音頻功率放大器的設(shè)計

1、 目錄 一、 摘要二、 設(shè)計任務(wù)三、 設(shè)計要求四、 設(shè)計方案及原理分析五、 硬件單元電路的設(shè)計六、 調(diào)試一、摘要隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用。特別是半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，使功率放大電路向模塊化、小型化、集體化的方向不斷發(fā)展。一般放大電路主要用于放大信號的電壓或電流，而功率放大電路則主要實現(xiàn)信號的放大，以便送到執(zhí)行機構(gòu)中去完成某種任務(wù)。功率放大電路是一種十分常用的電子電路，廣泛應(yīng)用于家庭影院、音響系統(tǒng)以及工業(yè)制造中的機械系統(tǒng)、電機驅(qū)動等電子系統(tǒng)。通常的音頻功率放大多采用直接線性放大形式。如：甲、乙、丙類放大等。這些電路的優(yōu)點不少，但主要缺點是效率不夠高。一般<

2、;50%。在電能損耗上十分可惜。本電路介紹了一種8W音頻功率放大器電路的工作原理及其電路與版圖設(shè)計。二、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個帶音調(diào)控制的音頻功率放大器。 圖1 音頻功率放大器組成框圖三、設(shè)計要求1基本要求（1）輸出額定功率：PO1W。（2）負(fù)載阻抗：RL=8（3）頻率響應(yīng)：fLfH=40Hz10KHz（4）音調(diào)控制特性：1KHz處增益為0dB，100Hz和10KHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH+20dB（5）輸入阻抗：Ri>>20K。2發(fā)揮部分（1）具有電子混響延時功能（2）輸出功率達(dá)到8W以上。四、設(shè)計方案及原理分析 根據(jù)課題的要求，該音頻功率放大器可由框

3、圖實現(xiàn)。下面主要介紹各部分電路的特點及要求。1、前置放大器 音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進(jìn)行放大，然后輸出驅(qū)動揚聲器。聲援源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機、錄音機（放音磁頭）、CD唱機及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器中的話，對于輸入過低的信號，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴(yán)重過載失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個實用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入

4、信號，或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。另外在各種聲音源中，除了信號的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機輸出信號和磁帶放音的輸出信號頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對于這樣的輸入信號，在進(jìn)行功率放大器之前，需要進(jìn)行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。對于話筒和線路輸入信號，一般只需將輸入信號進(jìn)行放大和衰減，不需要進(jìn)行頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號非常微弱，一般只有100

5、V幾毫伏，所以前置放大器輸入級的噪聲對整個放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級首先采用低噪聲電路，對于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器，首先要選擇低噪聲的晶體管，另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。由于場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點無關(guān)，在要求高輸入阻抗的前置放大器的情況下，采用低噪聲場效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運算放大器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂移的集成運算放大器。對于前置放大器的另外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶，以保證音頻信號進(jìn)行不失真的放大。 前置放大器電路設(shè)計（圖1） 電路分析：該前置放大器由兩級放大器組成，第一級采用NE5532

6、構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路輸入阻抗較高，就相當(dāng)于對前級電路開路。第二級放大器采用NE5532組成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，該電路具有輸出電阻小、抗共模干擾信號強的特點，對后級電路就相當(dāng)于一個恒流源，即輸出電壓不受后級電路阻抗的影響，從而該電路具有隔離作用，即使前后電路互不影響。第一級放大器的電壓放大倍數(shù)為：；第二級放大器的電壓放大倍數(shù)為：；電容C1、C3的作用是高頻濾波，電容C2、C4是去耦電容，消除低頻自激振蕩。前置放大器的下限頻率由電容C5和電阻R1決定。 根據(jù)音頻信號的特點，前置放大器選擇由NE5532集成運算放大器構(gòu)成的電壓放大器完成。NE5532是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器，電壓控制范

7、圍在3V20V。它能顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備，儀器和控制電路和電話通道放大器。其引腳功能如下： NE5532引腳圖 2、音調(diào)控制電路音調(diào)控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進(jìn)行控制從而達(dá)到控制放音音色的目的，以適應(yīng)不同聽眾對音色的不同愛好。此外還能補償信號中所欠缺的頻率分量，使音質(zhì)得到改善，從而提高放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個良好的音調(diào)控制電路，要求有足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時有要求在高、低音從最強調(diào)到最弱的整個過程中，中

8、音信號（一般指1kHz）不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音量在音調(diào)控制過程中不至于有太大的變化。音調(diào)控制電路大多由RC元件組成，利用RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段的音頻信號，達(dá)到控制音調(diào)的目的。音調(diào)控制電路一般可分為衰減式和負(fù)反饋式兩大類，衰減式音調(diào)控制電路的調(diào)節(jié)范圍可以做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減，并且在調(diào)節(jié)過程中整個電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負(fù)反饋式音調(diào)控制電路的噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時，其轉(zhuǎn)折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變。下面分析負(fù)反饋型音調(diào)控制電路的工作原理。（1） 負(fù)反饋式音調(diào)控制器的工作原理 由于集成運算放大器具有電壓增益高、輸

9、入阻抗高等優(yōu)點，用它制作的音頻放大電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。在如下電路圖中，其中電位器Rp1是高音調(diào)節(jié)電位器，Rp2是低音調(diào)節(jié)電位器，電容C是音頻信號輸入耦合電容，電容C1、C2是低音提升和衰減電容，電容C3起到高音提升和衰減作用。一般選擇C1=C2，電容C3起到高音提升和衰減作用，要求C3的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1。 負(fù)反饋式音調(diào)電路（圖2）在如上電路圖中，對于低音信號來說，由于C3的容抗很大，相當(dāng)于開路，此時高音調(diào)節(jié)電位器Rp1在任何位置對低音都不會影響。當(dāng)?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動端調(diào)到最左端時，C1被短路，此時電路圖2可簡化為圖2(a)。由于電容C2對于低音信號容抗大，所以相對地提高了

10、低音信號的放大倍數(shù)，起到了對低音提升的作用。圖2(a)電路的頻率響應(yīng)分析如下： 低音提升等效電路圖2(a) 圖2（a)所示的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：?；喓蟮茫海栽撾娐返霓D(zhuǎn)折頻率為： ， ?？梢姰?dāng)頻率()時，；當(dāng)頻率()時，。從定性的角度來說，就是在中、高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益為。 同樣當(dāng)Rp2的滑動端調(diào)到最右端時，電容C2被短路，其等效電路如圖2(b)所示。由于電容C1對輸入音頻信號的低音信號具有較小的電壓放大倍數(shù)，所以該電路可實現(xiàn)低音衰減。圖4(a)電路的頻率響應(yīng)分析如下： 低音衰減等效電路圖2(b) 圖2（b)所示的電壓放大倍

11、數(shù)表達(dá)式為： 其轉(zhuǎn)折頻率為： ， ?？梢姰?dāng)頻率時，；當(dāng)頻率時,。從定性的角度來說，就是在中、高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰減，最小增益為。在電路給定的參數(shù)下，令，。同理，圖2電路對于高音信號來說，電容C1、C2的容抗很小，可以認(rèn)為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1，即可實現(xiàn)對高音信號的提升或衰減。圖2（c）就是工作在高音信號下的簡化電路圖。 上圖電路可化簡為： 高音等效電路圖2(b) (其中R1,R2,R3為原來的3倍) 如果音調(diào)放大器的輸入信號是采用的內(nèi)阻極小的電壓源，那么通過R3支路的反饋電流將被低內(nèi)阻的信號源所旁路，R3的反饋作用將忽略不計（R3可看

12、成開路）。當(dāng)高音調(diào)節(jié)電位器滑動到最左端時，高音提升的等效電路如圖2(c)所示。此時，該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：，其轉(zhuǎn)折頻率為：，。當(dāng)頻率時，；當(dāng)頻率時，。從定性的角度上看，對于中、低音區(qū)域信號，放大器的增益等音區(qū)域的信號，放大器的增益可以提升，最大增益為。 高音提升等效電路2(d) 當(dāng)Rp1電位器滑動到最右端時，高音頻信號得到衰減，高音衰減的等效電路如圖2（e）所示。 高音衰減等效電路2(e)該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：。其轉(zhuǎn)折頻率為：，。當(dāng)頻率時，；當(dāng)頻率時，?？梢娫撾娐穼τ诟咭纛l信號起到衰減作用。在電路給定的參數(shù)下，令， 。（2）音調(diào)控制器的幅頻特性曲線 綜上所述，負(fù)反饋式音調(diào)控制器

13、的完整幅頻特性曲線的波特圖如3所示。根據(jù)設(shè)計要求的放大倍數(shù)和各點的轉(zhuǎn)折頻率大小，可確定音調(diào)控制器電路的電阻及電容大小。 音調(diào)控制電路的幅頻特性曲線（圖三） LF356引腳圖（3） 音調(diào)控制電路參數(shù)的設(shè)定： 根據(jù)設(shè)計要求音調(diào)控制在1KHz處增益為0dB，100Hz和10KHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH+20dB，現(xiàn)取AVL，AVH為+20dB。1電路結(jié)構(gòu)及運放器件選擇電路結(jié)構(gòu)選用圖2所示的負(fù)反饋式音調(diào)控制器。運放單元器件選擇集成運算放大 器 LF356。工作電壓在1520V，LF356的輸入阻抗非常高，可達(dá)1012，可以很好地滿足控制特性要求，只需采用小容量電容器即可。所

14、以選擇Rp1=Rp2=200k的音調(diào)調(diào)節(jié)電位器。2計算低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率和高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率 因為AVL，AVH分別取±20dB。，該音調(diào)控制放大器電路的最大提升和衰減量為 （dB），（dB）。所以R1=R2=R3=Rp2/9。根據(jù)圖3可知，fL1、fL2、fH1、fH2為轉(zhuǎn)折頻率，且幅頻特性是按±6dB倍頻程的斜率變化的，要求在低音100Hz處的提升或衰減±12dB，所以低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率： （Hz），（Hz）。 同理，根據(jù)高音10kHz處的提升或衰減±12dB，可得高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率： （kHz），（kHz）。從而使在中頻區(qū)1KHz處達(dá)到增益為0dB3電容及

15、電阻的選擇電阻：（k）,取22k。電容：uF。當(dāng)f=fH2=25.2kHz時，高音提升20dB，即（dB），所以。因為電路2(b)等效轉(zhuǎn)換后R1=3R1，所以（k），取7.5k。（pF），取標(biāo)稱值C3=1000pF。3、功率放大器功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載（一般是揚聲器）提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應(yīng)和效率。目前常見的電路結(jié)構(gòu)有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運算放大器和大功率晶體管構(gòu)成的功率放大器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應(yīng)用越來越多。由于集成功率放大

16、器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電源利用率高，失真小，具有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)及自啟動、消噪等功能，所以使用非常廣泛。一、單元電路參考設(shè)計（電路圖如下） 本次設(shè)計的音頻功率放大器是一個多級放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功率的確定電源大小和整個系統(tǒng)的增益。因為音頻功率放大器的輸出功率達(dá)到8W以上，負(fù)載喇叭阻值為8。假設(shè)輸出功率=8W。則該音頻功率放大器的輸出幅值（V）。當(dāng)輸入信號最小值為5mV時，整個放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：（倍）。根據(jù)整個放大系統(tǒng)的電壓增益來合理分配各級單元電路的增益。功率放大器級（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取30倍；音調(diào)控制器放大器在中頻（1

17、KHz）處的電壓放大倍數(shù)取1；前置放大器的電壓放大倍數(shù)取80左右（考慮到實際電路中有衰減）。音頻功率放大器供電電源的選取主要從效率和輸出失真大小方面考慮。由于該系統(tǒng)的輸出信號幅值為11.3V，從提高效率的角度考慮，電源電壓越接近11.3V越好，但這樣輸出信號的失真將增大；從減小失真的角度考慮，可適當(dāng)?shù)奶岣唠娫措妷?。綜合考慮，音頻功率放大器整個系統(tǒng)的電源電壓采用±16V供電。二、功率放大器電路 采用集成功放設(shè)計功率放大器不僅設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定，而且組裝、調(diào)試方便，本低廉，所以本設(shè)計選用集成功放實現(xiàn)。目前常用的集成功放型號非常多，本設(shè)計選取SGS公司生產(chǎn)的TDA2030/2030A集成功放，該器件具有輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護(hù)，外圍電路簡單，可以作OTL使用，也可作OCL使用。TDA2030/2030A的外引線如圖下所示。1腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，4腳為輸出端，3腳接負(fù)電源，5腳接正電源。電路特點是引腳和外接元件少。其主要特點為：電源電壓范圍為6V18V，靜態(tài)