proteus与candence课设报告

课程设计任务书

学生姓名：明凡专业班级：电子1001班

指导教师：韩屛工作单位：信息工程学院

题目: 功率放大器的设计

初始条件：

计算机、Proteus软件、Cadence软件

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：2周

2、技术要求：

（1）学习Proteus软件和Cadence软件。

（2）设计一个功率放大器电路。

（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2013.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2013.11.17-11.21对功率放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2013.11.22 提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要.......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. II 1绪论.. (1)

2设计要求及内容 (2)

3功率放大器的工作原理 (3)

4功率放大器的电路设计 (3)

4.1 总体电路的设计思路 (3)

4.1.1 功放电路 (3)

OTL(Output Transformer Less)电路 (3)

OCL(Output Capacitor Less)电路 (3)

BTL（Balanced Transformer Less）电路 (4)

4.1.2 芯片选择 (4)

4.2 功率放大器整体电路设计 (5)

4.3 功率放大器整体电路理论分析 (5)

5电路的仿真 (6)

6电路的PCB制作 (7)

7心得体会 (11)

参考文献 (12)

摘要

功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

无论在全球移动通信系统、第三代移动通信系统、无线局域网等民用领域，还是在雷达、电子战、导航等军用领域，射频功率放大器作为这些系统中的前端器件，对其低耗、高效、体积小的要求迅速增加。

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proteus软件绘制该电路的原理图，并且对proteus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

关键词：功率放大器、proteus、cadence

I

Abstract

The power amplifier (English Name: power amplifier), referred to as the "power", refers to the distortion given, can produce maximum power output to drive a load (such as a speaker) amplifier. Power amplifier plays a "pivotal role in organization, coordination" in the sound system, to some extent, dominate the whole system can provide good sound output.

No matter in the field of civil global system for mobile communications, the third generation mobile communication system, wireless local area network, or in the radar, electronic warfare, navigation and other military areas, RF power amplifier as a front-end devices in these systems, the rapid increase in the low consumption, high efficiency, small volume.

This design report firstly introduces audio power amplifier, the amplifier circuit design scheme selection. Choose reasonable scheme of circuit after the basic structure are analyzed, the circuit diagram and analysis the design, in accordance with the curriculum design task book for parameters for the analysis of the circuit parameters meet the design requirements. And through the ORCAD software design the circuit, and the circuit principle design analysis. Using ORCAD software to analyze the simulation of the circuit design of the static working point, transient waveform analysis, frequency analysis, ORCAD is certain. Schematic diagram and then draw the circuit by using Proteus Software, and the Proteus Software has been a certain profile. At the end of the circuit are connected and to the laboratory for debugging on the bread board. Write a summary and the experience

Keywords: power amplifier, proteus, cadence

II

1绪论

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、A VR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

Cadence Design Systems是一个专门从事电子设计自动化（EDA）的软件公司，由SDA Systems和ECAD两家公司于1988年兼并而成。是全球最大的电子设计技术(Electronic Design Technologies)、程序方案服务和设计服务供应商。其解决方案旨在提升和监控半导体、计算机系统、网络工程和电信设备、消费电子产品以及其它各类型电子产品的设计。Cadence Allegro 系统互连平台能够跨集成电路、封装和PCB协同设计高性能互连。应用平台的协同设计方法，工程师可以迅速优化I/O缓冲器之间和跨集成电路、封装和PCB的系统互联。该方法能避免硬件返工并降低硬件成本和缩短设计周期。约束驱动的Allegro流程包括高级功能用于设计捕捉、信号完整性和物理实现。由于它还得到Cadence Encounter与Virtuoso平台的支持，Allegro 协同设计方法使得高效的设计链协同成为现实。

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2设计要求及内容

设计功率放大器电路，在proteus环境下完成电路的仿真，在cadence环境下绘制电路的PCB版图。

基本要求：

1、放大通道应满足:在额定输出功率下和带宽内的非线形失真系数不大于3%.在额定输出功率下的效率不小于55%.输出功率10W/8Ω；频率响应20~20KHz；效率>60﹪；失真。

2、选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。利用Proteus仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。

3、利用仿真软件cadence完成PCB设计功能进行PCB设计，安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告

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3功率放大器的工作原理

利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按功率放大器照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。

4功率放大器的电路设计

4.1 总体电路的设计思路

4.1.1 功放电路

我们决定在OCL、OTL 和BTL 电路中选择其一进行设计。

OTL(Output Transformer Less)电路：称为无输出变压器功放电路。是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输出变压器的功放电路，它是高保真功率放大器的基本电路之一，但输出端的耦合电容对频响也有一定影响。OTL 电路的主要特点有：采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地，具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4Ω、8Ω、16Ω之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2 V CC，额定输出功率约为1/(8RL)。

OCL(Output Capacitor Less)电路：称为无输出电容功放电路，是在OTL 电路的基础上发展起来的。OCL 电路的主要特点有：采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好；扬声器一端接地，一端直接与放大器输出端连接，因此须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择4Ω、8Ω或16Ω负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为1 /(2RL)。需要指出，若正负电源值取OTL 电路单电源值的一半，则两种电路的额定输出功率相同，都是1 /(8RL)。

3

BTL（Balanced Transformer Less）电路：称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的OTL 或OCL 电路组成，扬声器接在两组OTL 或OCL 电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。BTL 电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL、OCL 电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL 电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便。经过筛选，为了得到更大的电压增益放大，以及更大的功率放大，我们决定选择OCL 电路图。

4.1.2 芯片选择

我选取的芯片为TDA2030A 芯片. TDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030 的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL 电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030 集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030 在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14 瓦功率（失真度≤0．5％）；在电源电压±16V，负载电阻为4Ω时输出18 瓦功率（失真度≤0．5％）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。

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4.2 功率放大器整体电路设计

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41T~T组成复合式晶体互补对称电路。

下图是基于proteus软件的功率放大器整体电路图的设计：

4.3 功率放大器整体电路理论分析

将2030A放大器看成理想运算放大器，则有虚短和虚断两个规律，2、3端口的电压相同，

3端口电流为0，则V o/Vi= (R2+R3)/R2=（22000+680）/680=33.35倍

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5电路的仿真

按照图8的电路原理图，在proteus软件上绘制出仿真电路图，进行仿真，蓝色方点代表低电平，红色方点代表高电平，图9为某次抢答成功的仿真图。

结果分析：

输入V-pp为20mv时，输出为0.66v，与理论分析一致。

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6电路的PCB 制作

本次设计要求使用cadence 来画电路的PCB 版图，要画PCB 首先要画原理图，由原理图生成网络表，再将网络表导入PCB 中，进行布局，布线，铺铜等操作来完成PCB 。在cadence 中绘制的原理图如图10所示。

图10 cadence 原理图

选中工程，执行tools →Design Rules Check 进行电器规则检查，检查无误后，为每个元件添加封装，双击元件，填写Footprint 一项即可，填完后执行tools →create Netlist 生成网络表。但是有些元件在PCB 库中没有对应的封装，所以就要我们自己制作封装。

打开PCB Editor 软件，执行File →New ，填写新建封装的名字，选择保存路径，再选择Type 为Package symbol 后确定，进入PCB 封装制作页面。执行setup →Design Parameters →Design ，设置图纸大小；执行setup →grids ，设置栅格大小；执行Layout →Pins ，选择外径60内径35的焊盘后放置焊盘；执行Add →line ，Option 选项中选择Package Geometry

和

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Assembly_Top ，放置PCB 元件的安装外框；执行Add →line ，Option 选项中选择Package Geometry 和Silkscreen_Top ，放置PCB 元件的丝印层；执行Add →Rectangle ，Option 选项中选择Package Geometry 和Place_Bound_Top ，放置PCB 元件的安全摆放区；执行Layout →Labels →RefDes ，选择Assembly_Top 放置参考编号，选择Silkscreen_Top 放置丝印编号。至此PCB 元件完成，保存即可。制作的PCB 元件如图11、12、13所示。

图11 LED 封装 图12 自锁开关封装

图13 弹性小按键封装

图14 PCB板框

打开PCB Editor软件，执行setup→Design Parameters→Design，设置图纸大小；执行setup→grids，设置栅格大小；执行Add→line绘制PCB板外框；执行setup→Areas→Package keepin绘制允许元件摆放区域；执行setup→Areas→Route keepin绘制允许布线区域；执行Place→Manually→Mechanical symbols放置安装孔，至此板框画完，如图14。

执行File——Import→logic选择画原理图用的软件和netlist文件的存放路径，点Import Candence导入网表到PCB中；执行Place→Manually→Components by refdes放置元件并进行布局，如图15；执行Route→Connect→Bottom，设置线宽（line width）为20，进行反面布线，

如图16；执行Route→Connect→Top，设置线宽（line width）为20，进行反面布线，如图17。

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图15 PCB布局

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7心得体会

本次proteus与cadence实训中，我更加熟练了proteus的基本操作，并且学会如何使用cadence软件设计原理图与PCB板。由于对cadence软件并不熟悉，只是初步掌握了操作方法，但做一些简单的设计还是可以的。

在本次实训过程中，我感触最深的当属查阅资料与软件学习了。为了让自己尽快学会cadence基本操作，一次次翻阅电子类书籍是十分必要的，作为一名电子专业的学生掌握一种或几种仿真软件与绘图软件同样是必不可少的，cadence就是其中的一种。

通过看资料上的东西，并不能掌握操作方法，必须通过实践来亲手操作一下，才能够更好的理解与掌握所学知识，同样在实践中巩固了所学知识。这也是我作本次课程设计的第二大收获。

由于现在还处于初学阶段，对好多所学知识理解不够深刻，尤其是软件运用方面还有待进一步提高。在调试中遇到了很多问题，不断请教同学才得以解决。有时候善于向别人寻求帮助是很好的解决问题的方法，通过别人的讲解与讨论，不仅可以解决问题，还可以学到一种解决问题的新思路。

以后还要继续努力，不断学习，才能熟练的运用电路设计软件，轻松完成各种电路设计。

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参考文献

[1] 伍时和主编.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009 12

[2] 周润景、李琳主编.Cadence Concept HDL & Allegro原理图与PCB设计.北京：电子工业出版社，

[3] 杨清德、康娅主编.LED及其工程应用.北京：人民邮电出版社，2007

[4] 江国强主编.EDA技术习题与实验.哈尔滨：哈尔滨工程大学电子工业出版社，2005

[5] 陈东主编.OrCAD电路设计.北京：国防工业出版社，2004

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指导教师签字：年月日13