音頻放大器的設計

1、學校代碼 10126 學號00824017本科學年論文（設計）題目：音頻放大器設計學院、系： 電子信息工程學院自動化系 專業(yè)名稱： 自動化 年 級： 0 8 級 學生姓名： 李光達 學 號： 00824017 指導教師： 周潤景 2010年 9月 9日摘要： 實用音頻放大器主要應用是對音頻信號進行功率放大，本文介紹了弱信號放大能力的低頻功率放大器的基本原理內(nèi)容技術路線。整個電路主要由穩(wěn)壓電源，前置放大電路，二級放大電路，濾波器，功率放大電路共五部分構成。穩(wěn)壓電源主要是為前置放大電器，功率放大器提供穩(wěn)定的直流電源。前置放大器主要是電壓的方大。二級放大電路主要是繼續(xù)放大電壓。濾波器主要是去除噪聲。

2、功率放大器實現(xiàn)電流電壓的放大。設計的電路結構簡潔實用，充分利用了集成功放的優(yōu)良性能。實驗結果表明該功率放大該功率放大器在帶寬,失真度,效率 等方面具有較好的指標,較高的實用性,為功率放大器的設計提供了廣闊的思路。 在proteus軟件的輔助下盡可能的使電路各項指標接近或達到實驗設計要求。再將電路各部分連成整體，整體把握音頻放大電路的性能。有了完整的設計方案后利用protel軟件將電路圖制成pcb仿真圖，布局不僅要符合原理圖而且要合理經(jīng)過處理后生成光繪文件。到此一切設計方案結束。接下來將設計方案原理制成pcb板，通過原理圖及所要元件焊接電路板，在對電路板進行測試最終完成小學期設計任務。關鍵詞：

3、自制穩(wěn)壓電源電路 弱信號前置放大級電路 功率放大電路 音頻放大電路 pcb板 author：li guangda tutor： zhou runjingabstract: the practical application of audio amplifier main power amplifier for audio signals, this paper introduces a weak signal amplification capability of the basic principles of low-frequency power amplifier, content, t

4、echnical route. the entire circuit is mainly regulated power supply, pre-amplifier, 2 amplifier, filter, power amplifier circuit of five parts. power supply is mainly for the electrical preamplifier, power amplifier to provide a stable dc power. preamplifier voltage side main large.&#

5、160;2 is to continue to enlarge the main amplifier voltage. filter is mainly to remove noise. power amplifier circuit and voltage amplification.  simple circuit design and practical, take full advantage of the excellent performance of the integrated amplifier. experimental result

6、s show that the power amplifier of the power amplifier in the bandwidth, distortion and efficiency indicators has a better, higher availability, the design for the power amplifier provides a broad line of thought.      assisted in the proteus software as possible to the

7、 target circuit at or near the experimental design requirements. then connected the various parts of the circuit into a whole, an overall sense of audio amplifier performance. with a complete design after the use of protel pcb simulation software is made of circuit diagram, layout diagram

8、and not only to meet the reasonable processed to generate gerber files. all designed to this end of the program. next will be made of pcb board design principles, by schematic and circuit board to be welded components, in the final testing on the circuit board to complete primary school of

9、 design task.key words: self-regulated power supply circuit weak signal preamplifier circuit of power amplifier circuit audio amplifier circuit board pc目 錄第一章 緒論1.1 音頻功率放大電路概述51.2 音頻放大電路的發(fā)展51.3數(shù)字時代提出了新的要求61.4 本次設計的主要目的、意義71.5 設計總體要求及實現(xiàn)基本指標的方略7第二章 方案的選擇討論及應用2.1直流穩(wěn)定電源的設計與仿真分析2.1.1設計概念8 2.1.2電路設計及測試82.

10、2前置放大電路的設計與仿真分析2.2.1弱信號前置放大級電路102.2.2 前置放大電路的電路圖 102.2.3 前置放大電路的仿真分析 102.3二級放大電路的設計與仿真分析2.3.1二級放大電路的電路圖142.3.2二級放大電路的仿真分析152.4功率放大器2.4.1功率放大器的電路圖192.4.2功率放大器的仿真分析202.5音頻功率放大電路分析 2.5.1音頻功率放大電路電路圖232.5.1音頻功率放大電路的仿真分析242.6pcb的封裝與設計：2.6.1pcb的設計292.6.2在ares軟件中封裝29結論 30致謝 30參考文獻32第一章 緒論1.1音頻功率放大電路概述音頻功率放大

11、器是音響系統(tǒng)中的關鍵部分，其作用是將傳聲元器件獲得的微弱信號放大到足夠的強度去推動放聲系統(tǒng)中的揚聲器或其他電聲元器件，使原聲響重現(xiàn)。其電路一般可分為兩部分，前一部分進行小信號電壓幅值放大，后一部分采用功率放大器，與揚聲器相連。一般揚聲器的阻值較低，僅有8左右，需要較大的輸出電流才能達到較大的輸出功率，因此，需要功率放大器提供足夠功率，一般電腦的有源音箱大多采用這種方式。其簡單的構成框圖如圖1-1所示。電源模塊 信號源 前置放大器揚聲器功率放大器1.2音頻1.2放大電路的發(fā)展隨著晶體管制造技術的不斷提高和新技術的應用，各項實用性指標和可靠性指標都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，

12、更輕的重量，更多的功能和智能化方向發(fā)展，如美國crown公司的ma-5000vza功放，其最大輸出功率可達4000w/8（橋接，單通道）；完善的可靠性設計使它在苛刻的環(huán)境中可連續(xù)工作，使得生產(chǎn)者可作3年免維護的保證；插入可編程的輸入處理模塊usp3；可對12000臺功放的工作狀態(tài)進行程控調(diào)節(jié)和各種參數(shù)檢測。各種完善的可靠性保護措施，使它的可靠性大大提高，可與電子管功放媲美。晶體管功放具有許多寶貴優(yōu)點，它的失真低于萬分之一，但其音質(zhì)聽感總不如電子管功放那么逼真，細膩，尤其是在表現(xiàn)瞬態(tài)變化快而清脆的打擊樂，弦樂和渾厚回蕩的鋼琴曲方面感覺最明顯。20世紀80年代初，歐洲有些專業(yè)公司開始研究晶體管功放

13、與電子管功放之間的性能差異及解決辦法。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開關速率很快。晶體管是一種電流控制器件，需有較大的控制電流，轉(zhuǎn)換速率較慢，這是最基本的差別。80年代中期歐洲首先推出了采用mosfet音頻場效應管功放。mosfet場效應晶體管既具有晶體管的基本優(yōu)點。但使用不久發(fā)現(xiàn)這種功放的可靠性不高（無法外電路保護），開關速度提高得不多和最大輸出功率僅為150w/8等。90年代初，mosfet的制造技術有了很大突破，出現(xiàn)了一種高速mosfet大功率開關場效應晶體管。西班牙藝格公司（ecler）經(jīng)多年研究，攻克了非破壞性保護系統(tǒng)的spm專利技術，推出了集電子管功放和晶體管功放兩

14、者優(yōu)點結合的第3代功放產(chǎn)品，在歐洲市場上獲得了認可，并逐步在世界上得到了應用。第3代mosfet功放的中頻和高頻音質(zhì)接近電子管功放，但低頻的柔和度比晶體管功放差一些，此外mosfet開關場效應管容易被輸出和輸入過載損壞。數(shù)字功放的概念早在20世紀60年代就有人提出了，由于當時技術條件的限制，進展一直較慢。1983年，m.b.sandler等學者提出了d類放大的pcm（脈碼調(diào)制）數(shù)字功放的基本結構。主要技術要點是如何把pcm信號變成pwm（脈沖調(diào)寬信號）。美國tripass公司設計了改進的d類數(shù)字功放，取名為“t”類功1999年意大利powersoft公司推出了數(shù)字功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音

15、頻功率放大器，數(shù)字功放進入了工程應用，并獲得了世界同行的認可，市場日益擴大，最終將替代各類模擬功放。1.3 數(shù)字時代提出了新的要求 早期的數(shù)字放大器與模擬音源配合得很好, 在某種程度上與數(shù)字音源的配合也不錯, 但 最多只能生成分辨率為 12-13.5bit 的音頻.家庭影院,數(shù)字音頻接收機和 pc 游戲等先進的 娛樂系統(tǒng)需要全 16bit 的音頻重現(xiàn),以支持市場所要求環(huán)繞聲,回響和音樂廳效果. 典型的 d 類數(shù)字放大器,有些具有模擬輸入,有些具有數(shù)字輸出,不能滿足上述目標. 因為盡管它們成本低,效率高,但缺乏生成精確音頻所需的分辨率.而且,這些元件甚至不 能滿足 cd 機,dvd 影碟機等普通

16、的娛樂設備的要求. 利用光盤發(fā)行數(shù)字音頻,消除了音 頻信號在格式方面的一個弱點.最終,家庭中都可以實現(xiàn)影院級音質(zhì).按字面理解,數(shù)字音 頻是沒有噪聲的.它是被作為一系列的"0"和"1"加以處理的,沒有給可能引起微小失真的噪 聲留下任何空間. 但另外一個問題仍然存在:模擬放大所必需的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)對尺寸, 成本和質(zhì)量的影響. 現(xiàn)在,新技術使得整個音頻處理鏈都保持純數(shù)字形式.具有數(shù)字輸入的純數(shù)字放大器, 使得在信號路徑中不再需要使用 dac,而是直接把干凈的數(shù)字輸入在音箱終端轉(zhuǎn)化成干凈的功率. 直到最近,才在高檔,昂貴的音響系統(tǒng)中見到端到端的數(shù)字放大器.

17、幾乎所有的 同時需要大量外部元件. 這種兩芯片方案的成本 早期數(shù)字放大系統(tǒng)都需要利用兩芯片方案, 和尺寸在很大程度上妨礙了它在主流市場中的應用.盡管現(xiàn)有的 d 類數(shù)字放大器較以前的 技術有所改善,但它們在音質(zhì),封裝,性能,價格和核心技術方面未能取得重大改進. 1.4 本次設計的主要目的、意義本次電路設計，一方面鞏固和加強了自己在電路方面的知識，了解一些常用家用電器的內(nèi)部電路結構，從而為以后的學習和工作作好知識保障。另一方面，我們可以進一步加深對所學知識的理解，以及如何用所學知識來處理一些在實際操作過程中問題。這一實踐與理論相結合的過程，將有益于我們學習其它理論知識和提高我們今后進一步利用理論知

18、識解決實際問題的能力.在設計的過程中使得我們有必要對其進行更深刻地認識與了解，從而在本質(zhì)上掌握它的設計思路及實踐方式，為以后能夠更好的應用打下良好的理論基礎。1.5 設計總體要求及實現(xiàn)基本指標的方略 1基本要求（1）在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為（510）mv，等效負載電阻rl為8下，放大通道應滿足： 額定輸出功率por2w； 帶寬bw（5010000）hz； 在por下和bw內(nèi)的非線性失真系數(shù)3%； 在por下的效率55%； 在前置放大級輸入端交流短接到地時，rl=8上的交流聲功率10mw。（2）自行設計并制作滿足本設計任務要求的穩(wěn)壓電源。設計與總結報告，評分標準：方案設計與論證（20分

19、），理論分析與計算（20分），電路原理圖及pcb板（40分），測試方法與數(shù)據(jù)（10分），對測試結果的分析（10分）本次設計電路的框圖如圖1-2所示。2.1直流穩(wěn)定電源的設計與仿真分析 2.1.1 設計概念：在電子電路及設備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。單相交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓輸出電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。所以直流電源的設計共包括電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓輸出電路四個部分，在設計時應該明確每個部分的作用，從而正確的連接出可行的電路。另外，電路要正常工作，必須有一定的工作范圍，因此在設計時要通過參數(shù)掃描使得各個元件正常工作，并且使其滿足所要設計電路的要求。例

20、如穩(wěn)壓管在工作時必須有限流電阻，使其工作時的電流大小在izmin-izmax之間。2.1.2電路設計及測試：設計的直流電路圖為：11對該電路進行瞬態(tài)分析為：由仿真看出該直流電源的輸出為±15v，滿足設計要求。2.2前置放大電路的設計與仿真分析2.2.1弱信號前置放大級電路: 前置放大電路可以采用集成運算放大器構成的前置放大器,也可以采用專 用前置放大器ic構成的前置放大器電路,從經(jīng)濟方面考慮本設計采用的是集成運 算放大器方案,設計前置放大器可供選用的集成運算放大器有很多,有l(wèi)f347, lf353,lf357,lf356,0p-16,op-37,ne5532,ne5534等.主要考慮

21、的技術指 標是帶寬,電壓增益,轉(zhuǎn)換速率,噪聲和電流消耗等. 為提高前置放大器電路輸入電阻和共模抑制性能,減少輸出噪聲,采用集 成運算放大器構成前置放大器電路時,必須采用同相放大電路結構。2.2.2前置電路的電路圖：2.2.3對前置放大器的仿真分析：電路輸入輸出分析：從電路的仿真結果可知，當系統(tǒng)的輸入信號電壓值為10mv時，輸出信號對應電壓值值為208mv，即系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為20，系統(tǒng)為同相放大電路。電路的頻率響應特性分析：從仿真分析的結果來看，系統(tǒng)的最大增益為26.8db，則截止頻率處增益應為26.8*0.707=18.95db.從電路的仿真結果可知，系統(tǒng)的頻率范圍為3196khz。電路的

22、是真分析：傅里葉分析：通過改變輸入信號的頻率，發(fā)現(xiàn)在信號頻率改變的同時，系統(tǒng)的失真度也在改變。2.3二級放大電路的設計與仿真分析2.3.1二級放大電路的電路圖2.3.2對二級放大電路的仿真分析：電路的輸入輸出分析：從分析結果可以看出，電路對輸入進行了同相放大，同時輸出信號相位發(fā)生了偏移。通過改變輸入信號頻率發(fā)現(xiàn)二級放大電路對不同輸入信號功率有不同相位偏移。電路頻率響應特性分析：從圖中測量結果可知系統(tǒng)的最大增益為21.6db，則截止頻率處的增益應為21.6*0.707=15.3db。從電路的仿真結果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為10276khz. 電路噪聲分析：從系統(tǒng)測量結果可知在音頻放大器的夠做頻率

23、范圍內(nèi)，系統(tǒng)的噪聲范圍為208405v/hz。仿真日志中查看噪聲源：電路失真分析：傅里葉分析：2.4功率放大器2.4.1功率放大器電路圖2.4.2功率放大器仿真分析：輸入輸出分析：從上述仿真結果可知，系統(tǒng)以恒定功率輸入信號，而調(diào)節(jié)電路中電位器可調(diào)節(jié)電路的輸入阻抗。電路失真分析：2.5音頻功率放大電路分析：2.5.1音頻功率放大器電路：2.5.2音頻功率放大器的分析：電路輸入與輸出分析：從模擬圖表的仿真結果可知，電路對輸入信號進行了同相放大。電路頻率響應特性分析：從圖中的測量結果可知系統(tǒng)的最大頻率增益為56.4db，則截止頻率處增益應為56.4*0.707=39.9db。電路噪聲分析：從分析仿真

24、的結果來看，系統(tǒng)對輸入噪聲進行了放大。電路失真分析：傅里葉分析：從系統(tǒng)的分析結果可知，系統(tǒng)瞞住設計要求。音頻分析：如有聲卡和揚聲器，用戶可聽到音頻放大器的輸出結果。2.6pcb的封裝與設計：2.6.1pcb的設計： pcb幾乎會出現(xiàn)在每一種電子設備當中，如果在某種設備中有電子元器件，那么它們也都是鑲在大小各異的pcb上，pcb是電子工業(yè)重要的電子部件之一?？梢姡琾cb的應用已經(jīng)相當廣泛。在進行pcb設計之前必須對原理圖進行后處理，proteus pcb設計是先在isis軟件中生成電路圖，然后在ares軟件中完成的。2.6.2在ares軟件中封裝在ares軟件中進行封裝時，元器件的擺放順序要按isis軟件中生成的電路圖的順序進行擺放，各個元器件間的空間要取的適當，如應該給晶體管留有足夠的空間使其能進行很好的散熱 圖43 在ares中生成的鋪銅電路封裝圖 結 論在獨立完成音頻功率放大器設計的過程中，我對電路的設計能力有顯著提高，尤其是對所學電路知識有了新的認識。本設計電路簡單高效，失真小，選頻特性較好，達到了設計目的和要求，但在電路的整個設計過程中存在很多問題：雖然理論上達到了設計要求，但在實際操作過程中理想與現(xiàn)實總是存在很大差異。在一些元器件的選擇上，性能較好的管子參數(shù)很好但性價比較低。更