1 绪论

   功率放大器(简称功放)的作用是给音频放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz～20 kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应。本设计中要求设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度=200mV，负载电阻等于8Ω的条件下最大输出不失真功率P_o≥2W，功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz，在最大输出功率下非线性失真系数r≤3%。

驱动级应用运算放大器μA741来驱动互补输出级功放电路，功率输出级由双电源供电的OCL互补对称功放电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。本课程设计是一个OCL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电。综合了模拟电路中的许多理论知识，巩固了用运放和三级管组成电路的应用，负反馈放大电路基本运算电路的性能与作用。

  本设计报告首先对音频功率放大器进行了简单的介绍，选择放大电路的设计方案。选择好合理的方案后对电路的基本构成进行了分析，设计出电路图并且分析该电路，按照课程设计任务书对参数进行分析计算使电路的参数满足设计要求。并且通过ORCAD软件设计出电路图，并对所设计电路工作原理进行分析。利用ORCAD软件对所设计的电路进行模拟与仿真分析分别对静态工作点，瞬态波形分析，频率分析等，对ORCAD进行了一定的简介。然后利用PROTEL软件绘制该电路的PCB印制电路板图，并且对PROTEEL软件进行了一定的简介。最后对电路在面包板上进行连接和到实验室进行调试。写出相关总结和心得体会。

 

2 音频功率放大器

2.1 音频功放的性能指标

  音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高。非线性失真尽可能小。功放的性能指标参数如下：

（一）灵敏度

对放大器来说，灵敏度一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音箱施加1W的输入功率, 在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的声压值。

（二）阻尼系数

负载阻抗与放大器输出阻抗之比。使用负反的晶体管放大器输出阻抗极低，仅零点几欧姆甚至更小，所以阻尼系数可达数十到数百。

（三）反馈

也称为回授，一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路放大倍数的技术。

负反馈

导致放大倍数减小的反馈称为负反馈。负反馈虽然使放大倍数蒙受损失，但能够有效地拓宽频响，减小失真，因此应用极为广泛。

正反馈

使放大倍数增大的反馈称为正反馈。正反馈的作用与负反馈刚好相反，因此使用时应当小心谨慎。

（四）动态范围

信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差.对器材来说,动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力。

（五）响应

频率响应

简称频响，衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。

瞬态响应

器材对音乐中突发信号的跟随能力。瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就嘎然而止，决不拖泥带水。                                                         

（六）信噪比(S/N)

又称为讯噪比，信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。

（七）屏蔽

在电子装置或导线的外面覆盖易于传导电磁波的材料，以防止外来电磁杂波对有用信号产生干扰的技术。

（八）阻抗匹配

一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。［4］

2.2 音频功放的特点

音频功率放大器的特点：

1、输出功率足够大——为获得足够大的输出功率， 功放管的电压和电流变化范围应很大。  

 2、效率要高——功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。

3、非线性失真要小——功率放大器是在大信号状态下工作，电压、 电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区， 造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。［4］

2.3 功放的分类及本设计的整体构思

功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽电路和变压器耦合功放电路，等等。我选用的是双电源供电的OCL互补推挽对称功放电路。

此推挽功率放大器的工作状态为甲乙类。推挽功率放大器的工作状态之所以设为甲乙类而不是乙类，其目的是为了减少“交越失真”。若设置为乙类状态，由于两管的静态工作点取在晶体管输入特性曲线的截止点上，因而没有基极偏流。这时由于管子输入特性曲线有一段死区，而且死区附近非线性又比较严重，因而在有信号输入、引起两管交替工作时，在交替点的前后便会出现一段两管电流均为零或非线性严重的波形；对应地，在负载上便产生了交越失真。

将工作状态设置为甲乙类便可大大减少交越失真。这时，由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有一很小的静态工作电流ICQ。 这样，便可克服管子的死区电压， 使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服了交越失真。

    OCL互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

因此，需要设计两部分，即驱动级和功率输出级。由于题目是高保真音频功率放大器的设计与制作，因此，必须保证其向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。

    整体构思：

OCL互补对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。

图2-1 设计电路框图

驱动级应用运算放大器μA741来驱动互补输出级功放电路。功率输出级由双电源供电的OCL互补对称功放电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。［1］

 

 

3 方案分析

3.1 方案的选择

    方案一：采用uA741运算放大器设计电路与四个三级管相结合组成，uA741通用高增益运算通用放大器，运放为电路的驱动级电路。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。四个三极管构成功率输出级由双电源供电的OCL互补对称功放电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率

方案二：采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，其内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放，输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

    方案选取：本设计选择方案一采用uA741和三级管就能满足实验要求了，这样设计电路简单，应用简单。

3.2 对所选方案电路中运放uA741的简介

uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。
这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

   uA741的引脚图如下图所示。

图3-1 uA741的引脚图

uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：
1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚。

uA741的内部电路如下图所示。

图3-2 uA741的内部电路图

4 电路设计

本设计电路的总体设计图如下，这是由集成运放与晶体管组成的OCL功放电路如图4-1所示。其中运放为驱动级，晶体管组成复合式晶体互补对称电路。

图4-1 功放总电路图

4.1 电路工作原理

     三极管、为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。、为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一支管决定，即为PNP型。、、及二极管、所组成的支路是两对复合管的基级偏置电路，静态时支路的电流可由下式计算：

 

式中，为二极管的正向导通压降。

    为了减少静态功耗和克服交越失真，静态时、应工作在微导通状态，即满足下列关系：

称此状态为甲乙类状态。二极管、与三极管、应为同类型的半导体材料，如、为硅二极管IN5399，则、也应为硅三极管。用于调整复合管的微导通状态，其调整范围不能太大，一般采用几百欧姆或1K电位器，安装电路时首先应使的阻值为0，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因为的阻值较大而使复合管损坏。

、用于减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆到几百欧姆。、为负反馈电路，可以改善功放的性能，一般为几欧姆。、称为平衡电阻，使、的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。、称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管、。、取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好，一般为几十欧姆，为几千皮法至0.1uF。

4.2 静态工作点设置

    设电路参数完全对称。静态时功放的输出端O对地的电位应为0，，输出点称为“交流零点”。电阻接地，一方面决定了同向放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为0，即。由于运放的反相端经、接交流零点，所以。静态时。调节电位器可以改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由决定，过小会使晶体管、工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取=1mA~3mA，以使、工作在甲乙类状态。

下图为用ORCAD软件设计进行静态工作点分析的图。如图4-2。

图4-2 仿真静态工作点分析

4.3 参数计算

已知条件，Vi=10mV，，。

性能指标要求(1KHZ的正弦波)。

采用本次设计的电路，集成运放Ua741。功放的电压增益

 

 

若取，则。现取，。

如果功放级前级是音量控制电位器（设为），则取以保证功放级的输入阻抗远大于前级的输出阻抗。

若取静态电流，因静态时V，由式

 

可得，

则，取标称值。［1］

5 电路仿真

      在本节中主要介绍了掌握ORCAD操作和使用方法，利用ORCAD软件设计出电路图，并对所设计电路工作原理进行分析。对所设计的电路进行模拟与仿真分析。利用PROTEL软件绘制该电路的PCB印制电路板图。要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范。

5.1 ORCAD画图仿真

安装好ORCAD软件，利用Capture CIS模块对路进行绘制，并且进行各类仿真。电路在ORCAD 里的总体设计图如图4-1所示。

5.1.1 静态工作点仿真

在4-1电路图的软件仿真上，我使用的是Orcad Pspice ，进行了静态工作点模拟分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。则在其中进行静态分析时要进行如下设计，得到如图所示。［1］

 

 

图5-1静态工作点仿真分析设置

   

    设置好上面的模块后点确定，执行静态分析后可以在PSpice/View Output File在输出文件.out中查看，也可以在Capture窗口中单击V，I，W图标，使电路中显示各支路或节点的直流电压，电流和功率等数据。

图 5-2 静态工作点仿真分析

5.1.2 瞬态分析

 瞬态分析实际上是时域分析。晶体管放大电路的静态工作点测试正确后，需要测试电路的动态特性。在图4-1电路图的软件仿真上，我使用的是Orcad Pspice ，进行了放大瞬态模拟分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。在其中进行静态分析时要进行如下设计，得到如图所示。

在执行Pspice下的run，首先要进行电气检查和创建网络表格如果出错就停止仿真，改正错误再仿真。［1］

 

图 5-3 仿真分析时域设置

图 5-4仿真分析时域输入输出电压曲线

 

图 5-5 仿真分析时域输入输出功率曲线

5.1.3 频率分析

晶体管放大电路的静态工作点测试正确后，需要测试电路的动态特性。在4-1电路图的软件仿真上，我使用的是Orcad Pspice ，进行了频率特性分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。在其中进行静态分析时要进行如下设计，得到如图所示。［1］

图 5-6 仿真分析频率特性分析设置

图 5-7 仿真分析频率特性曲线

5.2 PROTEL画图和PCB板制作

Protel画图的具体步骤：

（1）打开protel，建立项目，选择Schematic.Document来创建一个电路原理图设计文件sheet.ddb。双击sheet.ddb进入原理图设计主界面。

（2）a 熟悉工具条

     b 熟悉快捷键的利用

     c 选择元器件，元件库里没有的元件自己编辑后放入原理图界面，编辑元件是从书上学的，下面是一些自己编辑的一些新元件。

d 摆放元件

Space键：让元件作90°的旋转；

X键：元件左右对调。

Y键：元件上下对换。

e 元件连线

当预拉线的指针移动到元件的引脚或其他电器特性线时，指针的中心将会出现一个黑点，她提示我们在当前状态下单击鼠标左键就会形成一个有效的电气连接。

f 加入输入/输出端口

g 更改元件属性

更改元件属性要注意元器件的封装号及footprint，设置元件的序号，设置元件的有效数值。

h  ERC电气规则检查

如果有错误要检查原理图并改正其错误。

下图是用protel画的原理图：

5-8  protel绘制的原理图

 

图5-9  protel绘制的PCB板

Protel制PCB板的步骤

（1）创建PCB文件

 在PCB document里创建PCB文件

（2）熟悉PCB里的一些常用的元件和相关的名词如板层，板框，飞线。铜模走线，焊点，导孔等。

（3）熟悉工具条

（4）制作PCB板

a 定义边框；

b 加载网络表；

c 摆放元件；

d 自动布线；

e 修改边框；

f 手动修改导线；

g 放置汉字标志等。［2］

        

6 电路安装与调试

6.1 合理布局，分级装调

    音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级的布线，功放级应远离输入级，每一级的地线应尽量接在一起，连接尽可能短，否则很容易产生自激。

安装前应检查元器件的质量，安装时特别要注意功放块，三极管，二极管等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装。安装一级调试一级，安装两级要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。

6.2 电路调试

    电路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后进行整机调试与性能指标调试。

本电路在调试过程中，音频输出效果基本符合题目要求，功放各种音频信号声音洪亮清晰，无噪音，失真度几乎没有。但在话筒信号输入部分电路中，出现了放大倍数不够，导致了功放话筒声音小，而且有噪音。改进方法应为加大放大倍数，接上滤波电容，提高话筒前置放大能力。

7 小结

通过这次为期两周的设计，我对以前所学的电路和模电知识有了更深层次的理解与巩固，并学会了ORCAD软件的应用，对电路进行仿真，也复习了PROTEL软件的应用，制作出电路的PCB印制电路板图，由于电路焊接较麻烦，所以选择用面包板直插的，一样能得出设计结果。设计一个很完整的电路，需要不断的尝试摸索，这在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。设计完整的电路，还要考虑到它什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我分析问题的能力。通过这次设计，我的理论知识上升到了一个实践的过程，我们需要多训练实际动手操作，增强我们的动手能力。

因为对ORCAD软件不能熟悉运用，而且此仿真软件有所限制，所以仿真的过程中遇到了很多困难，许多元件在元件库找不到，于是只能找资料用其他元件代替，不过有困难才能让我们学到更多。

通过这次课设，我也深刻体会到了自己知识的匮乏。意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。因此，学习中应多与实际应用相联系。总之，通过这次设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我分析问题及动手操作的能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。

参考文献

[1] 谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉:华中科技大学出版社.2006

[2] 曹丙霞.protel原理图设计.北京:电子工业出版社.2007

[3] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础.华中科技大学出版社.2002

[4] 李挥，罗勇，邹传云．数字音频功率放大器原理及实现电声技术.2003

[5] 吴丙申.功率放大器的设计[J]．电子工艺技术.2004

元器件清单

表1-1 元器件清单表