放大器课程设计高保真音频放大器.docx
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放大器课程设计高保真音频放大器
一、设计电路的结构和框图
OCL音频放大器总体方框图
音频放大器主要用来对音频信号(频率范围大约为数十赫兹至数千赫兹)进行放大,他应具有以下几方面功能。
1.对音频信号进行电压放大和功率放大,能输出大的交流功率。
2.具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗,负载能力很强。
3.非线性失真和频率失真要小(高保真)。
4.能对输入信号中的高频和低频部分(高低音)分别进行调解(增强或减弱),即具有音调控制能力。
为了实现音频放大电路的上述功能,构成电路时可采用多种方案,但无论哪种,都包括以下3部分。
(1)输入级
主要是把输入的音频信号有效的传递到下一级,并完成信号源的阻抗变换。
(2)音调控制电路
完成高低音的提升和衰减,为了与音调控制电路配合,这部分还应设置电压放大电路。
(3)输出级
将电压信号惊醒功率放大,以便在扬声器上得到足够大的不失真功率。
输入级
音频放大电路组成方框图如图1。
电压放大及音调控制电路
↓
功率放大
↓
↓
图1音频放大器组成方框图
二、OCL音频放大器单元电路设计
1.输入级
此电路采用射级输出器作为输入级,利用它的高输入电阻以减小信号电流,并且为了提高输入电阻,该级的个电阻(R2、R3、R4、R5、RW1)的阻值都选择的较大。
该输入级的输出信号经电容耦合到电位器(RW1)上,RW1是音量调节电位器,通过他来调节输入到下一级(电压放大电路)信号电压的大小。
2.电压放大电路
电压放大电路由运算器A1(5G23)构成,A1和外接的电阻元件构成典型的同相输入放大电路。
该电路放大倍数Au1=1+R9/R7
该电路图中的R6为直流平衡电阻,C13为外接电容,用来消除电路可能产生的高频振荡,它应接在运放的补偿端上,如果采用带有内部校正的运算放大器时他就可以省去。
3音调控制电路
音调控制电路有多种类型,常用的有3种。
1)衰减式RC控制电路。
2)反馈式音调控制电路。
3)混合式音调控制电路。
典型的衰减式音调控制电路如图2所示。
电路中的元件参数满足下列关系:
C1和C2容量远小于C3和C4,电位器RW1和RW2的阻值。
根据放大电路频率特性的分析方法,下面分成3个频段来讨论。
中频区
此时C3和C4可视为短路,而C1和C2可视为开路,简化等效电路如图3所示。
此时电路的电压传输系数为
AM=U0/U1=R2/(R1+R2)
可见,中频区输入信号是按固定比例有衰减地传输过去。
图2衰减式RC音调控制电路
图3中频区等效电路
(2)低音区
因为信号频率较低,C1和C2仍可看成开路,但C3和C4不能再看成为短路,等效电路如图4所示。
此时,根据RW2滑动端所处位置的不同,输出电压UO的大
图4低音区等效电路
小也不同。
(3)高音区
信号在高频率区,电容C3和C4都可看成短路,简化电路如图5所示。
此时根据RW1滑动端的位置即可确定所对应输出电压的大小。
图5高音控制简化电路
(4)输出级
输出级有两部分组成,一个是功率放大电路,另一个是功率放大的驱动电路。
1)驱动级
为了得到大的输出功率,就需要有较大的幅值的电压信号和一定的数值的电流才能推动功率放大电路。
驱动级应有较大的电压放大倍数,如总电路图。
电路的驱动级由运放构成,如图6所示,集成运放A2为驱动级。
为了提高该记得输入阻抗,信号由其同相端输入,此外,由功放的输出端通过电阻Rf还以入了电压串联负反馈,该记得电压放大倍数由此负反馈决定。
图6输出级
2)功率放大器
现在都广泛采用互补对称式功放电路,图6所示的功率放大器为OCL电路。
他有晶体管T2、T3、T4、T5组成,是一种准互补对称式输出电路,为了为稳定输出电压和减少失真,输出级都接有较深的负反馈,(通过Rf构成电压串联负反馈),中频闭环电压放大倍数由公式Auf=1+Rf/r14来计算。
由于电容C7的隔直作用,使直流信号产生全反馈,以保证在静态时输出端O点点位稳定为0V。
三、电气元件选择
1.各级电压增益的分配
整机电压增益为
Aum=Uo/Ui
式中,输出电压Ui由技术指标给出,输出电压Uo要根据额定功率Po和负载电阻RL求出
Po=Uo/RL(Uo为有效值)
所以输出电压为
Uo=PoRL
于是可求出整机的总电压增益Aum。
设输入级电压增益、音调控制电路电压增益和输出级电压增益分别为Aum1、Aum2、Aum3,则
Aum=Aum1.Aum2.Aum3
式中Aum1≈1(射级输出器),Aum2可选取(5~10),Aum2包括音调控制电路中电压放大器的增益和音调控制电路本身的中频衰减(对衰减式RC音调控制电路而言),Aum3可适当大一些,他实际上是输出级的推动级电路的增益。
2.确定电源电压
电源电压的高低决定输出电压的大小。
为了保证电路安全可靠的工作,通常使电路的最大输出功率Pom要比额定输出功率Po大一些,一般取
Pom=(1.5~2)Po
所以,最大输出电压Uom应该根据Pom来计算,
Uom=2PomRL
考虑到管子的饱和和压降以及发射级限流电阻的降压作用,电源电压Vcc必须大于Uom,数量关系为
Vcc=1/η×Uom
式中:
η——电源利用系数,一般取η=0.6~0.8。
在确定了各级电压增益和电源电压后就可以进行电路中各级的估算,通常要按照有后即向前级的顺序进行计算。
3.功率输出级计算
1)选择大的功放管
准互补对称功放级四只管子中的T4、T5是大功率管,要根据晶体管的三个极限参数来选取。
(1)管子承受的最大返乡工作电压
UCEM≈2Vcc
(2)每管最大集电极电流为
Icm≈Vcc/RL
(3)单管最大集电极功耗
Pcm≈0.2Pom
然后就可以根据这些极限参数选取功率管,是选取的功率管极限参数满足
BUCEO>UCEO
ICM>Icm
PCM>Pcm
注意:
应选取两功放管参数尽量对称,ß值接近相等。
3)选择互补管
计算R19、R20、R21。
(1)确定R19、R20、R21
由于功放管参数对称,他们的输入电阻为
Ri=Rbe
要使互补管的输出电流大部分诸如功放管的基极,通常取R19=R21=(5~10)Ri。
平衡电阻R20可按R19/10选取。
(2)选择互补管T2、T3
因为T2、T3分别与T4、T5组成复合管,他们承受的最大反相工作电压相同(均为2Vcc),而集电极最大电流和最大功耗可近似认为
Icm≈(1.1~1.5)Ic4/ß
Pcm≈(1.1~1.5)Pcm4/ß
式中:
Icm、Pcm4——功放管(T4、T5)的集电极最大电流和最大管耗;
ß——功放管的电流放大系数。
选择互补管,使其极限参数满足
BUCEO>2Vcc
ICM>Icm
PCM>Pcm
(3)计算偏执电阻
功放级互补管(T2、T3)的静态电流由R16、二极管和R17支路提供。
要使R16、R17中流过的电流IR16大于互补管的基极电流IBm,即
IR16>IBm=Icm/ß(一般取IR16=1.2IBm)
式中,Icm、ß分别为互补管的集电极最大电流和电流放大系数,而
IR16=(Vcc-UBE2-UBE4)/R16=(Vcc-0.7-0.7)/R16,
所以R16的阻值应为
(Vcc-1.4)/IR16
而R17的阻值和R16相等。
4.推动级的计算
推动级要有较大的电压放大倍数,前面已根据总电路的电压增益确定了推动级的放大倍数Aum3;其大小由闭环负反馈决定
Aum3=1+Rf/R14
R14阻值不要过小,一般为1~2KΩ左右,于是反馈电阻Rf的大小也就确定了。
5.衰减式音调控制电路的计算
因为通频带为ƒL~ƒH,所以连个转折频率分别为
ƒL2=ƒLl
ƒH2=ƒH
又因为在ƒL1~ƒL2,ƒH1~ƒH2之间,高低音提升,衰减曲线按±6dB/倍频程的斜率变化,所以根据低频fLX处和高频FHX处的提升量,即可求出所需要的另外两个转折频率ƒL1、ƒH1
ƒL1=ƒLX×2
ƒH1=ƒHX/2
2)确定电位器RW2、RW3的数值
因为运放的输入电阻很高(一般大于500KΩ),又要求RW3、RW2的阻值远大于R1、R2的阻值同时还要满足提升和衰减量的要求,所以电位器RW1、RW2的阻值应选取得较大,通常为100~500KΩ范围。
3)计算阻容元件值
有前面分析得到的各转折频率的表达式可计算出音调控制电路中的阻容元件值。
C3=1/2RW2ƒL1
C4=ƒL2C3/ƒL1
R2=1/2C4ƒL2
R1=1/2R1ƒL1
C1=1/2R1ƒL1
C2=1/2(R1∥R2)ƒH1
4)音调控制电路的电压放大器
根据前面电压增益分配的讨论,已知音调控制电路总的电压增益为Aum2,它包括音调控制电路的衰减量R2/(R1+R2)和电压放大器的电压增益Au,所以有
Aum2=Au×R2/(R1+R2)
则
Au=Aum2×(R1+R2)/R2
=Aum2(1+R1/R2)
Au是由电压放大器中引入的负反馈决定的,即
Au=1+R9/R7
R7可取1~2kΩ,从而R9的组织就确定了。
6.低音区RW2滑动端位置不同的比较
(1)当RW2再最上端时,等效电路如图7所示。
电路的电压传输系数为
AL=Uo/Ui
=[R2+RW2/jωC4/(RW2+1/jωC4]/[R1+R2+RW2/jωC4/(RW2+1/jωC4)]
=(1+jω/ωL2)/(1+jω/jωL1)
式中,
ωL1=1/(R1+R2)C4
ωL2=1/R2C4
则AL的幅值为
|AL|=[1+(ω/ωL2)²]/[1+(ω/ωL1)²]
图7RW2动端处于最上端时的等效电路
当信号频率较高(接近中频区),满足ω》ωL1和ωL2时,
则
|AL|≈ωL1/ωL2
=R2/(R1+R2)
即为上述中频区的电压系数。
(3)
当把电位器RW2滑动端移动到最下端时,其等效电路如图8所示,它构成了低音衰减电路。
图8RW2动端处于最下端时的等效电路
此时输出电压为
Uo=Ui
=R2/[R1+R2+(RW2∥XC3)]
式中,RW2∥XC3——电位器RW2与电容C3并联支路的阻抗。
当频率ƒ降低时,XC3增大,则RW2∥XC3增大,从而使输出电压减小,即低音受到衰减。
可写出电压传输系数,其值为
|AL|=Uo/Ui
=R2/RW2×[(1+jω/ωL1)/(1+jω/jωL2)]
ωL1=1/RW2C3
ωL2=1/(R1+R2)C3
则
|AL|=R2/RW2×[1+(ω/L1)²]/[1+(ω/ωL2)²]
当信号频率较高(接近中频区),满足ω》ωL1和ωL2时,
则
|AL|≈R2/RW2×ωL2/ωL1
=R2/(R1+R2)
即为上述中频区扥电压传输系数。
7.高音区RW1位置不同的电压比较
(1)滑动端移至最上端(A点)时,由于RW1》R2,RW1和C2之路可视为开路,于是简化电路如图9所示。
可得
Uo=R2Ui/(R2+Z1)
式中,
Z1=R1∥1/jωC1
随着频率ƒ的升高,C1容抗下降,Z1较小,Uo增大,即高频信号被提升。
当频率上升到某一频率时,电容C1可看成短路,Z1≈0,于是Uo=Ui,输出达到最大值。
图9RW1动端处于最上端的等效电路
(2)当电位器RW1滑动端移至最下端(B点)时,建华等效电路如图10所示。
图10RW1动端移至最下端的等效电路
输出电压为
Uo=UiZ2/(Z2+R1)
Z2=R2∥1/jωC2
随着电压信号频率ƒ的增加,电容C2容抗减小,则Z2减小,于是输出电压Uo减小,是高频信号衰减。
对应的电压传输系数为
AH=Uo/Ui
=R2/(R1+R2)×1/(1+jω/ωH1)
式中
ωH1=1/[(R2∥R1)C2]
所以
|AH|=R2/(R1+R2)×[1/(ω/ωH1)²]
四、元件明细表
所用元器件明细表如下。
序号
名称
符号
参数
单位
数量
备注
1
电阻
R1
330kΩ
只
1
2
电阻
R2~R4、R8、R15
100KΩ
只
5
3
电阻
R5
20KΩ
只
1
4
电阻
R9
41kΩ
只
1
5
电阻
R10
5.1KΩ
只
1
6
电阻
R11
30KΩ
只
1
7
电阻
R12
3KΩ
只
1
8
电阻
R7、R14
1KΩ
只
2
9
电阻
R6、R13、Rf
47KΩ
只
3
10
电阻
R16、R17
10KΩ
只
2
11
电阻
R18、R20
22Ω
只
2
12
电阻
R22、R23
510Ω
只
2
13
电阻
R19、R21
220Ω
只
2
14
电容
C2、C3
10uF
只
2
15
电容
C1、C7、C10、C11
20uF
只
4
16
电容
C5、C8、C9
100uF
只
3
17
电容
C13、C15、
100pF
只
2
18
电容
C6、C14
220pF
只
2
19
电容
C12
470pF
只
1
20
电容
C16
0.1F
只
1
21
电容
C17
0.01F
只
1
22
电容
C18
0.02F
只
1
23
电容
C4
33uF
只
1
24
电位器
RW1
10~1000KΩ
只
1
25
电位器
RW2
300KΩ
只
1
26
电位器
RW3
200~300KΩ
只
1
27
喇叭
H1
8Ω
只
1
28
运算放大器
A1
5G23
只
1
29
运算放大器
A2
5G23
只
1
30
二极管
D1
2CP
只
1
31
二极管
D2
2AP
只
1
32
二极管
D3
2CP
只
1
33
三极管
Q1
DD01
只
1
34
三极管
Q2
D001
只
1
35
三极管
Q3
3GD
只
1
36
三极管
Q4
DD01
只
1
37
三极管
Q5
3CG
只
1
五、设计总电路图
音频放大器完整电路
六、结束语
经过了一个星期的学习和实习,在指导老师的悉心指导和严格要求下,我终于完成了《OCL放大器的设计》的论文。
从课题选择、方案论证到具体设计,每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战,也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。
在设计的整个过程中,我学到很多有用的知识,也积累了不少宝贵的项目开发经验。
我不断地给自己提出新的问题,然后去论证、推翻,再接着提出新的问题。
在这个循环往复的过程中,我这篇稚嫩的设计日臻完善。
每一次改进我都收获良多,每一次修改后的成功我都能兴奋好长一段时间。
虽然我的设计作品不是很成熟,即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处,但我仍然心里有一种莫大的幸福感,因为我实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程,并且享受了每一个过程,更重要的是这个设计中我加入了自己鲜活的思想。
这种放大器,成本较低,且基本能够使用于学校的一些活动中。
总体来说,这次设计使我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。
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- 放大器 课程设计 高保真 音频