nb的音频放大器课程设计

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课程设计

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摘要:

音频放大器可以用来话音扩音、音乐欣赏、卡拉OK伴唱，其中的电子混响器使声音听起来具有一定深度感和空间立体感。

音响放大器是由话筒放大器、混合前置放大器、电子混响器、音调控制器、功率放大器几部分组成。

设计首先设计电路原理图，在multisim仿真中实现了话筒和声音的混合放大，继而在protel中制作pcb版，买好元件后在万用板上进行焊接，最终完成设计。

电路设计完成后，开始对系统进行测试：通过对系统在multisim软件下仿真测试，也对印制板进行调试。在本设计中，测试后发现系统基本能达到要求。

Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

关键字：混合放大功率 LF347 MUTISIM PROTEL Protel99SE

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1.设计任务与要求

1.1设计任务

掌握一种电路原理图与电路板的绘制方法是电子工程类技术岗位的必备技能。通过本课程设计的教学实训，使学生掌握电路原理图的设计方法，掌握电路板的绘制方法和技巧。培养学生的动手操作能力,提高学生的专业技能水平。为学生将来就业于应用电子类技术岗位打下坚实的基础。设计一个音频放大器，在输出端获得良好的输出信号，对输入信号进行放大。音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。

1.2 设计要求

1.使用protel制作音频放大器的电路原理图

2.使用protel制作音频放大器的PCB图

3.使用protel对基于音频放大器的电路进行仿真

2.原理分析

2..1原理框图

根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。

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如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声，所以经常采用反馈。

1.输出额定功率P>2W；

2.带宽Bw>50~10000Hz；

3.P的效率大于55%.

2.2音频放大器电路分析

放大器的作用： 1、能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。原理:高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

运算放大器原理运算放大器原理

运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图2-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

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图2-1

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

开环回路

图2-2开环回路运算放大器

开环回路运算放大器如图2-2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = ( V+ -V-) * Aog

其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益（open-loop differential gai）由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号「饱和」（saturation），导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器（comparator），比较器的输出通常为逻辑

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准位元的「0」与「1」。

闭环负反馈

将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相（inverting）放大器与非反相（non- inverting）放大器两种。

反相闭环放大器如图2-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地（virtual ground），其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = -(Rf / Rin) * Vin

图2-3反相闭环放大器

非反相闭环放大器如图2-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

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图2-4非反相闭环放大器

3.Protel 99SE绘图

3.1音频放大器的电路

音频放大器应包含三个部分:电源模块，前置放大器，功率放大器。在放大电路中需要用

到运放LM347，其工作电压为15v，因而首先需要设计一个输出电压为15v的稳压源电路，

我采用的是桥式整流的电路模块搭配，如图所示：

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（桥式整流电路图3.1）

（前置放大电路3.2 ）

放大电路包括前置放大电路与二级放大电路，其中前置放大电路如上图所示。前置放大电路用于对输入的音频信号进行放大，即当输入前置放大电路的输入信号电压值为10mv 时输出信号对应的电压值为209mv左右，即系统的放大倍数为20倍左右，并且此放大电路为反相放大电路。（二级放大电路图3.3 ）

二级放大电路用于对前一步电路的输出信号进行进一步的放大，此电路对信号再次进行一次反相放大，同时会使输出信号发生一定的信号相位移动，可以认为对信号做了除放大之外的处理，如上图所示：

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7 . 通用运算放大器输出的电流有限，多为几十毫安；输出范围受到运算放大器电源限制不可能太大，维持可以通过互补对称电路进行电流放大，以提高电路输出功率。功率放大电路如上图所示：（ 总电路图 3.4

）

8 . 综合以上分析可以得到总电路如图所示

：

3.2用Protel 绘制原理图

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10 . 3.2.1元件库的调用

3.2.2放置元件

在绘制原理图时，Protel 99 SE 在工具栏上提供了常用元件的快捷方式，例如电阻、电解电容、瓷片电容以及常用的与、或、非等组合逻辑门，使用起来很方便。

如果要使用其他元件则可以使用Place/Part命令打开元件选择窗口。

若使用的是比较基本的元件可以在Protel 99SE默认提供的元件库Miscellaneous Devices.lntLib中直接浏览。Protel 99SE将元件的型号等都已经

标明了，也可以单击元件自己修改。

3.2.3原理图的布线

放置导线的方法是，在工作窗口空白处右击鼠标，在弹出的快捷菜单（图10－14）中选中Place Wire（也可通过菜单Place→Wire选中），这时鼠标指针由空心箭头变为十字。将鼠标指向欲连线的元件端点，单击鼠标左键，就会出现一条随鼠标移动的预拉线。当鼠标移动到连线的转弯点时，单击鼠标左键就可定位一次转弯。当拖动预拉线到元件的引脚上并单击鼠标左键时，就会终止该次连线。若想将连线状态切回到待命模式，再次右击鼠标或按Esc键。

3.3用Protel绘制PCB图

3.3.1电气常规检查

选择TOOLS菜单下的ERC选项，弹出对话框，直接点击ok即可，

如果有问题就会坐标标注元件的位置，返回电路原理图，改正错误的元件属性，在进行ERC 检查，直至完全正确为止，如下图：

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12 . 3.3.2产生网络表

选取设计菜单下的create netlist 选项弹出对话框，直接点击ok 即可

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3.4 PCB 的制作

3.4.1定义边框 在设计工作区的版层标签选择

keepout layer,然后选择工具条的

，画边框，大小为6*4的。生成网络表之后，就进入了PCB 板绘制的阶段。选择File/New/PCB 生成一个后缀为PcbDoc 的文件。PCB 板分为很多层，主要有Top-Layer 、Bottom-Layer 、Mechanical 、Top Overlay 、Keep-Out-layer 和Multi-Layer 。

按步骤设置PCB 板的Mechanical 物理边界以及Keep-Out Layer 电气边界。先执行Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp 命令，此时光变变成十字形。然后在Mechanical 层面上划定PCB 板的物理边界，最后在禁止布线层（Keep-Out Layer ）上面划定电器边界。

3.4.2加载网络表 在SCH 文件的菜单项中选择design---create netlist,弹出如下

图

的

对

话

框

，

采

用

默

认

设

置

即

可

。

在弹出所有都没有错误后，就可以进行布局了。

3.4.3摆放元件并布线加载网络表后，使用系统的Cluster模式进行自动布局后，得到启示，然后按照原理图自己重新布局。网络表加载完成之后，PCB根据网络表产生预拉线，在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCB板，然后PCB根据预拉线一条一条变为铜膜走线。选定所有的元件拖至PCB板上，执行Tools/Auto Placement/Auto Placer/Cluster Placer命令，Protel开始自动排版。

布局好之后，选中 ALL Route-all选项，弹出对话框，点击Aoute all,便开始自动布线，完成后点击ok即可，布线完成后，得到如下图所示的PCB：

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4.电路元件清单

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5.小结与体会：

通过此次电子技术试验的设计以及调试，掌握了音频放大器的基本设计方法和设计原理，对几种基本电路有了更深刻的认识，并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。但是，同时也发现自己的许多不足之处。了现自己在将书本知识转化为实践能力的水平还很薄弱，在遇到问题时耐心不足，解决问题时不能够静下心来，比如，自己在连接电路后，出现了很多节点的错误，自己找了很久都没能找到原因，就束手无策了，到处找人帮忙，可惜都不成功，只能找学长帮忙。在学长的检查测试后，发现是二极管的封装问题。我才意识到，是下面的焊盘没有改引脚导致的。此刻，我才认识到以前忙于做好实验，填完表格的观点非常错误，这次实验，获得数据、做出报告是其次，真正的在于培养我们自己发现问题、解决问题的能力。以后我会更注重自己这方面能力的培养。经过为期四天的实训使我对protel又有了更深层次的了解，在巩固以前知识的同时又学到了很多的新知识。提高了自学的能力，学会了做PCB板的技术。此外，通过这次课程设计，我觉得我们通信专业属于变化非常快的领域，电子产品欣欣向荣，产品的淘汰频率很高，虽然有很多领域可以让我们大展拳脚，但同样是一条时刻都面对巨大压力和挑战的道路。所以只有今天的努力才能换来明天的稳定，珍惜任何一次学习的机会才是最重要也最实在的。

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6.参考文献

1.Protel99 入门与提高.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11

2.Protel99 高级应用.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11

3.Protel 99 SE电路设计与仿真应用

4.罗先觉《电路》。高等教育出版社 2008/4

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