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模电课设论文

电子技术课程设计论文

——音频功率放大系统设计

院系：

电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

1041

姓名：

王哲

学号：

01号

指导教师：

刘强

2011年11月26日

目录

第一章绪论

第二章系统方案认证

2.1功率放大电路的一般问题3

2.1.1功率放大电路的特点及主要研究对象

2.1.2功率放大电路的工作原理

2.2音频功率放大系统的形成4

2.2.1音频功率放大电路的方案

2.2.2音频功率放大电路的原理

第三章硬件设计

3.1音频功率放大器ML3866

3.1.1LM386的特性

3.1.2LM386内部结构

3.1.3LM386的典型应用电路

3.2BJT9013晶体管8

3.3电容8

3.4扬声器10

第四章焊接技术

4.1焊接电路板的操作步骤13

第五章总结与心得

第六章致谢

附录一：

参考文献

附录二：

原理图

第一章绪论

在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标音响设备得出不同的评价。

尤其是在全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效，节能，数字化的音频功率放大器。

它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。

模拟功率放大器通过采用优质的元件，复杂的补偿电路，深度负反馈，使失真变得很小。

所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。

本次音频功率放大系统的设计，我们采用了LM386音频功率放大器作为核心元件。

它具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，主要应用于低电压消费类产品，广泛应用于录音机和收音机之中。

应用LM386时，为使外围元件最少，电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

在本书的后面章节里，我们将详细介绍音频功率放大系统及其内部元件的工作原理及应用范围。

尤其是对于音频功率放大器LM386，我们将从它的原理、特性和应用等方面来一一阐释，使大家对音频动率放大系统的制作、使用以及未来的发展前景有一个更加详细的认识和了解。

更重要的是，通过本次系统的学习和制作，激发大家学习的热情，培养大家的创新能力和实践能力。

为以后大家获得更好的学习能力和动手能力打下一个好的基础。

第二章系统方案认证

音频功率放大系统的内部原理图是个功率放大电路，因此，音频功率放大系统能否达到工作要求的核心就是该功率放大电路能否正常工作。

我们将在本章中详细介绍音频功率放大系统以及其制作。

在这些知识的辅助下，焊接出在放大电路的作用下能将声音信号放大的音频功率放大器。

2.1功率放大电路的一般问题

2.1.1功率放大电路的特点及主要研究对象

为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。

由于输出功率大，因此直流电源消耗的哦那个绿也大，这就存在一个效率问题。

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。

这个比值越大，意味着效率越高。

功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。

但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就将为次要问题了。

在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。

为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。

此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，器件承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。

2.1.2功率放大电路的工作原理

1.射极输出器——甲类设计输出器的电压增益虽然近似为1。

但电

流增益很大，可获得较大的功率增益。

由于它有一突出优点：

输出电阻小，带负载能力强，因而常用作集成放大器的输出级。

2.乙类双电源互补对称功率放大电路工作在乙类的放大电路，虽然管

耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被销掉了。

如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都能加到负载上，而从负载上得到一个完整的波形，这样就解决了效率与失真的矛盾。

2.2音频功率放大系统的形成

2.2.1音频功率放大电路的方案

1.印刷板布局与所有低噪声、高品质的电路板布局一样，需要特别注意LM386接地和电路设计布局。

接地和星形连接对音频电路板布局有非常好的应用效果。

必须避免使用接地层和电源层。

接地层是大面积的铜箔区域，通常用于数字电路板。

所有的芯片将接地管脚连接到这个区域，而不是采用单独的走线连接到一个中心接地。

在高保真放大器中，这会造成混乱的接地路径，对输出信号产生不利影响。

例如，很容易听见的“嗡嗡”声就是由接地层的接地回路所产生的。

2.输出选项LM386输出驱动电流限制在5mA。

示范放大器使用互补达林顿大功率三极管作输出级来获得需要的电流增益，在8Ω负载上输出100W的功率。

也可以采用低电压驱动型的互补MOS-FET作输出级，它们的VGS值必须是低电压，因为LM386的输出限制在4V。

3.音质对于音质，在主观评价上可能会引起一场非常激烈的争论。

但是，一般认为在不同的设备间确实可听出有所差异，并且可获得一致的结论。

当然，个别测试中也有两种判断情况存在。

因此，在测试中单元的输出水平应该尽可能匹配得较为接近。

在个别场合，对于很专业的听众，推荐采用0.1dB输出级别的差异，但是1dB级别的匹配一般已经足够了。

4.元件选择用于LM386示范放大器的不同电路组件中有一个元件对声音信号质量的消极影响不可否认，许多测试证实，在音频信号通路里，甚至将最好的薄膜和金属薄片聚苯乙烯电容用在输入端也会产生消极的影响。

因此，使用电容的时候，就要求在电路焊接上尽可能减少外部因素造成的噪音过大现象。

2.2.2音频功率放大电路的原理

音频功率放大电路的原理图见附录二：

图2-2-2所示：

该放大电路由一个核心元件音频功率放大器LM386，一个驻极话筒，一个完成放大作用的BJT，还有电容和电阻（包括定值电阻和滑动变阻器）组成。

连接BJT时我们采用的是共射极放大电路。

第三章硬件设计

3.1音频功率放大器ML386

3.1.1LM386的特性

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少，电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12Vor5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度；

LM386的极限参数：

电源电压（LM386N-1，-3，LM386M-1）15V电源电压（LM386N-4）22V封装耗散（LM386N）1.25W（LM386M）0.73W（LM386MM-1）0.595W输入电压±0.4V储存温度-65℃至+150℃操作温度0℃至+70℃结温+150℃。

焊接信息：

焊接（10秒）260℃小外形封装（SOIC和MSOP）气（60秒）215℃红外（15秒）220℃。

热电阻　qJC（DIP）37℃/WqJA（DIP）107℃/WqJC（SO封装）35℃/WqJA（SO封装）172℃/WqJA（MSOP封装）210℃/WqJC（MSOP封装）56℃/W。

3.1.2LM386内部结构

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。

使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。

二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。

电路由单电源供电，故为OTL电路。

输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

3.1.3LM386的典型应用电路

图3-1放大器增益=20（最少器件）

图3-2放大器增益=200

图3-3放大器增益=50

图3-4低频提升放大器

3.2BJT9013晶体管

BJT9013晶体管是一种NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广,它是NPN型小功率三极管。

电极电流Ic：

Max500mA

工作温度：

-55℃to+150℃

集电极-基极电压Vcbo：

40V

主要用途：

放大电路

3.3电容

1.旁路

旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。

就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。

为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。

这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。

地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

　2．去藕

　去藕，又称解藕。

从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。

如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。

　去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

　将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。

旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。

高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

这应该是他们的本质区别。

　3．滤波

　从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。

但实际上超过1μF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。

有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。

电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。

电容越大低频越容易通过。

具体用在滤波中,大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。

曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。

由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。

它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。

滤波就是充电，放电的过程。

4．储能

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。

电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150000μF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。

根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

3.4扬声器

扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式（即动圈式）、静电式（即电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电式（即晶体式）等几种，后两种多用于农村有线广播网中；按频率范围可分为低频扬声器、中频扬声器、高频扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。

　1．低频扬声器

　对于各种不同的音箱，对低频扬声器的品质因素——Q0值的要求是不同。

对闭箱和倒相箱来说，Q0值一般在0.3~0.6之间最好。

一般来说，低频扬声器的口径、磁体和音圈直径越大，低频重放性能、瞬态特性就越好，灵敏度也就越高。

低音单元的结构形式多为锥盆式,也有少量的为平板式。

低音单元的振膜种类繁多，有铝合金振膜、铝镁合金振膜、陶瓷振膜、碳纤维振膜、防弹布振膜、玻璃纤维振膜、丙烯振膜、纸振膜等等。

采用铝合金振膜、玻璃纤维振膜的低音单元一般口径比较小，承受功率比较大，而采用强化纸盆、玻璃纤维振膜的低音单元重播音乐时的音色较准确，整体平衡度不错。

Q0：

扬声器单元的品质因数是设计和和制作音箱前必须了解的一个很重要的参数。

在扬声器单元的阻抗特性曲线上它表示，阻抗曲线在谐振频率处阻抗峰的尖锐程度，它在一定的程度上反映了扬声器振动系统的阻尼状态，简称Q0值，扬声器单元的品质因数越高，谐振频率就越难控控制。

扬声器的低频特性通常由扬声器单元的品质因数值和谐振频率决定，其中品质因数的大小与扬声器单元在谐振频率处输出的声压有关。

Q0值过低时扬声器的输出声压还没有到F0处时就迅速的下降，扬声器处于过阻尼状态，造成低频衰减过大。

Q0值过高时扬声器处于欠阻尼状态，低频得到过份的加强。

Q0值越大峰值越陡。

因此我们说扬声器的品质因数即不能过高也不能过低，通常我们取它的临界阻尼值Q0等于0.5—0.7作为最佳的取值范围。

2.中频扬声器

一般来说，中频扬声器只要频率响应曲线平坦，有效频响范围大于它在系统中担负的放声频带的宽度，阻抗与灵敏度和低频单元一致即可。

有时中音的功率容量不够，也可选择灵敏度较高，而阻抗高于低音单元的中音，从而减少中音单元的实际输入功率。

中音单元一般有锥盆和球顶两种。

只不过它的尺寸和承受功率都比高音单元大而适合于播放中音频而已。

中音单元的振膜以纸盆和绢膜等软性物质为主，偶尔也有少量的合金球顶振膜。

3.高频扬声器

高音单元顾名思义是为了回放高频声音的扬声器单元。

其结构形式主要有号解式、锥盆式、球顶式和铝带式等几大类。

扬声器的主要性能指标

扬声器的主要性能指标有：

灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等参数。

（1）额定功率

扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。

标称功率称额定功率、不失真功率。

它是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率，在扬声器的商标、技术说明书上标注的功率即为该功率值。

最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率。

为保证扬扬器工作的可靠性，要求扬声器的最大功率为标称功率的2~3倍。

（2）额定阻抗

扬声器的阻抗一般和频率有关。

额定阻抗是指音频为400Hz时，从扬声器输入端测得的阻抗。

它一般是音圈直流电阻的1.2~1.5倍。

一般动圈式扬声器常见的阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。

（3）频率响应

给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时，其产生的声压将会产生变化。

一般中音频时产生的声压较大，而低音频和高音频时产生的声压较小。

当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围，叫该扬声器的频率响应特性。

理想的扬声器频率特性应为20~20KHz，这样就能把全部音频均匀地重放出来，然而这是做不到的。

每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。

　（4）失真

扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真。

失真有两种：

频率失真和非线性失真。

频率失真是由于对某些频率的信号放音较强，而对另一些频率的信号放音较弱造成的，失真破坏了原来高低音响度的比例，改变了原声音色。

而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和信号的波动不够完全一致造成的，在输出的声波中增加一新的频率成分。

　（5）指向特性

用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性，频率越高指向性越狭，纸盆越大指向性越强。

第四章焊接技术

4.1焊接电路板的操作步骤

1.从烙铁架上拿出电烙铁，以45度靠紧焊接面进行预热；

2.然后将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处；

3.焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊

上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝（应控制焊锡丝的熔化量不能过多，以免造成浪费；

4.在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。

如焊锡过多，可把烙铁头上的焊锡甩干净，然后不用焊锡丝或极少量的焊锡丝重焊一遍，移去时正好吸去多余的焊锡；

5.如果焊点有连焊，也应将焊锡线（其中有助焊剂）与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡；

6.如果要用电烙铁去除焊盘孔中的锡（即挑孔），应该将印制板拿高，把烙铁头置于比印制板低的位置，将烙铁头在焊盘孔上擦几下，可以将焊盘孔中的焊锡吸流到烙铁头上去。

如果印制板较小，可以用烙铁将焊盘上的锡熔化，然后迅速开烙铁，将印制板在工作台上轻敲一下，使焊盘上的熔锡振落；

7.将烙铁头上的多余焊锡甩在废锡盒中，再将电烙铁插入烙铁筒中。

8.正常焊接时，电烙铁与平面应保持角度是45度。

9.手拿锡线时，锡线头长度应留出3-5CM。

10.焊点的标准是：

焊点呈锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等。

11.常见的不良焊点有：

虚焊，假焊，漏焊，锡球，锡尖等。

12.烙铁尖上有锡渣时在焊锡棉上擦掉，焊锡棉要清洗干净，使用时要保持湿润。

13.烙铁使用后必须放在烙铁架上，不充许传递，防止意外烫伤。

14.组件脚突出线路板太短会导致锡球脱焊。

15.排焊时，要把握用锡量，速度要快，拖到最后点应还有助焊剂。

第五章总结与心得

通过对本次课程设计的学习与理解，我对功率放大电路都工作原理以及在日常生活中的应用，有了更深刻的认识。

更重要的是，在和同组的同学一起焊接电路板的过程中，我感受到了自己动手操作的乐趣，团结协作的力量和成功完成器件的自豪感。

所以，我对模电这门学科产生了更浓厚的兴趣。

我们首先要做的就是绘制出音频功率放大器的电路图。

这个过程需要我们对功率放大有比较透彻的了解。

所以我们借阅了课本和部分书籍，并且上网查找，搜集了比较齐全的资料。

在绘制电路图的时候由于我们没有注意到交叉的线是否相连的问题，对以后的根据电路图布局造成了一定的困扰。

这使我们意识到画电路图时，一定要注意这个问题。

刚刚接触实验过程需要的器件时，我们还很找不到头绪，尤其是LM386和电烙铁。

于是，我们同组的同学就一起针对电路图进行了讨论和研究，并且也听取了其他组的意见。

然后，我们就根据电路图在电路板上布线，并且设计和调整各个元件的布局，以求达到美观的效果。

对于这一步，我们的操作是相对比较顺利和默契度较高的。

其实，我们在大一的金工实习中就已经接触了电焊，并且那时候我就对电焊比较有兴趣，所以，知道有焊接这一项还是挺兴奋的。

但是，接触了才发现，这次的焊接和电焊还是有很大差别的。

由于这次的元件都比较小，而且涉及到保证布局、元件固定等细节问题，增加了这次焊接的难度，也更体现了团体合作的重要性。

这次焊接最重要的问题，就是在确保焊接稳固的情况下，尽量避免元件间的相互干扰，否则将会导致放大声音信号时会有较大的噪音，影响音频放大器的工作。

我觉得焊接最容易出现的问题就是在焊件的焊孔比较接近时，容易因焊锡太厚而使两个焊孔被焊锡连接成一根导线而造成短路，这样会再浪费很多时间去补救。

我们这一组在做完成品去测试的时候还出现了一个问题，就是把电源的正负极接反了，结果不论怎么调节滑动变阻器，喇叭都不响。

后来即使发现了这个问题，才没有导致LM386被烧坏，但是也对它的工作状态造成了一定的影响。

通过这短暂几天的学习，让我体会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造，让我明白了其中的艰辛和不易。

在学习的过程中不仅考验了我对知识的吸收和掌握，而且也考验了我的细心和耐心。

作为一个电气专业的学生，我深刻了解到课程设计的重要性。

这次实习我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本。

我们顺利完成了这周的模拟电子的课程设计。

完成这次课程设计我觉得收获很多，不仅提高了自己的设计能力及动手能力。

更让我明白了“兴趣是最好的老师”。

就是因为我对这件事产生了浓厚的兴趣，才促使我全身心地投入进去，去理解，去动手，去实践。

不仅让我尝到了成功的自豪感，还让我对以前模棱两可的知识得到了深层次的理解。

我特别感谢我们组其他成员对我的帮助。

总之，这一周我过得愉快又充实，我相信我的收获也会帮助我在以后的学习和实践中更上一层楼！

第六章致谢

这次课程设计得到了模电老师刘强老师的耐心指导和实验室老师的帮助，组员团结协作，互帮互助。

在这里，对他们表示衷心的感谢！

附录一：

参考文献

[1]康华光．电子技术基础（模拟部分）．北京：

高等教育出版社，2006.1

[2]杜刚.电路设计与制版——Protel应用教程.清华大学出版社，2006

[3]李炎清.毕业论文写作与范例.厦门：

厦门大学出版社，2006.10

[4]潭博学；苗江静.集成电路原理及应用.北京：

电子工业出版社，2003.9

[5]陈梓城.家用电子电路设计与调试.北京：

中国电力出版社，2006

附录二：

原理图

图2-2-2音频功率放大电路的原理图