【正文】 的功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路。最后，選擇了用 NE5532 雙運(yùn)放集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的二級(jí)放大電路作為了前置放大級(jí)電路，而功率級(jí)放大級(jí)電路由一個(gè)差分放大器電路和一個(gè)輸出端互補(bǔ)對(duì)稱的 OCL 電路構(gòu)成。這一實(shí)踐與理論相結(jié)合的過程，將有益于我們學(xué)習(xí)其它理論知識(shí)和提高我們今后進(jìn)一步利用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力 .在設(shè)計(jì)的過程中使得我們有必要對(duì)其進(jìn)行更深刻地認(rèn)識(shí)與了解，從而在本質(zhì)上掌握它的設(shè)計(jì)思路及實(shí)踐方式，為以后能夠更好的應(yīng)用打下良好的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)代社會(huì)電子科技的飛速發(fā)展，要求我們能把理論用于實(shí)際，所以此次該設(shè)計(jì)主要是用分立元件來設(shè)計(jì)的，以便更好的來理解功放的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望功率放大華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 44頁(yè) 器的輸出功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線性失真盡可能小，效率盡可能高。一個(gè)完整的電路，必 然在最后的輸出部分涉及到驅(qū)動(dòng)各類負(fù)載的問題。前置放大級(jí)主 要任務(wù)是完成小信號(hào)電壓放大任務(wù)，同時(shí)要求低噪聲、低溫漂。功率放大可由分立元件組成 ,也可由集成電路完成。目前市場(chǎng)上的集成功放產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)很低并且種類也很多 ,典型的有LM187 TDA152 TDA1514。由于集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路功率放大器也大量涌現(xiàn)出來，其工藝和指標(biāo)都達(dá)到了很高水平，它的突出特點(diǎn)是體積小、電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、保護(hù)功能齊全等。現(xiàn)在大功率晶體管種類很多，優(yōu)質(zhì)功放電路也層出不窮，因此晶體管功率放大器是應(yīng)用最廣泛的形式。功放按不同的分類方法可分為不同的類型，按所用的放大器件分類，可分為電子管式放大器、晶體管式功率放大器（包括場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器）和集成電路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶體管和集成電路式功率放大器為主，電子管功率放大器也占有一席之地。低頻功率放大器作為音響等電子設(shè)備的后級(jí) 放大電路，它的主要作用是將前級(jí)的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大以推動(dòng)負(fù)載工作，獲得良好的聲音效果。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 44頁(yè) 數(shù)字音量控制的功率放大器的設(shè)計(jì) 1 緒 論 課題背景 功率放大器在家電、數(shù)碼產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，與我們?nèi)粘Ｉ钣兄芮嘘P(guān)系。同時(shí)低頻功率放大器又是音響等電聲設(shè)備消耗電源能量的主要部分。電子管功率放大器俗稱膽機(jī)，電子管功放的生產(chǎn)工藝相當(dāng)成熟，產(chǎn)品的穩(wěn)定性很高，而離散性極小，特別是它的工作機(jī)理決 定了它的音色十分溫柔，富有人情味，因而成為重要的音響電路形式。人們研制出許多優(yōu)質(zhì)新型電路使功放的諧波失真，很容易減少到 %以下。 由于在很多情況下主機(jī)的額定輸出功率不能勝任帶動(dòng)整個(gè)音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時(shí)就要在主機(jī)和播放設(shè)備之間加裝功率放大器 以驅(qū)動(dòng)負(fù)載 ，而功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中數(shù)字音量控制的功率放大器 的設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 44 頁(yè) 起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。這些優(yōu)質(zhì)功放模塊體積小、性能優(yōu)越、保護(hù)功能齊全、外圍電路簡(jiǎn)單、易制作易調(diào)試。由分立元件組成功率放大器，如果進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，則在效率和失真方面更優(yōu)于集成的，價(jià)格方面便宜一點(diǎn)，但如果電路選擇和參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)時(shí) ,元件性能就不能很好的發(fā)揮 出來 ,制作調(diào)試比較困難。功率放大級(jí)主要任務(wù)是在允許的失真限度內(nèi) ,盡可能高效率地向負(fù)載提供足夠大的功率，要求是輸出功率要大、效率要高。作為電路的前級(jí)，基本上采用的是小信號(hào)處理電路，其電路由小功率器件或小功率的集成電路構(gòu)成，工作電壓比較低，屬于弱點(diǎn)范圍。 功率放大器的常見電路形式有 OTL 電路和 OCL 電路。 一個(gè)實(shí)用的低頻功率放大器，通常由電壓放大器、功率放大器及電源部分組成。 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)主要研究的是功率放大器的四個(gè)模塊的基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其各部分的工作原理。 一般而言，單級(jí)放大器電路有三種，分別為共射級(jí)、共集電極、共基極。對(duì)于功放電路而言，輸出盡可能大的功率和提高轉(zhuǎn)換效率始終是研究它的重要問題。 2 功率放大電路的分析 基本原理 低頻功率放大器是一種能夠?yàn)楣β守?fù)載，如音響設(shè)備的揚(yáng)聲器、電視機(jī)的掃描偏轉(zhuǎn)線圈、電動(dòng)機(jī)控制繞組等提供輸出功率的裝置。 該功率 放大器的功能是：將信號(hào)源提供的正弦波弱電壓信號(hào)通過開關(guān)轉(zhuǎn)換，一路先進(jìn)行電壓放大，再進(jìn)行功率放大，為等效負(fù)載電阻提供一定的輸出功率；另一路進(jìn)行波形變換，使之變成脈沖波，再進(jìn)行電壓和功率放大，為等效負(fù)載提供一定的脈沖功率。通常用 %表示。 2. 發(fā)揮部分 ⑴ 放大器的時(shí)間響應(yīng)。 數(shù)字音量控制的功率放大器 的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 44 頁(yè) 主要技術(shù)指標(biāo)分析 ⑴ 基本要求部分的技術(shù)指標(biāo)分析 ① 功率放大器的輸入電壓信號(hào) iV 由信號(hào)源提供幅度為 5mV～ 700mV 的正弦波，輸出電壓信號(hào) OV 從 8Ω的等效負(fù)載電阻上獲得。 ③ 功率放大器在額定輸出功率 OP 和 BW內(nèi)，非 線性失真系數(shù)≤ 3%。這項(xiàng)指標(biāo)說明功率放大器輸出功率的轉(zhuǎn)換效率，通常用輸出功率與電源消耗的總功率之比值來表示，即η = OP / DCP 。 ⑵ 發(fā)揮部分的技術(shù)指標(biāo)分析 ① 設(shè)計(jì)制作滿足本設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)壓電源。 功率放大器的性能指標(biāo) 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 共 44頁(yè) 無論 AV 放大器還是 HiFi功放，都對(duì)功率放大器要求十分嚴(yán)格，在輸出功率、頻率響應(yīng)、失真度、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數(shù)等方面都有明確要求。經(jīng)常把諧波失真度為 1%時(shí)的平均功率稱為額定輸出功率或最大有用功率、持續(xù)功率、不失真功率等。為了反映這瞬間突發(fā)性輸出功率的能力可以用音樂輸出功率來量度。國(guó)際規(guī)定一般音頻功放的頻率范圍是 4～ 16kHz177。事實(shí)上，通過揚(yáng)聲器放出的聲音同講話人的聲音多少會(huì)有一些區(qū)別。波形失真的原因和種類有很多，主要有諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等。 動(dòng)態(tài)范圍 放大器不失真的放大最小信號(hào)與最大信號(hào)電平的比值就是放大器的動(dòng)態(tài)范圍。 功率放大器接通電源，不輸入信號(hào)，距離功率放大器較近的時(shí)候，可以聽到輕微的噪聲。小功率功率放大器輸出功率小，收聽者距揚(yáng)聲器較近，所以要求噪聲小。 3 EDA 軟件（ Protel99se、 Multism10）介紹 EDA 技術(shù)概述 1． EDA 技術(shù)（ Electronic Design Automatic 的簡(jiǎn)稱，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）是在電子CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)， Computer Aided Design）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。 2． EDA 技術(shù)分為三個(gè)階段。 3． EDA 技術(shù)的范疇 ⑴ 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)人員針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述。該軟件功能 強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，使用該軟件的設(shè)計(jì)者可以容易地設(shè)計(jì)出電路原理圖和畫出元件設(shè)計(jì)電路板圖。 1988 年在硅谷設(shè)立研發(fā)中心同時(shí)推出了第一個(gè)應(yīng)用于電子線路設(shè)計(jì)軟件包 TANGO。在隨后的發(fā)展歷程中， Protel 公司在 EDA 領(lǐng)域逐漸發(fā)展壯大。印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括用于設(shè)計(jì)電路板的電路板編輯器 PCB 以及用于修改，生成元件封裝的元件封裝編輯器PCBLib。 （ 2） 印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng) 印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)是用于電路板 設(shè)計(jì)的 Advanced PCB。 （ 5） Protel99 SE內(nèi)置編輯器 這部分包括用于顯示、編輯文本的文本編輯器 Text和用于顯示、編輯電子表格的電子表格編輯器 Spread。主要特性如下： （ 1） Protel99 SE系統(tǒng)針對(duì) Windows NT4/9X作了純 32位代碼優(yōu)化，使得 Protel99 SE設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而且高效。 （ 5） 原理圖到印刷電路板的更新功能加強(qiáng)了 Sch 和 PCB 之間的聯(lián)系； 可以用標(biāo)準(zhǔn)或者用戶自定義模板來生成新的原理圖文件；集 成的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)收集了超過 60000個(gè)元器件。 （ 9） 強(qiáng)大的后期數(shù)據(jù)處理功能可使輕松獲得生產(chǎn)過程文件：材料清單、測(cè)試點(diǎn)報(bào)告，以及加工過程文件：光繪文件、鉆孔文件、貼片文件等。雙擊文檔圖標(biāo)，進(jìn)入原理設(shè)計(jì)服務(wù)器界面。 5． 放置元件 根據(jù)實(shí)際電路的需要，到元件庫(kù)中找出所需的元件，然后用元件管理器的 Place 按鈕將原件放置 在工作平面上，再根據(jù)與按鍵之間的走線把元件調(diào)整好。 8． 檢查原理圖 使用 Protel99 SE 的電器規(guī)則，及執(zhí)行菜單命令 Tool/ERC 對(duì)畫好的電路原理圖進(jìn)行電氣規(guī)則檢查，若有錯(cuò)誤，根據(jù)錯(cuò)誤情況進(jìn)行改正。在制作過程中，廠家依據(jù)設(shè)計(jì)人提供的 PCB設(shè)計(jì)文件，將印制電路板上銅箔不需要的部分腐蝕掉，使基板上只留下來細(xì)小導(dǎo)線，用來提供 PCB 上元器件管腳之間的物理連接。 2． PCB 設(shè)計(jì)過程 電路設(shè)計(jì)的最終目的是為了設(shè)計(jì)出電子產(chǎn)品，而電子產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)是通過印刷電路板來實(shí)現(xiàn)的。 （ 2） 規(guī)劃電路板 數(shù)字音量控制的功率放大器 的設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 44 頁(yè) 根據(jù)要設(shè)計(jì)的電路確定電路板的尺寸。 選擇 Routing Layer,對(duì)布線工作層進(jìn)行設(shè)置：左鍵單擊 Properties,在“布線工作層面設(shè)置”對(duì)話框的“ Pule Attributes”選項(xiàng)中設(shè)置 Tod Layer 為“ Not Used”，設(shè)置Bottom Layer 為“ Any”。 （ 6） Protel99 SE 既可以進(jìn)行自動(dòng)布局也可以進(jìn)行手工布局，執(zhí)行菜單命令Tools/Auto Placement/Auto Placer 可以自動(dòng)布局。只要設(shè)置有關(guān)參數(shù)，元件布局合理，自動(dòng)布線的成功率幾乎為 100%。 Multisim 界面友好，操作起來簡(jiǎn)單，只需簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就可以搭建自己設(shè)計(jì)的電路，對(duì)于電路仿真來說十分方便，對(duì)于初學(xué)者 (尤其是沒錢購(gòu)買開發(fā)工具的學(xué)生 )來說是不可多得的實(shí)踐機(jī)會(huì)。 4． 專業(yè)版支持 VHDL 和 Verilog 語(yǔ)言的電路設(shè)計(jì)與仿真。 進(jìn)入 Multism10，其界面如圖 所示。 Multism10 正是按照這種實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的工作過程來設(shè)計(jì)軟件的工作界面和操作流程的。應(yīng)用鼠標(biāo)即可打開元器件庫(kù)，選擇所需器件到電路工作區(qū)，經(jīng)編輯、設(shè)定參數(shù)值即準(zhǔn)備好電路元件，再應(yīng)用鼠標(biāo)進(jìn)行連線操作就可得到一個(gè)仿真電路。 3． View（窗口顯示）菜單如圖 所示。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 共 44頁(yè) 7． Tools（工具）菜單如圖 所示。 11． Help（幫助）菜單如圖 所示。 Multism10 儀器儀表 Multisim 在 儀器儀表欄下提供了 21個(gè)常用儀器儀表，如圖 ,依次為數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、瓦特表、雙通道示波器、四通道示波器、波特圖儀、頻率計(jì)、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、 IV分析儀、失真度儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent 信號(hào)發(fā)生器、 Agilent 萬(wàn)用表、 Agilent 示波器， tektronix 示波器，電流檢測(cè)器， LABVIEW 儀器，動(dòng)態(tài)測(cè)量器。信號(hào)的幅值以及占空比等參數(shù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。示波器圖標(biāo)有四個(gè)連接點(diǎn)：A 通道輸入、 B 通道輸入、外觸發(fā)端 T 和接地端 G。在波特圖儀的面板上，可以直接設(shè)置橫軸和縱軸的坐標(biāo)及其參數(shù)。左側(cè)是控制面板，右側(cè)是字信號(hào)發(fā)生器的字符窗口。 IV分析儀有三個(gè)連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與晶體管的連接。 Frequency 用來設(shè)定頻率： Span 設(shè)定頻率范圍、 Start設(shè)定起始頻率、 Center 設(shè)定中心頻率、 End 設(shè)定終止頻率。 數(shù)字音量控制的功率放大器 的設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 44 頁(yè) 前置放大級(jí)增益 =280 倍 功率放大級(jí)增益 =10 倍 VOP=14V 圖 功率放大器各級(jí)的電壓增益分配 4 電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路：逐步分析已知條件和未知因素之間的關(guān)系。 各單元模塊功能介紹及單元電路設(shè)計(jì) 功率放大級(jí)電路設(shè)計(jì) 當(dāng)功率放大器以 OP ≥ 10W 的滿功率不失真時(shí)，輸出電壓的幅度為 VPRV OLOP ?????? 為留有充分余地，取 OPV =14V?？梢詴喝?10 倍進(jìn)行 計(jì)算，以后再通過實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行調(diào)整。二者各有其特點(diǎn)：集成功率放大電路的調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，但進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，如果要對(duì)整機(jī)的性能進(jìn)行改善，靠集成功率放大級(jí)的調(diào)節(jié)往往達(dá)不到目的；而由分立元件組成的功率放大器 ，雖然華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè) 共 44頁(yè) 圖 功率放大級(jí)電路 電路的調(diào)節(jié)比較繁，但可以通過功率放大級(jí)的調(diào)節(jié)改善整體的性能。晶體管 4T 、 5T 、 6T 、 7T 組成末級(jí)功率放大電路，輸出端為互補(bǔ)對(duì)稱的 OCL 電路。因?yàn)楣ぷ髟诩最悹顟B(tài)，雖然非線性失真系數(shù)小，但效率低，一般小于 50%；如果工作在乙類狀態(tài)，雖然效率較高，但輸出波形容易產(chǎn)生交越失真，達(dá)不到非線性失真系數(shù)≤ 3%的要求。 采用 +Vcc、 Vee 雙電源供電，從前面分析可知，輸出電壓的幅度為 +14V，則 Vcc≥+14V，為留有余地選 +Vcc=+18V， Vee=18V。 2． 電壓放大電路 電壓放大電路末級(jí)功放提供驅(qū)動(dòng)電壓，由晶體管 T3構(gòu)成；靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻 4R 、8R 、 9R 決定，取集電極電流 3CI 為 6mA 左右。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻 6R 和 2RP 及 1RP 等決定，差分對(duì)管的集電極