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1、
電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告
—— 音頻功率放大器的設(shè)計(jì)
上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院自動化系
電氣工程及其自動化專業(yè)
姓名:
學(xué)號:
指導(dǎo)老師:徐昱琳
2014年6月26日
高保真音頻功率放大器
一:任務(wù)及要求
1.主要技術(shù)指標(biāo)
① 正弦波不失真輸出功率 Po>5W (f=1kHz,RL=8Ω)
② 電源消耗功率PE<10W ( Po>5W )
③ 輸入信號幅度 VS=200 ~ 400mV ( f=1kHz , RL=8? ,
Po>5W )
④ 輸入電阻 Ri>10kΩ (
2、f=1kHz )
⑤ 頻率響應(yīng) BW=50Hz~15kHz
2.課程設(shè)計(jì)要求
① 用中、小型規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)所要求的電路;
② 在EDA軟件上完成硬件系統(tǒng)功能的仿真;
③ 寫出設(shè)計(jì)、調(diào)試、總結(jié)報(bào)告。
二:方案特點(diǎn)
OTL音頻放大電路,局部反饋穩(wěn)定了工作點(diǎn),總體串聯(lián)電壓負(fù)反饋控制了放大倍數(shù)并提高輸入電阻和展寬頻帶,退耦濾波電容及校正電容是為防止寄生振蕩而設(shè)。
三:結(jié)合結(jié)構(gòu)框圖介紹各組成部分及其工作原理
中間放大級
(推動級)
輸出級
輸入級
功率輸出級:由互補(bǔ)對稱電路組成,電路簡單易行,但由于大功率管β不大,故推動級要求
3、有一定功率。
推動級(中間放大級):一般都是共射極放大電路,具有一定的電壓增益。由于推動級電壓幅度與輸出級相同,通常采用自舉電路來達(dá)到。
輸入級:是為了增大開環(huán)增益,以便引入深度負(fù)反饋,改進(jìn)電路的各項(xiàng)指標(biāo)。
電路中的二極管D:為了消除交越失真而設(shè)
R11是穩(wěn)定功放管靜態(tài)電流用的。
推動級的偏置由功放級引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋形式進(jìn)行,起穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用。整體交流電壓負(fù)反饋改善放大器各項(xiàng)指標(biāo)。
四:單元電路設(shè)計(jì)與調(diào)試
設(shè)計(jì)計(jì)算工作由后級逐漸推向前級
1. 電源電壓的確定
因?yàn)閚=0.8 RL=8Ω Po=5W
所以
2.
4、 功率級的設(shè)計(jì)
功放管要求:
T3 T4選用3DD15 2Z730即可
功率管需推動電流:
耦合電容:
取2200/25V
穩(wěn)定電阻:過大則功率損失太大,過小溫度穩(wěn)定性不良,故取1Ω2W
3. 推動級設(shè)計(jì)
取
5、
選3DG130即可
消除交越失真選二極管 2CP12(100mA,0.9V)
一般
取 ,
取200
電路中
選 進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)最佳工作點(diǎn)
當(dāng)功放級達(dá)盡限運(yùn)用時,推動級也達(dá)盡限運(yùn)用,故推動級基極信號電流的峰值應(yīng)與靜態(tài)值相等即。由于推動級用的是中功率晶體管,故其輸入電阻為:
6、推動級的負(fù)載電阻可等效為:
其中,為大功率管的輸入電阻,由于乙類放大是變化的,不好準(zhǔn)確計(jì)算,故以為的計(jì)算值
故
推動級電壓放大倍數(shù)為
推動級基極推動電壓為:
對信號的分流為:
上反饋電流的峰值
7、
=
總推動信號交流峰值為:
4. 輸入級設(shè)計(jì)
由于推動級需要2.85mA的交流推動信號,故輸入級靜態(tài)電流應(yīng)大于2.85mA。取。推動級所需電壓信號只0.2V,故輸入級電壓的配置可較隨便,取為2KΩ,則各降落6V
取為3DX201
取
則
8、 取
取
耦合電容憑經(jīng)驗(yàn)選取
5. 負(fù)反饋設(shè)計(jì)
取
總開環(huán)倍數(shù)為:
根據(jù)題意要求:
倍
故
1+
所以是深度負(fù)反饋
故
取以便于調(diào)試
6. 電路指標(biāo)驗(yàn)算
1) 不失真功率
設(shè)的等大約要損失電源電壓3V,則實(shí)際輸出幅度
9、
2) 電源消耗功率
3) 靈敏度
所以滿足要求
4) 輸入電阻
>10KΩ
符合指標(biāo)要求
頻率響應(yīng)的分析:
低頻響應(yīng)取決于各級耦合電容及旁路電容,開環(huán)選取已考慮足夠大,再加負(fù)反饋已無問題。
高頻響應(yīng)主要由2Z730決定,因它的,,而其他硅NPN晶體管頻率都較高,由于深度負(fù)反
10、饋,故高頻響應(yīng)提高到10KC也無問題。
電容是為了消除電源引線太長引起的寄生振蕩,通常采用不太大的電容,現(xiàn)取的電容值。
五:總邏輯圖
六:仿真結(jié)果及分析(給出必要的波形、進(jìn)行測量精度及誤差分析)
(1) 靜態(tài)調(diào)試
輸出級中點(diǎn)電壓 Vo=1/2 Vcc
調(diào)節(jié)W2,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試,當(dāng)Vo=11V時,Rw2=3.3KΩ
(2)動態(tài)調(diào)試
j.輸出功率Po
在 f=1kHz,RL=8Ω,輸出波形基本不失真時,測出輸出電壓值VO必須大于6.325V ,計(jì)算出輸出功率大于5W 。
調(diào)節(jié)輸入信號并適當(dāng)調(diào)節(jié)W1的阻值,得下圖所示波形及輸出電壓
11、值
②.靈敏度測試
在 f=1kHz,RL=8Ω, Po>5W時,測出VS的值,必須控制在200~400mV之間。
調(diào)試方法:將信號略減小使輸出保持約6.325伏,測輸入電壓的值。
下圖為信號略減小后,輸出保持約6.325V
下圖測出輸入電壓為319mV
③電源消耗功率
用電流表測量電源電流,計(jì)算電源消耗的功率。
電源消耗的功率:
m. 輸入電阻Ri
在放大器輸入端串一只10k電阻R,保持輸出5W功率(即輸出電壓有效值是6.325V),分別測出R1前端電壓
12、值V1和后端電壓值V2,輸入電壓為VS,計(jì)算出輸入電阻。
此時 輸入信號VS=630mV 后端電壓V2=6.32V
V1=310.1mV
由
故,符合要求。
n.頻率響應(yīng)
在上述情況下增加或降低輸入信號頻率(幅度不變),輸出電壓隨之下降,當(dāng)其下降到原來的0.707倍時,或輸出波形產(chǎn)生明顯失真,記下放大器的上、下限頻率值。
由于本設(shè)計(jì)電路所用的晶體管均為理想三極管,所以頻帶寬為無窮。
為了測出上限頻率,將T4的Zero-bias B-C junction capacitance(CC)參數(shù),把原來的0改為pF
13、級的電容值(如9e-12)?;蚩稍赥3、T4晶體管的集級附近加幾個數(shù)量極為pF的電容,減小其下限頻率及頻帶寬。得到的實(shí)際應(yīng)為下圖:
當(dāng)輸出電壓幅度下降為原來的0.707倍時,下限頻率為9.746Hz,上限頻率為9.3150KHz。
七:小結(jié)
1. 遇到的問題及解決方法
第一次接觸這么復(fù)雜的設(shè)計(jì),遇到了很多的問題。首先就是預(yù)設(shè)計(jì)感覺無從下手,通過老師給的資料以及PPT,我慢慢梳理出來預(yù)設(shè)計(jì)的思路,并且耐心的一步步做了出來。當(dāng)然,在設(shè)計(jì)的過程中,資料上也有我看不懂的地方,遇到這些問題的時候,我會去翻翻模電書,上網(wǎng)查更多的資料,再不會就會去詢問學(xué)長,最后總能把問題解決掉。另一個很大的
14、問題就是仿真,仿真的時候經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的問題,最開始我就遇到了萬用表沒有示數(shù),后面經(jīng)過仔細(xì)的檢查,發(fā)現(xiàn)是電路圖中有一個連接點(diǎn)忘記畫。做動態(tài)調(diào)試時也遇到了很多的問題,每次都要認(rèn)真仔細(xì)的檢查,調(diào)試,最后才得出正確的調(diào)試結(jié)果。
2. 收獲與感想
一開始我拿到題目感覺無從下手,非常的盲目,然后通過老師給的參考資料以及課堂PPT,漸漸的開始能夠梳理出來思路,從搞清楚原理;到明白設(shè)計(jì)過程,明確設(shè)計(jì)步驟;再到能夠?qū)懗鲱A(yù)設(shè)計(jì),畫出電路圖;最后驗(yàn)證,做仿真實(shí)驗(yàn)。這樣一步步下來,自己也大體學(xué)會了設(shè)計(jì)一個電路要怎么做,做完也非常的有成就感。
在做課程設(shè)計(jì)的過程中我發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)電路一定要細(xì)心,每一個點(diǎn)都不能漏
15、掉,電路圖中任何一個連接點(diǎn)都至關(guān)重要,不細(xì)心認(rèn)真就會容易出現(xiàn)差錯。這次的設(shè)計(jì)讓我受益匪淺,讓我學(xué)會了自己遇到很難又不會的問題如何一步步去解決,自己認(rèn)為不可能做到的事情,其實(shí)從開頭認(rèn)真研究學(xué)習(xí),總可以慢慢進(jìn)行下去,最后能夠得到一個還算滿意的結(jié)果。
課程設(shè)計(jì)讓我把課堂上學(xué)到的或者是書上出現(xiàn)但原來并不太在意的知識,應(yīng)用到實(shí)際中去,不僅可以鞏固所學(xué)到的知識,而且加強(qiáng)了自己的探索能力,以及對知識的靈活應(yīng)用。通過本次的設(shè)計(jì),我受益匪淺。
3. 建議與展望
希望這個課程能夠多一點(diǎn)答疑,或者是網(wǎng)上的在線答疑,有的問題實(shí)在是資料也找不到,同學(xué)也不會,容易在一些問題上造成一知半解。也希望以后這樣的設(shè)計(jì)多一些。