模拟电子技术课程设计
姓 名：
题目 音响功率放大器设计
所在学院： 计算机与电气自动化学院
所学专业： 电气工程及自动化
班 级：
学 号：
指导教师： 田洪波
完成时间： 2013年6月
模电课程设计任务书
一、基本情况
学时：40学时 学分：1学分 课程设计代码：07120102 适应班级：11电气工程、自动化
二、进度安排
本设计共安排1周，合计40学时，具体分配如下：
实习动员及准备工作： 2学时
总体方案设计： 4学时
查阅资料，讨论设计： 24学时
撰写设计报告： 8学时
总结： 2学时
教师辅导： 随时
三、基本要求
1、课程设计的基本要求
模电课程设计是在学习完模拟电子技术课程之后，按照课程教学要求，对学生进行综合性训练的一个实践教学环节。主要是培养学生综合运用理论知识的能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行独立设计的能力。初步掌握模拟电子线路的安装、布线、焊接、调试等基本技能；熟练掌握电子电路基本元器件的使用方法，训练、提高读图能力；掌握组装调试方法。其中理论设计包括总体方案选择，具体电路设计，选择元器件及计算参数等，课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。
2、课程设计的教学要求
模电课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到8次以上的学生，该课程考核按不及格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。
课程设计的任务相对分散，每3名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以
互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。
四、设计题目及控制要求
题目：音响功率放大器
1、简要说明
电视机、音响等电器设备中都有音响功率放大器。这类放大器过去曾用三极管等分立元件构成，现在集成电路音响功率放大器已经相当普及。以这种器件和集成电路音响前置放大器或集成运放为主构成音响功率放大器，不仅工作稳定，性能好，而且容易安装调试，成本低。
2、任务和要求
最大输出功率不小于3W。其条件是：
1）以8Ω喇叭（额定功率不小于4W）作为负载；
2）非线性失真不超过2%；
3）电源电压不超过15V。
五、设计报告
设计完成后，必须撰写课程设计报告。设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。设计报告的格式如下：
1、封面
2、内容提要
3、目录
4、正文
(1) 所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；
(2) 方案选择及论证；
(2) 设计步骤及原理图；
(3) 元器件的选择；
(4) 设计过程中出现问题的解决方法；
5、心得体会
6、参考文献
六、考核方法
模电课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。
考核分三个方面进行：平时考勤：30% 实验及设计成果质量：40% 课程设计报告：30%
有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：
1、设计期间累计迟到、早退达8次；
2、设计期间累计旷课达6节；
3、设计报告雷同率超过50%或无设计报告；
4、不能完成设计任务，达不到设计要求。
摘 要
这次的模拟电路课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放，音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。
我主要采用了两种方法对其进行了分析和设计，一种利用了LM386集成芯片对其进行放大输出，另一种是利用二极管进行偏置的互补对称电路，即分立元件进行设计放大。期间遇到了不少问题，不过好在在老师的指导，同学的帮助下终于成功调试成功，听到了悦耳的嗡嗡声，设计题目也算比较圆满的完成了。 在设计的过程中，首先对自己的设计思路有个整体的认识，即对音频功率放大器的原理了解，在查阅了很多资料，以及对实验器材有了初步了解以后，利用课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的基本知识，通过对两种方法的对比评析确定了下面的课程设计。
本文设计了音频功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用Protel 99SE软件设计完成原理图 。本系统有匹配对称三极管完成前置放大级和功率放大级最后将音频小信号转变成大信号的功能。通过对所设计的音频功率放大器进行实验测试，达到了最大输出功率、放大倍数、失真度等技术指标。具有最大输出功率稳定，工作效率较高，频率响应失真较小，把小信号转变成大信号功能的分立元件功率放大器。基本达到了任务书的要求。
在社会当中，功放俗称“扩音机”他的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱防声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。 功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。
目 录
1绪 论 ............................................................. 1
1.1 引言 .......................................................... 1
2设计概述 .......................................................... 2
2.1音频功率放大器的设计 .......................................... 2
2.2设计任务和要求 ................................................ 2
2.3功率放大器的基本原理 .......................................... 2
3设计过程 .......................................................... 3
3.1第一种设计方案： .............................................. 3
3.1.1前端放大器的设计 ......................................... 3
3.1.2功率放大器的设计 ......................................... 4
3.2第二种设计方案： .............................................. 5
3.2.1前端放大器的设置 ......................................... 5
3.2.2功率放大器的设计 ......................................... 6
3.2.3实验用电路图 ............................................. 7
4设计方案的选择 .................................................... 9
4.1第一种方案的评述 .............................................. 9
4.2第二种方案的评述 .............................................. 9
4.3方案的最终确定 ............................................... 10
5电路详细设计 ..................................................... 11
5.1前置放大电路分析 ............................................. 11
5.2功率放大电路分析 ............................................. 11
总 结............................................................. 13
参考文献........................................................... 14
1绪 论
1.1 引言
伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。
如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。
鉴于音频分析仪价格高、适用范围窄等特点，本文应用了目前流行的基于LabVIEW的虚拟仪器技术软件平台，结合高性能的PCI－6024E数据采集卡来完成各种测试。
1.2 音频功率放大器概述
音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。
60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器。
2.1音频功率放大器的设计
作为模拟电子课程设计课题设计，本课题提出的音频功率放大器性能指标比较低，主要采用理论课程里介绍的运算放大集成电路和功率放大集成电路来构成音频功率放大器。
2.2设计任务和要求
采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大器，其要求如下：
输入信号为vi=10mV, 频率f＝1KHz;
额定输出功率Po≥2W；
负载阻抗RL=8Ω。
2.3功率放大器的基本原理
音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。其原理如图(一)所示，前置放大主要完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。
总体设计思路框图：
3.1第一种设计方案：
3.1.1前端放大器的设计
由于话筒提供的信号非常弱，要在音调控制级前加一个前置放大器。考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353。
前置放大电路是由LF353放大器组成的一级放大电路，放大倍数为4，即1+R2/R1=4，取R2=30KΩ,R1=10KΩ,所用电源Vcc=+12V，Vee=-12V。
UiUi
经过前级运放的放大，由Av’=Ui0=10mv=4，可以得到Ui=40mv。于是我们得到了下一级功率放大电路的输入电压，即为Ui=40mv。
3.1.2功率放大器的设计
由于实验室实验仪器的限制及要求，我们的第一种方案选用了A386型单片集成功率放大电路，其主要特点是：上升随率高、瞬态互调失真小；输出功率比较大；外围电路简单，使用方便；体积小；内含各种保护电路，工作安全可靠。
我们选择功率运放电路的增益为200，即把A386的运放调节电路两端短路。
U0
由 Av=Ui=200 ;
所以 U0=8V;
U0264V
进而得出 P0=RL=8=8W
然后连接上负载，可以听到响亮的蜂鸣声，实验成功。
其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，C4=0.1uf，R3=4.7K,RL=8.
U0
Av=Ui实验用电路图
其中C1=220uf，C2=0.1uf，C3=10uf，
C4=0.1uf,R1=30K,R2=10K,R3=4.7K,RL=8.
3.2第二种设计方案：
3.2.1前端放大器的设置
在前端放大器设计中设计方案与设计一相同，即由LF353放大器组成的一级放大电路，不过将放大倍数设置为40，即1+R2/R1=40，取R2=390KΩ,R1=10KΩ,所用电源Vcc=+12V，Vee=-12V。
UiUi
经过前级运放的放大，由Av’=Ui0=10mv=40，可以得到Ui=400mv。于是
我们得到了下一级功率放大电路的输入电压。
3.2.2功率放大器的设计
这一部分的功率放大电路选用了分立元器件组成的功率放大器，其结构就是集成功率放大器的的内部结构，其特点就是对于电路结构了解的清晰明了，更好的掌握电路。缺点就是复杂，难理解，使用起来非常不方便，而且容易损坏器件。
由前级放大得到的电路得到了输入电压Ui=400mv，然后输入功率放大器，其中的T1又对信号的电压进行放大，T1选择3DG6三极管，它的放大倍数10~30，
U02
可以得到电压U0：4v~12v，由P0=RL得到P0;2w~18w符合P0>2w的要求。
用得到的功率连接负载进行驱动，听到响亮的蜂鸣声，设计成功。
3.2.3实验用电路图
其参数：R1=10K,R2=390K,R3=1K,R4=10K,R5=10K,R6=47K,RL= 8,C1=14.7uf，C2=100uf，T1选择3DG6,T2选择3DG6，T3选择3DG21，D1选择2CP10,D2选择2 CP10。
4设计方案的选择
4.1第一种方案的评述
通过对两种方案的比较我们可以看出，第一种方案无疑是比较好的方案，我们可以从这几个方面来作为依据选择第一种方案。
按照第一种方案我们可以达到课程设计所要达到的要求，结果比较准确，受外界干扰较小， 而且第一种方案的实现非常的简单，电路容易理解，实验容易进行，能够尽少的减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够更好的保护实验器件，减少不必要的损失。
4.2第二种方案的评述
第二种方案在某些情况下也可以达到实验要求，但是有其不可避免的缺点以及不合理性，下面对其作出评析：○1对于三极管T1来说，它的放大倍数是不确定的，这就导致了输出功率的不确定，直接导致了第二种方案有可能不能够满足课程设计的要求。
从第二种方案的设计我们可以得到：由前级放大得到的电路得到了输入电压Ui=400mv，然后输入功率放大器，其中的T1又对信号的电压进行放大，T1
U02
是3DG6三极管，它的放大倍数为10~30倍，可以得到电压U0：4v~12v，由P0=RL
得到P0：2w~18w符合P0>2w的要求功率P0的范围是2W~18W
1Ucc2122
最大不失真输出的功率：P0,max=2*RL=2*8=9W
通过第二种方案得到的功率的范围是不符合最大不失真输出功率的要求的，而且通过对第二种方案的电路图的分析我们可以看出，第二种方案的电路图比较复杂，连接比较困难，理解也是比较困难的，所以这种方案在最终确定的时候是要被舍弃的。
4.3方案的最终确定
1Ucc2122
最大不失真输出的功率：P0max=2*RL=2*8=9W;
每支晶体管的最大允许管耗 Pcm>0.2Pom=1.8W;
Ucc12
最大集电极电流 Icm>RL=8=1.2A;
反向击穿电压 |Ueco|>2Ucc=24v。
通过对第一种方案的分析可以看出它的设计是符合以上功率放大电路的各种要求的。再结合以上的各种评论，我们有充足的理由选择第一种方案。
5电路详细设计
5.1前置放大电路分析
图5-1 前置放大电路
此电路简洁方便实现前置放大，放大倍数由R2和R1的比值确定。uA741通用高增益运算通用放大器,早些年最常用的运放之一.应用非常广泛, 双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压±22V,差分电压±30V,输入电压±18V,允许功耗500mW.其管脚与OP07（超低失调精密运放）完全一样，所以选择此芯片完全能实现要求 。
5.2功率放大电路分析
此部分选择LM386芯片，因为静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电。 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 外围元件少。 电压增益可调，20-200。 低失真。C4为去耦电容，C1滤掉直流，C2和R3构成低阶滤波。
总 结
此次音响功率放大器课程设计我们的收获有以下几点：
一、提高了自我的实际动手能力。在这次课程设计中，我们亲自焊接电路，深刻地体验了一把实际生产活动。在焊接前做好仿真，在protel中画原理图，画PCB图，再打印到覆铜板上，进行打孔，腐蚀，焊接。 二、我意识到理论必须联系实际，理论与实际是有差距的。话音放大器中的一个反相比例放大器未能达到预定目标。Av=1+R12/R11=8.5 R11取10千欧，R12取75千欧，即可满足要求。但实际测量时却不是如此，测得Av数值偏小。还有功率放大级虽然按理论图接好了电路但得不到结果，也许理论可行，但实际不一定可行。
三、很好的锻炼了我们解决实际问题的能力。如第二点中提到的话音级达不到预期目标时，能够快速分析检测出原因，提出解决方案。通过用两个10千欧的电阻与R12串联接入电路，解决了放大倍数不足的问题
四、初步掌握了音响放大器的设计方法。拿到设计任务后，先设计好理论图，再查找资料解决理论中的难点问题，考虑最优方案。确定好理论图后，进行理论论证。若理论可行，在将理论付诸实施。最后测试与总结。
这次模拟电子技术课程设计真正的能够锻炼我们，我们通过此次设计对模拟电子技术的重要性有了更深的了解，提升了我对它的兴趣。
参考文献
[1]谢自美.电子电路设计.实验.测试[M].武昌：华中理工大学出版社，1994 [2] 童诗白.模拟电子技术基础.第二版[M].北京：人民邮电出版社，1999 [3] 胡宴如．模拟电子技术[M]．北京：高等教育出版社，2004，2． [4]华成英:模拟电子技术基础[M]，北京高等教育出版社，2001 [5]姚福安:音频功率放大器设计[J].山东大学学报，2003年06期 [6]牟小令:高效率音频功率放大器[J].西南师范大学学报，2003年01期