基于Proteus的音频放大器电路设计与仿真全解.docx

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基于Proteus的音频放大器电路设计与仿真全解

毕业论文

学生姓名

尹有友

学号

171107078

学院

物理与电子电气工程学院

专业

电子信息工程

题目

基于Proteus的音频放大电路设计与仿真

指导教师

付浩副教授/学士

2015

年

5

月

论文原创性声明内容

本人郑重声明：

本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

本论文除引文外所有实验、数据和有关材料均是真实的。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

日期：

年月日

摘要：

音频放大电路具有电路元件多，电路逻辑规模大等特点，本文针对音频放大电路在设计时遇到的参数匹配性低、电路调试复杂等问题，借助PROTEUS仿真软件平台设计了一种效率较高、操作简单的音频放大电路系统。

该电路系统由前置放大模块、音量控制模块、功率放大模块等模块组成，通过调整电路元件及其参数，在PROTEUS软件平台对各电路模块进行电路设计和仿真分析。

本电路在PROTEUS仿真环境下最终可以使电路将微弱的音频信号进行高效率地放大、传输，实现音频放大的功能。

该电路系统模块设计简单、结构清晰，成本低，对于生活中扩音器、功放设备等诸多领域中具有很好的推广价值。

关键词：

音频放大电路，Proteus，仿真测试

Abstract:

Audioamplifierhasacircuitelement.Thescaleofthelogiccircuitandothercharacteristics,thispaperforaudioamplificationcircuitencounteredinthedesignofparametersmatching,circuitdebuggingcomplexetc.,withProteussimulationsoftwareplatform,designsakindofhighefficiencyandsimpleoperation,audioamplificationsystem.Thecircuitsystemiscomposedofpreamplifiermodule,toneadjustmentmodule,poweramplifiermodule,throughadjustingcircuitcomponentsandparameters,intheProteusSoftwarePlatformofeachcircuitmoduleofcircuitdesignandsimulationanalysis. InthePROTEUSsimulationenvironment,thecircuitcanamplifyandtransmittheweakaudiosignalinhighefficiency,andrealizethefunctionofaudiofrequencyamplification.. Thecircuitmoduleofthesystemdesignissimple,clearstructure,lowcost,hasgoodpopularizationvalueforlifeamplifier,poweramplifierequipmentandmanyotherfields.

Keywords:

Audioamplifier,Proteus,Simulationtest

目录

1前言3

2Proteus软件及其对实验教学的意义4

2.1Proteus软件4

2.2基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义4

3音频放大电路系统设计5

3.1设计要求5

3.2系统总体框架图5

3.3总体设计图4

4功能模块的设计6

4.1前置放大模块6

4.2音量控制模块7

4.3功率放大模块7

4.4电源模块8

5Proteus设计与仿真9

5.1音频放大电路的Proteus设计与仿真9

5.1.1前置放大器电路仿真和分析9

5.1.1.1电路组成9

5.1.1.2电路测试与分析10

5.2.1音量调节电路仿真和分析10

5.2.1.1电路组成10

5.2.1.2电路测试与分析10

5.2.2OCL功率放大电路的仿真和分析12

5.2.2.1电路组成12

5.2.2.2参数测试13

5.2.3电源模块13

5.2.4音频放大电路14

5.3音频放大电路测试和分析15

结论16

参考文献17

致谢18

1前言

音频放大器是音响系统中的关键部分，普遍应用于日常生活中，具有很强的实用性，其主要功能是将微弱的音频信号进行放大、传输，最终以足够的强度去推动扬声器使原声重现。

音频放大电路是模拟电路中一个典型的综合性设计题目，它包含了功率放大器、前置放大器、电源等音响电路中经常涉及的电路，也涉及到电压、功率放大、容抗，阻抗匹配，负反馈和频率响应等重要概念和知识点。

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。

本文以音频放大器的设计为例，介绍基于Proteus仿真技术[1-3]的音频放大电路的设计和仿真。

2Proteus软件及其对实验教学的意义

2.1Proteus软件

Proteus的ISIS是一款电路分析实物仿真系统,提供了30多个元件库,8000多种元件,以及各种虚拟仪器和图表分析[4],非常利于仿真电路的测量与调试。

2.2基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义

负反馈放大电路、集成运放的应用、功率放大电路及直流稳压电源是模电课中最重要的几个知识点。

因此,本课程的实验教学设计思路是:

采用项目驱动的方法,即以音频功率放大器的设计为例,将其分解为前置放大模块、音调调节模块、功率放大模块及直流电源模块4个项目,贯穿于平时的实验教学过程中,既验证了各个独立项目包含的基本应用电路,又能让学生通过对参数的调整、结果的分析加深对电路的工作原理等知识的掌握。

在课程设计环节则将已验证的电路转化为一个实际的产品,充分的锻炼动手能力,以达到最终的教学目的。

在整个实验教学体系中,应用Proteus技术具有如下几个意义:

1）由于Proteus仿真中的各种虚拟测试仪器,如示波器、信号源等的操作方法与实际使用十分相似,有助于熟悉并掌握常用电子仪器的使用和测量方法。

2）Proteus验证如负反馈放大电路、功率放大电路等经典电路及其结论非常方便,甚至可以通过声卡输出音频效果,有助于获得更直观感性的认识,加深对整个音频电路工作原理的理解,从而激发对课程的学习兴趣,调动学习的主动性。

3）应用Proteus仿真技术,可搭建感兴趣的各种应用电路,在仿真环境中验证电路可行性后,再进行硬件操作,既减少了硬件耗材成本,又培养了学生自主创新的能力。

4）当对所学的理论知识如何应用、应用在哪里完全没有概念时,就形成了理论与实践的脱节。

以Proteus为教学媒介,在设计—仿真—实操的过程中,引导修改器件及其参数,通过对数据的分析,寻求问题产生的原因及解决的方法,更好地将理论与实践联系起来,实现从教学到实际工程应用的过渡。

3音频放大电路系统设计

3.1设计要求

（1）具有音量调节的功能；

（2）每个声道具有10W的功率放大；

（3）双电源供电。

3.2系统总体框架图

由于音频信号源的输出幅度设计性能，不足以满足功率放大器输出额定功率，因此第一级为前置放大电路，主要是信号源进行阻抗匹配并实现一定的电压放大。

第二级为音调控制电路，主要是对信号进行适当的音色处理，实现高低音的提升和衰减。

第三级为功率放大电路，实现电路技术指标要求。

最终可确定整个音频放大系统[5]由3级构成，如图3-1所示。

图3-1音频放大电路系统结构框图

3.3总体设计图

可以将音频放大电路分解为前置放大模块、音调调节模块、功率放大模块及电源模块4个项目,将项目驱动教学法与Proteus仿真技术相结合,贯穿于整个实验教学过程中。

整个系统的电路设计框图如图3-2所示。

图3-2音频放大电路设计图

4功能模块的设计

4.1前置放大模块

在音响系统中，特别是进行大功率放大时，功率放大器对输入信号有一定的要求，太弱的输入信号功率放大器是“不理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加一级或多级前置放大器，将小信号的幅度放大到适合的范围，再由功率放大器进行进一步的能量放大。

前置放大器电路可以采用多种方式实现，如：

晶体管构成的前置放大电路，集成运算放大器构成的前置放大电路[6]。

晶体管构成的前置放大电路，经过一段时期的使用，放大作用会减小或消失，当三极管穿透电流过大或c-e级漏电时，会产生噪声，有时前置放大管还会出现击穿短路现象，使本级失去放大能力。

在本文中，采用集成前置放大器电路。

由于两个声道的电路图是一致的，现以左声道为例进行介绍，如图4-1所示。

图4-1前置放大器原理电路图

在图4-1中，信号流从左往右，即左边的VLin是左声道的输入端，接MP3播放器等音源，而右边的IO2是左声道的输出端，电压增益为2。

4.2音量控制模块

音调控制模块的电路如图4-2所示,核心芯片选用素有“运放之王”之称的NE5532,具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能,其高速的转换性能大大改善了电路的瞬态性能,较宽的带宽则保证信号的低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。

采用负反馈型音调控制电路,由R5～R11,C2～C6组成选频网络与运NE5532组成电压并联负反70馈式音调控制放大电路,由RＶ1、RＶ2、RＶ3分别实现高音、中音、低音调节,实现不同频段提升和衰减功能,达到控制的目的。

图4-2音量调节电路

4.3功率放大模块

音源的信号经过前置放大器后即进入功率放大器进行能量的提升，以便驱动扬声器工作还原声音信号。

常用的功率放大器有ClassA、ClassAB、ClassD，其中ClassAB在音响系统中应用最为普遍，本文采用ClassAB放大器进行设计[7]。

同时，在选择功率放大器之前要考虑扬声器的功率有多大，如果输出功率大于扬声器的额定功率，扬声器就有被破坏的危险；反之，扬声器就有些浪费了。

本文设计的功率放大器是一个小功率放大器，输出功率为10W。

功率放大器电路如图4-3所示。

其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后进入ClassAB放大器中进行功率放大。

两对互补管Q5和Q6、Q7和Q8组成的ClassAB放大器可向8Ω扬声器输出9.5～11.5W的功率。

通过调节电位器R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该10W放大器的低音效果得到提升或抑制。

在图4-3中既有集成电路（NE5532），又结合了分立式的ClassAB放大器（Q5、Q6、Q7、Q8），体现出集成电路与分立式元件协同工作的优势。

图4-3功率放大器电路图

本文用一个小功率放大器改进设计，如图4-2所示。

其中，电位器R22控制输入信号的幅度实现音量调节，信号在由运算放大器NE5532构成的前置放大器中获得电压放大之后，进入ClassAB放大器中进行功率放大。

两对互补管Q5和Q6、Q7和Q8组成的ClassAB放大器可向8Ω扬声器输出9.5-11.5W的功率。

通过调节电位器R23可以改变反馈组件的频率特性，从而使该10W放大器的低音效果得到提升或抑制。

4.4电源模块

电源模块的电路如图4-4所示,包含整流电路、滤波电路和稳压电路,主要采用7812和7912三端集成稳压芯片。

图4-4电源模块电路

图中,C20和C20′、C21和C21′起旁路高频干扰信号作用,C22和C22′则是改善负载瞬态响应,利用二极管D5和D6的限幅功能保护稳压器。

仿真测试可得一组±12V稳压电源。

5Proteus设计与仿真

5.1音频放大电路的Proteus设计与仿真

5.1.1前置放大器电路仿真和分析

5.1.1.1电路组成

前置放大路要求输入阻抗较高、输出阻抗较小，具有信号传输能力较好和带负载能力强的特点，一边对后面音调控制网络的正常工作影响较小。

前置放大电路设计见图5-1，由场效应管的共源放大电路和源极跟随电路两部分组成。

此外，电压源需经过一级滤波器滤波，以减小电源对前置级的影响。

图5-1场效应管共源放大器和源级跟随器组成的前置级放大电路

5.1.1.2电路测试与分析

（1）静态工作点测试。

在图5-1输入端接入信号发生器，将幅值调至0V，打开仿真开关可测得两级放大电路的静态参数分别为：

UGS1=-2.46V,UD1=8V,UGS2=-1.68V,UD2=11.8V,UB3=12.5V,UCE3=1.1V,gm1=gm2=1.1，β=164。

由此可知，电路的静态工作点处于合适状态。

（2）动态参数测试。

在输入端加载幅值为20mV、1kHz的正弦电压信号，分别测得放大电路在接1.2kΩ负载和空载时输出电压波形，如图5-2所示。

测得带负载时输出电压uuLpp=120mV，电压放大倍数AuL=3；不带负载时输出电压ucpp=150mV，电压放大倍数Au=3.75，输出电阻r0=0.3kΩ，仿真结果与理论计算非常相近。

a带负载时输出波形图b不带负载输出波形图

图5-2前置放大电路输出波形图

（3）结果分析。

根据图5-2的仿真结果可得电路带负载时的电压放大倍数比不带负载时电压放大倍数小，且负载越小放大倍数越小，电路中引入的电流串联负反馈能很好的提高电路的稳定性。

5.2.1音量调节电路仿真和分析

5.2.1.1电路组成

常用音调控制电路有3种；RC衰减式音调控制电路、反馈式音调控制电路和混合式音调控制电路。

本级电路设计如图10所示，选用的是由R3—R11,C7—C9,CV1和Cv2组成选频网络与运放UA741组成电压并联负反馈式音调控制放大电路，具有高、低音提升和衰减功能，且电路简单，失真小。

5.2.1.2电路测试与分析

（1）波形音调测试。

根据图5-3所示连接电路，在高低频条件下调节Rv1和Rv2，通过示波器观察输出波形如图5-4所示。

（2）电路高低音衰减测试。

对电路进行频率响应分析，其仿真如图5-5所示。

（3）结论分析。

由图5-4测试结果可以直观地观测到电路很好地实现了音调的调节功能，并且从扬声器也可清楚地分辨声音提升和衰减的变化，由图5-5（a），5-5（b）可知，电路低音提升量约26db，低音衰减量约-26db。

由图5-5（c）、5-5（d）可知，高音提升量约为15.8db，衰减量约为-15.8db。

图5-3音调调节电路

图5-4输出波形图

图5-5输出幅频特性曲线

5.2.2OCL功率放大电路的仿真和分析

5.2.2.1电路组成

图5-6为一典型OCL功率放大电路,电路采用双电源供电,由运算放大器ｕＡ741组成前置放大电路,用以提高输入电阻和共模抑制比,调节音量大小,消除交越失真。

Q1～Q4组成互补对称电路,其中,Q1和Q2组成NPN型,Q3和Q4组成PNP型复合管,其中Ｑ2和Ｑ4为大功率三极管。

ＲＶ5、Ｄ1为两复合管基极提供偏置电压,R16、R17用于减少复合管的穿透电流,稳定电路的静态工作点,Ｒ16、Ｒ17也称为泄放电阻。

R18、R19分别为Q2,Q4的发射极电阻,用于稳定静态工作点,减少非线性失真,还具有过流保护作用。

R21、R13、R9构成交流电压并联负反馈电路,保证A点输出电压稳定,并提高电路的带负载能力,实现改善电路性能的目的。

图5-6OCL互补对称功率放大电路

5.2.2.2参数测试

1）电路初始状态调节:

先在静态时,测试UＡ=0V,将RＶ4调至有效输入信号最大,调节

RＶ5至最下端。

在输入端接入ｆ=1kHｚ,Uｉ=20mV的正弦信号,观察输出波形。

发现输出波形出现交越失真（如图14所示）,则缓慢调节RＶ5至交越失真刚好消失。

回头再测试静态时Ａ点电位是否为0V,否则应反复调节RＶ4和RＶ5,直至零点和交越失真都满足条件。

2）静态测试:

逐渐调大输入信号uｉ并通过示波器观察输出波形,直到输出波形达到最大不失真输出即停止增大输入信号。

此时,令输入信号为零,测量得ＵCEQ1=11.4Ｖ,ＵCEQ2=11.98Ｖ,ＵCEQ3=11.98Ｖ,ＵCEQ4=11.98Ｖ,可验证三极管处于微导通状态可克服交越失真的结论。

3）动态测试:

接入输入信号,通过示波器观察输出波形,如图9所示。

ｕim=0.435Ｖ,

ｕom=9.1Ｖ,可计算得到:

ＡU=20,ＰOM=5.18Ｗ,PE=8.7W,η=59.5%。

5.2.3电源模块仿真与分析

电源模块的电路如图5-7所示,包含整流电路、滤波电路和稳压电路,主要采用7812和7912三端集成稳压芯片。

图5-7电源模块电路

图5-7中,C20和C20′、C21和C21′起旁路高频干扰信号作用,C22和C22′则是改善负载瞬态响应,利用二极管D5和D6的限幅功能保护稳压器。

仿真测试可得一组±12V稳压电源。

5.2.4音频放大电路

将前面所分析的4部分电路按图3-1组合并仿真,可得电路的频率响应曲线图和失真度图,分别如图5-8和图5-9所示。

图5-8频率响应图表图5-9电路失真分析

整个音频放大电路仿真测试可得到如下结论:

Pｏｍ=5.1W;在无高低音提升和衰减时,频率响应范围可达4Hz～27kHz;在低音和高音处有近±20dB衰减量;输入阻抗>1MΩ,失真度γ<3%。

在仿真的操作过程中,可清楚地观察到交越失真,分析其产生的原因及消除方法;掌握最大不失真波形的调节和最大输出功率的计算方法;可通过声卡输出观察声音是否正常输出,不同频率的响应是否正常等。

整个操作过程简便,结论直观、易懂。

经过仿真模拟过程后,对整个音频功率放大电路的组成、工作原理及结果已经有了清楚的了解。

在课程设计环节中,通过实际焊接和调试,进一步锻炼动手能力和应变能力,达到实践教学的最终目的。

5.3音频放大电路测试和分析

将几部分电路整合，调节电路使其刚好消除交越失真．且静态输出为0V。

各指标测试数据如下：

最大输出功率POM=5W；在无高低音提升和衰减时，频率响应范围可达20Hz～50kHz；在低音100Hz和高音10kHz处有±15dB的调节范围；输入阻抗>1MΩ，失真度γ<3％，测试结果满足设计指标。

根据仿真的电路进行实际操作，实际测试结果与仿真结果非常接近，证明该电路设计具有可行性。

结论

本文系统地介绍了在PROTEUS仿真平台下音频放大电路的设计思想、给出了实现过程，并对结论进行了分析。

借助Proteus仿真平台调整更改电路元件及参数，使电路设计更加简单方便，既验证电路设计及参数匹配的可行性和正确性，又能节约成本，提高设计效率，而且整个分析过程与实际分析过程极为相似。

本电路系统成功地高效的实现了音频放大的功能，具有很好的推广意义。

参考文献

[1]林志琦,李会杰,朗建军等.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京航空航天大学出版社,2006；15-94.

[2]苏变玲,朱志平等.基于Proteus的单片机仿真教学的研究[J].实验室研究与探索,2009,28（4）；75-78.

[3]王志奎,朱清慧.基于ProteusISIS7.4的虚拟液晶显示屏设计[J].液晶与示,2009,28（4）:

75-78.

[4]林志琦,朗建军,李会杰等.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2006:

15-94.

[5]周润景,张丽娜.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2006年:

3-152,237-270.

[6]张俊涛.电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用[J].实验技术与管理,2007（6）:

83-85.

[7]赵夕彬.射频宽带大功率放大器模块［J].半导体技术,2003,28

（2）:

65-67．

致谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。

尤其要强烈感谢我的论文指导老师——付浩老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。

另外，还要特别感谢我的电路老师——李正教授，他大二时期给我打好了扎实的电路学基础，为此篇论文的完成提供了必需的电路理论条件。

在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。

本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！