值為206mV，放大倍數(shù)約為20，與前置放大電路的計算值200/10=20（倍）相符。 (2)電路頻率響應特性分析 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為26.00.707=18.38dB。依次測量電路截止頻率，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） 測量頻率為[10,10000]Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值。 測量系統(tǒng)最大噪聲電壓，如圖（1）所示，為604nV/ 從系統(tǒng)測量結(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 測量頻率為10Hz、10000Hz時電路二次諧波失真 測量頻率為10Hz、10000Hz時電路三次諧波失真 (5)傅里葉分析 輸入信號 輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號基波增益Vom1=198mV 輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益Vom2=8.62mV 輸入信號為頻率為100Hz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益Vom3=2.83mV 此時系統(tǒng)的失真度為：D≈（8.622+2.832）/1982≈5% 2、二級放大電路 由圖可知此二級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，電路對輸入信號進行了同相放大，同時輸出信號相位發(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為 18.70.707=13.2Db,據(jù)此測量電路截止頻率，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 測量頻率為10Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值 測量頻率為10kHz時系統(tǒng)的噪聲電壓值 從系統(tǒng)測量結(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 輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號基波增益為1.49V 輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益為2.11mV 輸入信號頻率為100Hz、幅值200mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益為1.70mV 此時系統(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)設置 添加輸出功率變化曲線 模擬仿真分析結(jié)果，從圖中的仿真結(jié)果可知系統(tǒng)輸入信號經(jīng)功率放大電路后功率被放大。 改變滑動變阻器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，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 電路輸入信號為電壓幅度10mV、頻率為1kHz的正弦信號，輸入-輸出仿真結(jié)果圖，由上圖可知電路對輸入信號進行了反相放大，放大倍數(shù)約為：4740/10=474(倍)，同時還有一定的相位偏移。 （2）電路頻率響應特性分析 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為57.20.707=40.4dB。測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)對輸入噪聲進行了放大。 測量頻率為[50，10000] Hz時系統(tǒng)的噪聲電壓值。如圖（2）和圖（3）所示。 測量系統(tǒng)最大噪聲電壓值，如圖（1）所示。 從系統(tǒng)測量結(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 輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號基波增益Vom1=6.31V 輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號二次諧波增益Vom2=7.63mV 輸入信號為頻率為1kHz、幅值為10mV的正弦波信號時輸出信號三次諧波增益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 設計 六、 實驗總結(jié) 1、通過本實驗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、通過本實驗電路的設計過程，更加進一步理解了模擬電路中的一些知識，設計電路的過程中，通過各種途徑查閱資料，這個過程讓我學會很多書本上沒有的知識，也加深了對書本知識的理解。 3、熟悉了Proteus軟件的使用方法，掌握該軟件的仿真分析方法，為以后的學習打下一定的基礎。 4、整個實驗過程也鍛煉了我的動手能力，也讓我再次深刻理解知識積累的重要性。另外，我們學習理工科的一定要注意觀察生活中的一些現(xiàn)象，在生活中檢驗我們所學的知識，在生活中理解我們所學的知識。