音頻功率放大器設(shè)計(jì)

1、音頻功率放大器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度W5mV,負(fù)載電阻等于8Q的條件下，音頻功率放大器滿足如下要求：1、 最大輸出不失真功率Pom>8W。2、 功率放大器的頻帶寬度BW>50Hz15KHz。3、 在最大輸出功率下非線性失真系數(shù)w 3%4、 輸入阻抗Rm00k Qo5、 具有音調(diào)控制功能：低音100Hz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，高音10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍。二、設(shè)計(jì)方案分析根據(jù)設(shè)計(jì)課題的要求，該音頻功率放大器可由圖所示框圖實(shí)現(xiàn)。下面主要介紹各部 分電路的特點(diǎn)及要求圖1音頻功率放大器組成框圖1、 前置放大器音頻功率放

2、大器的作用是將聲音源輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。聲音源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、 CD唱機(jī)及線路傳輸?shù)龋@些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差別很大，從 零點(diǎn)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(hào)如果直接輸入到功率放大器中的話，對(duì)于輸入過低的信號(hào)，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(hào)的幅值過大，功率放大器的輸出信號(hào)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(gè)實(shí)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)不同的的輸入信號(hào)，或放大，或 衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大

3、器的輸入靈敏度相匹配。另 外在各種聲音源中，除了信號(hào)的幅度差別外，它們的頻率特性有的也 不同，如電唱機(jī)輸出信號(hào)和磁帶放音的輸出信號(hào)頻率特性曲線呈上翹 形，即低音被衰減，高音被提升。對(duì)于這樣的輸入信號(hào)，在進(jìn)行功率 放大器之前，需要進(jìn)行頻率補(bǔ)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(duì)于話筒和線路輸入信號(hào)，一般只需將輸入信號(hào)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(hào)非常微 弱，一般只有100因幾毫伏，所以前置放大器輸入級(jí)的

4、噪聲對(duì)整個(gè) 放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級(jí)首先采用低噪聲電 路，對(duì)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(diǎn)。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(diǎn)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(yùn)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(yùn)算放大器。對(duì)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(hào)進(jìn)行不失真的放大。圖9前置級(jí)放大器電路圖2、 音調(diào)控制電路音調(diào)控制電路的主要功能是通過對(duì)放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀

5、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(duì)音色的不同愛好。此外還能補(bǔ)償信號(hào)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(gè)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(shí)有要求在高、低音從最強(qiáng)調(diào)到最弱的整個(gè)過 程中，中音信號(hào)(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 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

6、中音電平也要作很大的衰減， 并且在調(diào)節(jié)過程中整個(gè)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(shí)，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(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，用它 制作的音調(diào)控制電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，典型的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。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(hào)輸入耦合電容，電容 C1、C2是低音提升和衰減電容，一 般選擇C1=C2,電容C3起到高音提升和衰減作用，要求

7、 C3的值遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于C1。電路中各元件一般要滿足的關(guān)系為：Rp1=Rp2 ,R=R2=R3,C尸C2, Rp1=9Ri。圖2負(fù)反饋式音調(diào)控制電路圖在電路圖2中，對(duì)于低音信號(hào)來說，由于 C3的容抗很大，相當(dāng) 于開路，此時(shí)高音調(diào)節(jié)電位器 Rp1在任何位置對(duì)低音都不會(huì)影響。 當(dāng)?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器 Rp2滑動(dòng)端調(diào)到最左端時(shí)，Ci被短路，此時(shí)電路 圖2可簡化為圖3(a)。由于電容C2對(duì)于低音信號(hào)容抗大，所以相對(duì) 地提高了低音信號(hào)的放大倍數(shù)，起到了對(duì)低音提升的作用。圖 3(a) 電路的頻率響應(yīng)分析如下：(b)(a)低音提升等效電路圖低音提升等效電路幅頻響應(yīng)波特圖圖3低音提升等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線圖 3 所示

8、的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為AVffL1Z2 Z?RP2R1(RP2 j C2Rp21 j C2R22 RP2 C2R2)/R11“2 人1 j C2 Rp2化簡后,所以該電路的轉(zhuǎn)折頻率為:f L2 2 (RP2R2)C22 R2C2o可見當(dāng)頻率f 0時(shí),Af當(dāng)頻率f時(shí)，AVf空1。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(RP2 R2)/R1。低音提升等效電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖3(b)所示。同樣當(dāng)Rp2的滑動(dòng)端調(diào)到最右端時(shí)，電容 C2被短路，具等效電 路如圖4(a)所示。由于電容C1對(duì)輸入音頻信號(hào)的低音信號(hào)具有

9、較小 的電壓放大倍數(shù)，所以該電路可實(shí)現(xiàn)低音衰減。圖4(a)電路的頻率響 應(yīng)分析如下:該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為:為:。1Avf R1R2(1 j C1 ) / Rp2R1R2RP21 j RP2C1j (RP2/R1)C1,其轉(zhuǎn)折頻率2 Rp2cl2 (RP2/R1)2 R1?？梢姰?dāng)頻率f 0時(shí)，R2R1RP2；當(dāng)頻率f 時(shí),R2R11。從定性的角度來說,就是在中、高音域，增益僅取決于 R2與Ri的比值,即等于1;在低音域，增益可以得到衰減，最小增益為R2/(RRP2)低音衰減等效電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖4(b)所示。在電路給定的參數(shù)下，fL1 fLi , fL2低音衰減等效電路圖Of

10、 L2低音衰減等效電路幅頻響應(yīng)波特圖圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線同理，圖2電路對(duì)于高音信號(hào)來說，電容 Ci、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(shí)現(xiàn)對(duì)高音信號(hào)的提 升或衰減。圖5 (a)就是工作在高音信號(hào)下的簡化電路圖。為了便 于分析，將圖中的Ri、R2、R3組成的Y型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成連接方式,如圖 5 ( b )。其中 RaRiR3-RR3,RbR2R3R2-R3,RiR2RcRiR2-RoR2Ri在假設(shè)條件Ri=R2=R3的條件下，Ra=Rb=Rc=3R。(b)R1R2圖5高音等效簡化電路如果音調(diào)放大器的輸入信號(hào)是采用的內(nèi)阻極小的電壓源，那么通過R支路的反饋電

11、流將被低內(nèi)阻的信號(hào)源所旁路， R的反饋?zhàn)饔脤?忽略不計(jì)(R可看成開路)。當(dāng)高音調(diào)節(jié)電位器滑動(dòng)到最左端時(shí)，高 音提升的等效電路如圖6(a)所示。此時(shí)，該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá) 式為:AVf(jC3R%)R '(ic/r：、其轉(zhuǎn)折頻率為:fH12 C3(R4 Ra)。當(dāng)頻率f2 C3 R40 時(shí)，AvfRb1；當(dāng)頻率f 時(shí)，Avf 三人。從定性的角度上看，對(duì)于中、低音區(qū)R4域信號(hào)，放大器的增益等于1；對(duì)于高音區(qū)域的信號(hào)，放大器的增益 可以提升,最大增益為中。高音提升電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特 圖如圖6(b)所示(a)高音提升等效電路（b）高音提升等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖圖6高音提升等效電路及

12、幅頻響應(yīng)曲線當(dāng)Rp1電位器滑動(dòng)到最右端時(shí),高音頻信號(hào)可以得到衰減,衰減的等效電路如圖7 (a)所示。減等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖圖7高音衰減等效電路及幅頻響應(yīng)曲線該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為:AvffH1（R4j C3Ra2 c3（R4 Rb）'1 j C3R4Ra 1 j C3（R4 Rb）fH2o2 C3R4當(dāng)頻率O其轉(zhuǎn)折頻率為:f 0 時(shí)，AvfRb1當(dāng)RaAVf占?？梢娫撾娐穼?duì)于高音頻信號(hào)起到衰減作用。該電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特圖如圖7(b)所示。在電路給定的參數(shù)下，fH1儲(chǔ)1, fH2 fH2 。(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)控制器的完整的幅頻特性曲線的波

13、特圖如8所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的放大倍數(shù)和各點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率大小，即可確 定出音調(diào)控制器電路的電阻、電容大小。圖8音調(diào)控制電路的幅頻響應(yīng)波特功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載(一般是揚(yáng)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(yùn)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

14、有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)及自啟動(dòng)、消 噪等功能，所以使用非常廣泛。三、主要單元電路參考設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的音頻功率放大器是一個(gè)多級(jí)放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功 率的確定電源大小和整個(gè)系統(tǒng)的增益。因?yàn)橐纛l功率放大器的輸出功 率Pom A 8W。所以音頻功率放大器的輸出幅值 Vom $2Pom Rl J2 8 8 11.3 （V）。當(dāng)輸入信號(hào)最小值為 5mV時(shí)， 整個(gè)放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：AV Vom/Y 11.3/5 10 3 2260 （倍）， 即201g 2260 67 （dB）。根據(jù)整個(gè)放大系統(tǒng)的電壓增益，合理分配各 級(jí)單元電路的增益。功率放大器級(jí)（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取 30倍；音調(diào)

15、控制器放大器在中頻（1KHz）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 （考慮到實(shí)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。如上所述，該系統(tǒng)的輸出信號(hào)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(hào)的失真將增大； 從減小失真的角度考慮，可適當(dāng)?shù)奶岣唠娫措妷骸＞C合考慮，音頻功 率放大器整個(gè)系統(tǒng)的電源電壓采用士 15V供電。1、前置放大器電路根據(jù)音頻信號(hào)的特點(diǎn)，前置放大器選擇由NE5532集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓放大器完成。NE5532在噪聲、轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積等方面具有優(yōu)異的指標(biāo)，由它組成的電壓放大

16、器可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求，電路如圖 9所示。前置放大器有兩級(jí)放大器組成，第一級(jí)采用NE5532構(gòu)成的電壓串聯(lián) 負(fù)反饋電路，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)。第二放大器采用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(hào)強(qiáng) 的特點(diǎn)。第一級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為： 1昆1 47 5.7;第二R210級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為：R5 20 ;電容C5、C6的作用是高頻R4濾波，電容C3、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 C1和電阻 R1決定。2、音調(diào)控制器電路該音頻功率放大系統(tǒng)的音調(diào)控制電路的控制特性要求為：低音在100Hz 時(shí)為 ±12dB,高音

17、在10kHz時(shí)為±12dB。設(shè)計(jì)滿足要求音調(diào)控制器的一般步驟為：(1)選擇電路結(jié)構(gòu)和放大單元器件電路結(jié)構(gòu)選用圖2所示的負(fù)反饋式音調(diào)控制器。放大單元器件選 擇集成運(yùn)算放大器LF356。LF356的輸入阻抗非常高，可達(dá)1012Q, 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。(2)計(jì)算低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率和高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率根據(jù)RkRp2=9R的條件，該音調(diào)控制放大器電路的最大提升和 衰減量為：20 lgRP2-R2 20 (dB) , 201gR20 (dB)。RiRp2 R2根據(jù)圖 可知，fL1、fL2、fH1、fH2為轉(zhuǎn)折頻率，且幅頻特性是按士 6dB/倍頻程的斜率變化的。已知

18、要求在低音100Hz處的提升或衰減士12dB,所以低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：20 1212 0fL1 100/239.68 (Hz) , fL2 100 2k 400 (Hz)。同理，根據(jù)高音10kHz處的提升或衰減士 12dB,可得高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 折頻率：12 020 12fH1 (10 103)/ 2 62.5 (kHz) , fH2 10 103 2 625.2 (kHz)。(3)音調(diào)調(diào)節(jié)電位器選擇因?yàn)長F356集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，電位器Rp1、Rp2的阻值可適當(dāng)高一些?，F(xiàn)選 B1=Rp2=200k Qo(4)低、高音調(diào)整電容及電阻的選擇Ci C22 fLiRp2i239.68 200d。

19、必（此,可米用兩個(gè)0.01后電容并聯(lián)。電阻RiR2R3RP2 9 200 922.22 (kQ),選標(biāo)稱值 22k Q。當(dāng) f=f H2=25.2kHz 時(shí),高音提升20dB,即 201g R4 Ja 20 (dB),所以因?yàn)镽a=3Ri,所以R43Ri9 322/9 7.3 (kQ),取標(biāo)稱值 7.5k QoC C3_3_32 fH2R4225.2 107.5 10840 (pF),取標(biāo)稱值 C3=1000pF 。R4 Ra-10。R4最后設(shè)計(jì)好的音調(diào)控制器電路如圖10所示。3、200k Q圖10音調(diào)控制電路圖功率放大器電路采用集成功放設(shè)計(jì)功率放大器不僅設(shè)計(jì)簡單，工作穩(wěn)定，而且組裝、調(diào)試方便

20、，成本低 廉，所以本設(shè)計(jì)選用集成功放實(shí)現(xiàn)。目前常用的集成功放型號(hào)非常多, 本設(shè)計(jì)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11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(diǎn)是引腳和外接元件少。其主要特點(diǎn)為：電源電壓范圍為6 V 18 V,靜態(tài)電流小于 60 A,頻響為10 Hz140 kHz,諧波失真小于 0.5 ，在 Vcc =14 V,TDA20301 2 3 4 5+15V D1R-

21、= 4 時(shí)，輸出功率為14 Wo在8負(fù)載上的輸出功率為 9W。V - Vs v +Vs同反 輸相相 出輸輸 端入入圖11 TDA2030管腳圖圖12 TDA2030組成的OCL功率放大器電路由TDA2030/2030A 構(gòu)成的OCL功率放大器電路如圖12所示。該電路由 TDA2030組成的負(fù)反饋電路，具交流電壓放大倍數(shù)Af 1 R" 1急33（倍），滿足設(shè)計(jì)要求。二極管D,、D2起保護(hù)作用，一是限制輸入信號(hào)過大，二是防止電源極性接反。R4、C2組成輸出相移校正網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載接近純電阻。電容Ci是輸入耦合電容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容C3、G是低頻旁路電容，電容G、。是高頻旁

22、路電容。電位器 B是音量調(diào)節(jié)電位器四、音頻功率放大器的調(diào)試1、在安裝電子電路前，應(yīng)仔細(xì)查閱電路所使用的集成電路的管腳排列圖及使用注意事項(xiàng)，同時(shí)測量電子元件的好壞。2、畫出每個(gè)單元電路的電路原理圖和連線圖；畫出整個(gè)電子系統(tǒng)的 原理圖。3、前置放大器調(diào)試。安裝電路時(shí)注意 電解電容的極性不要接反，電 源電壓的極性不要接反。同時(shí)不加入交流信號(hào)時(shí)，用萬用表測量每級(jí) 放大器的靜態(tài)輸出值；然后用示波器觀察每級(jí)輸出有無自激振蕩現(xiàn)象，同時(shí)測量前置放大器的噪聲輸出大小。加入幅值5mV、頻率1000Hz的交流正弦波信號(hào)（注意 5mV信號(hào)可以通過一個(gè)10k Q和 100 Q組成的衰減網(wǎng)絡(luò)得到），測量前置放大器的輸出大

23、小，驗(yàn)證前 置放大器的電壓放大倍數(shù)。改變輸入正弦波信號(hào)的頻率，測試前置放 大器的頻帶寬度。4、音調(diào)控制器調(diào)試。（1）首先進(jìn)行靜態(tài)測試，方法同上。（2）中 頻特性測試。將一頻率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信號(hào)輸入到 音調(diào)控制器輸入端，測量音調(diào)控制器的輸出。（3）低音提升和衰減 特性測試。將電位器 RP1滑動(dòng)端分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從 20Hz1kHz連續(xù)變化（輸入信號(hào)幅值保持不變），記下對(duì)應(yīng)輸出的 電壓值，畫出具幅頻響應(yīng)特性曲線。（4）高音提升和衰減特性測試。將電位器RP2滑動(dòng)端分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從2kHz30kHz連續(xù)變化（輸入信號(hào)幅值保持不變），記下對(duì)應(yīng)輸出的 電壓值

24、，畫出具幅頻響應(yīng)特性曲線。（5）最后畫出音調(diào)特性曲線， 并驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求并修改。5、功率放大器測試：（1）通電觀察。接通電源后，先不要急于測試， 首先觀察功放電路是否有冒煙、發(fā)燙等現(xiàn)象。若有，應(yīng)迅速切斷電源， 重新檢查電路，排除故障。（2）靜態(tài)測試。將功率放大器的輸入信 號(hào)接地，測量輸出端對(duì)地的電位應(yīng)為 0V左右，電源提供的靜態(tài)電流 一般為幾十mA左右。若不符合要求，應(yīng)仔細(xì)檢查外圍元件及接線是 否有誤；若無誤，可考慮更換集成功放器件。（3）動(dòng)態(tài)測試。在功 率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻 Rl（代替揚(yáng)聲器）條件下，功率放大 器輸入端加入頻率等于1kHz的正弦波信號(hào)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的大小， 觀察輸出信號(hào)的波形。若輸出波形變粗或帶有毛刺，則說明電路發(fā)生 自激振蕩，應(yīng)嘗試