音頻功率放大電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容報(bào)告

1、深圳大學(xué)測(cè)試答題紙(以論文、報(bào)告等形式考核專用)二九二一零學(xué)年度第 一 學(xué)期課程編號(hào)2316990502課程名稱實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)主講教師潘飛蹊評(píng)分學(xué) 號(hào)2007160173姓名許春光專業(yè)年級(jí)電子科學(xué)和技術(shù)2007級(jí)教師評(píng)語：題目：音頻功率放大電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告音頻功率放大電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告前言本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)和制備一個(gè)可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，從而了解音頻功率放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)也進(jìn)一步加深對(duì)模擬電路中所學(xué)知識(shí)的掌握和認(rèn)識(shí)，并通過單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和組合方法。實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)要求復(fù)習(xí)和掌握運(yùn)算放大器的基本使用方法，即運(yùn)放同相比例放大和反相比例放大器的結(jié)構(gòu)

2、，計(jì)算和運(yùn)用。同時(shí)也要求復(fù)習(xí)和掌握有源濾波電路的基本結(jié)構(gòu)和原理。在電路設(shè)計(jì)中和實(shí)驗(yàn)中也需要了解對(duì)元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，掌握一些常用元件的性能。另外，在本實(shí)驗(yàn)中還增加了一部分線性直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求通過實(shí)驗(yàn)掌握線性穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及三端集成穩(wěn)壓器的使用方法，同時(shí)復(fù)習(xí)和加深對(duì)橋式整流電路理解。實(shí)驗(yàn)電路原理分析本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)和制備一個(gè)可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，整體功能框圖如圖1 所示，可以分為音頻放大和直流電源兩大部分。其中音頻放大電路的功能是將其它電子設(shè)備（如MP3，計(jì)算機(jī)聲卡，VCD 機(jī)等）的音源信號(hào)進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過功率放大，最后去推動(dòng)揚(yáng)聲器輸出，簡單來說，就

3、是一個(gè)擴(kuò)音器，但為了提高聲響的品質(zhì)，內(nèi)部要求有能夠?qū)Ω咭艉偷鸵暨M(jìn)行調(diào)節(jié)的均衡電路（即音調(diào)電路）。直流電源部分則負(fù)責(zé)將220V 的交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使用，同時(shí)，為了減小電源電壓波動(dòng)引起的噪聲對(duì)放大電路的影響，電源部分要求采用線性直流穩(wěn)壓電源。在音頻放大電路中，左右聲道的放大結(jié)構(gòu)完全相同，因此以下的分析中不對(duì)左右聲道單獨(dú)區(qū)分。三、直流電源的分析良好的直流電源是提高音頻放大電路品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。一般的多媒體音箱中為了節(jié)約成本，都僅僅采用了全橋整流和電容濾波電路產(chǎn)生直流電源提供給音頻放大電路使用。這時(shí)的直流電壓源含有較高的脈動(dòng)成分，直接用作音頻放大電路的電源時(shí)效果欠佳，有可能影響音質(zhì)

4、，因?yàn)殡娫粗械拿}動(dòng)成分會(huì)作為干擾信號(hào)被逐級(jí)放大，甚至在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生明顯的交流噪聲，影響音響系統(tǒng)的保真度。為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中專門增加了兩組線性穩(wěn)壓電路，其中一組設(shè)計(jì)為具有較大的輸出功率，由三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成，專門提供給音頻放大電路中的功率放大部分使用；另外一組則是小功率輸出的，由運(yùn)放、基準(zhǔn)源等分立器件構(gòu)成，專門提供給音頻放大電路中的前置放大和均衡電路使用，通過對(duì)這一部分電路的學(xué)習(xí)和了解，可以掌握線性集成穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：其本質(zhì)就是運(yùn)算放大器的同相比例放大或反相比例放大。1、全橋整流電路從圖 1 中可以看到，220V 的交流電源經(jīng)變壓器降壓后，由全橋整流電路輸出直

5、流，再由穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流，提供給放大電路使用。在設(shè)計(jì)中，音頻放大電路部分需要對(duì)稱的雙電源，因此必須選擇次級(jí)有三端抽頭（雙繞組）的變壓器，如圖2（a）所示，經(jīng)全橋電路整流和電容C1 至C4 濾波后，輸出對(duì)稱的正負(fù)電源（圖2 中電路節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為DC和DC）。2、三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的大功率線性直流穩(wěn)壓電源要構(gòu)成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器。這種集成電路塊內(nèi)部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護(hù)電路和啟動(dòng)電路等功能，但是外部引腳只有三個(gè)端口，分別接輸入電源（Vin），地（GND），另一個(gè)端口輸出，其使用十分簡單，只要將三個(gè)端口按規(guī)定接入電路就可以使用。典型和常用的

6、三端集成穩(wěn)壓器有78XX / 79XX 系列。其中78XX 系列用于產(chǎn)生正電源，79XX 系列用于產(chǎn)生負(fù)電源，標(biāo)號(hào)XX 則代表輸出電壓。如圖2（b）所示，分別采用一只7812 和一只7912 集成塊，按規(guī)定連接，就可以產(chǎn)生12V 和12V的穩(wěn)壓電源輸出。3、線性直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)所有線性直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)都可以理解為一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路（或反相比例放大電路）。圖3（a）是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓器的典型結(jié)構(gòu)框圖，由啟動(dòng)、偏置和保護(hù)等電路共七個(gè)部分組成。其中偏置電路為集成電路內(nèi)部所有模塊的工作提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)偏置；啟動(dòng)電路則僅僅是在開始工作的時(shí)候激勵(lì)偏置電路正常工作；保護(hù)電路則提供

7、過溫和過流保護(hù)，防止工作時(shí)溫度太高或輸出電流太大而燒毀電路。其余四個(gè)部分：基準(zhǔn)電壓，比較放大，調(diào)整電路和采樣反饋放大是理解穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵，其本質(zhì)就是一個(gè)運(yùn)放的同相比例放大器，如圖3（b）所示。其中基準(zhǔn)電壓的作用就是產(chǎn)生一個(gè)不隨外部電壓，不隨溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)電壓，在集成電路中這一電壓通常采用帶隙式基準(zhǔn)源，其原理在此不具體介紹。比較放大器本質(zhì)上就是一個(gè)運(yùn)算放大器，基準(zhǔn)電壓輸入比較放大器的同相端。而調(diào)整電路的本質(zhì)則是一只晶體管，也叫做調(diào)整管，在集成電路中通常采用復(fù)合管來增強(qiáng)電流輸出能力和值。在電路中，調(diào)整管和比較放大器復(fù)合在一起可以簡單地看成一只具有大電流輸出能力的運(yùn)算放大器。電阻R1 和R2 構(gòu)成的

8、采樣電路，其本質(zhì)就是同相比例放大器中的反饋電阻。這樣，整體電路就可以看成是由一個(gè)具有大電流輸出能力的運(yùn)算放大器構(gòu)成的一個(gè)同相比例放大器，有：當(dāng)外部的輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，只要基準(zhǔn)電壓不發(fā)生變化，則輸出的電壓也不會(huì)發(fā)生變化，調(diào)整電阻R1 和R2 的取值，則可以調(diào)整輸出電壓。這就是線性直流穩(wěn)壓電源的基本原理。另外，從以上對(duì)于線性直流穩(wěn)壓電源的簡單分析和介紹中，還可以看到這種電路的幾個(gè)重要特點(diǎn)：1、線性直流穩(wěn)壓電源只能實(shí)現(xiàn)降壓處理，即輸出電壓一定低于輸入電壓。2、調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū)，電路才能正常工作。這也是這種電路叫做線性穩(wěn)壓電路的原因。3、如果不考慮控制部分的電流，調(diào)整管的集電極電流和發(fā)射極

9、電流相等，亦即輸入和輸出電流相等，則：當(dāng)輸入輸出電壓差值較大時(shí)，電源的效率較低，功耗都損失在調(diào)整管的集電極上。因此，在功耗較大時(shí)，調(diào)整管應(yīng)該加裝合適的散熱器。4、對(duì)電源部分反思1.假如我們要改變PVCC和PVEE電壓，只要選擇電壓符合的三端穩(wěn)壓管芯片即可。如假如要把PVCC和PVEE的電壓值變?yōu)檎?fù)18V，那么用7818和7918兩個(gè)三端穩(wěn)壓芯片組合在一起就可也。2.假如我們要把SVCC和SVEE的電壓值改變，由于線性直流穩(wěn)壓電源為一個(gè)用輸入電壓為其電源的，其輸輸出端的電壓為電壓的反相或同相放大器（主要利用了運(yùn)放對(duì)電源抑制的特性，把紋波大的輸入電壓，變?yōu)榧y波小的輸出電壓）。所以加入我們要改變S

10、VCC和SVEE的電壓值，我們只要改變其放大倍數(shù)即可。例如圖三所示的電路，只要調(diào)節(jié)R1和R2的值就能改變SVCCS和VEE的電壓值。四、音頻放大電路的分析1、前置放大前置放大器的作用簡單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音源信號(hào)進(jìn)行放大并輸出。外部音源信號(hào)由較長的導(dǎo)線輸入，并且信號(hào)源可能存在較高的內(nèi)阻，電流輸出能力不強(qiáng)，因此需要“緩沖”來將其轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的信號(hào)源，以便驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。所以前置放大電路是個(gè)輸入阻抗大，輸出阻抗小的放大電路。其起到了一個(gè)阻抗匹配和預(yù)放大作用。2.均衡電路（音調(diào)電路）均衡電路是由低通、高通、帶通等濾波器組成的，可以對(duì)音調(diào)進(jìn)行控制的電路，聽者可以根據(jù)具體需求，對(duì)聲音信號(hào)中某些

11、頻率段的增益（放大倍數(shù)）進(jìn)行調(diào)整。常用的均衡電路只是對(duì)高頻段或低頻段的增益進(jìn)行提升或衰減，而中頻段的增益保持不變。均衡電路可以用無源的RC 濾波網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成，也可以用運(yùn)算放大器組成的有源濾波網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成， 圖7（a）是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路中采用的均衡電路，由運(yùn)算放大器構(gòu)成，可以對(duì)高頻段和低頻段的增益分別進(jìn)行提升/衰減。首先對(duì)圖7（a）的均衡電路功能和部分元件取值作一簡要說明。RP1 和RP2是兩只可調(diào)電位器，其中RP1 對(duì)低頻音調(diào)進(jìn)行控制，而RP2 則對(duì)高頻音調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)：當(dāng)電位器從右滑旋向左時(shí)，相應(yīng)的低頻/高頻音量提升；反之，當(dāng)電位器從左滑旋向右時(shí)，相應(yīng)的低頻/高頻音量衰減。一般來說，均衡電路設(shè)計(jì)時(shí)要

12、求音調(diào)的提升/衰減量大約為20DB（分貝），即放大倍數(shù)有0.110 倍的調(diào)節(jié)能力。3、功率放大電路外部音源信號(hào)經(jīng)過前置放大、均衡放大后，輸入最后的功率放大級(jí)，然后就可以輸出去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，發(fā)出聲音。本實(shí)驗(yàn)中的功率放大器采用TDA2030 集成塊，其本質(zhì)就是一個(gè)運(yùn)算放大器，和其它小信號(hào)放大用的運(yùn)放相比，有較大電流輸出能力，可以輸出較大的功率。本實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)中采用的是雙電源下工作的OCL 電路，具體如圖10 所示：下面對(duì)其做一簡介。RP3 是一只電位器，作用是進(jìn)行音量（Volume）調(diào)節(jié)。輸入信號(hào)（均衡電路的輸出信號(hào)）通過耦合電容C1 后，再由RP3 進(jìn)行分壓調(diào)節(jié)，連接到TDA2030 的同相端。電

13、阻R1、R2 組成反饋回路，和TDA2030 構(gòu)成了一個(gè)同相比例放大電路，這一部分就是整個(gè)功率放大電路的核心，本質(zhì)和普通運(yùn)放完全一致。需要說明的是電容C2 同樣是一只耦合電容，作用同樣是“隔直通交”，使功率放大器僅僅對(duì)交流信號(hào)產(chǎn)生放大作用，而對(duì)直流信號(hào)不產(chǎn)生任何放大：1、對(duì)于直流信號(hào)，電容C2 相當(dāng)于“開路”，此時(shí)電阻R2 不起作用，功率放大器和電阻R1 構(gòu)成的是一個(gè)電壓跟隨器。由于電位器RP3 是通過電容C1 和前級(jí)電路耦合，因此RP3 上的直流電位一定為零，同時(shí)可以保證功率放大器的輸出也一定為零，即有“零輸入，零輸出”的性質(zhì)。2、對(duì)于交流信號(hào)，電容C2 相當(dāng)于“短路”，此時(shí)電阻R1 和R2

14、 組成同相比例放大器反饋回路，功率放大器的交流電壓放大倍數(shù)為：3.D1、D2 是兩只起保護(hù)作用的二極管，反向并聯(lián)在功率放大器的輸出端和電源之間，雖然對(duì)電路的理論分析和理解沒有作用，但在實(shí)際電路中則必不可少，原因在于揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器并不是簡單的純阻性負(fù)載，而是線圈和永磁體復(fù)合組成的，當(dāng)揚(yáng)聲器的線圈振動(dòng)時(shí)，切割磁力線會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，這種感生電動(dòng)勢(shì)反過來加在功率放大器的輸出端口，太大的話有可能造成功率放大器的損壞。二極管D1、D2 在電路正常工作時(shí)處于反向，是不導(dǎo)通的，對(duì)電路工作沒有影響，而如果感生電動(dòng)勢(shì)過大，超過了電源電壓的范圍，則開始導(dǎo)通，將輸出端的感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行鉗位，保護(hù)功率放大器不會(huì)損壞。4

15、.電阻R3 和電容C3 串接在電路的輸出端，和揚(yáng)聲器一起可以看成功率放大器的負(fù)載，其作用是對(duì)揚(yáng)聲器的頻響特性進(jìn)行補(bǔ)償，使功率放大器輸出端的總負(fù)載趨近于純阻性。它們的補(bǔ)償作用可以用以下簡單的分析來做一個(gè)定性理解。五、數(shù)據(jù)測(cè)量和分析1.輸入阻抗： 27.8 (歐姆)2.靜音輸出噪聲電平（V）： 3mv由測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，在沒有信號(hào)輸入時(shí)，整個(gè)電路的輸出噪聲信號(hào)非常小，因此該電路在沒信號(hào)時(shí)非?！办o”。3.電源電壓記錄：節(jié)點(diǎn)名稱SVCCSVEEPVCCPVEE電壓值（V）10.59-10.6411.92-11.91由測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，SVCC，SVEE，PVCC，PVEE的電壓值都十分的接近理論電壓值，由

16、此可知電路是正常工作的。4.前級(jí)放大電路測(cè)試：輸入信號(hào)為頻率為1KHz的正弦波.輸入電壓（V）0.51.522.53輸出電壓（V）左聲道1.684.966.648.209.00右聲道1.685.006.608.408.80放大倍數(shù)左聲道3.363.313.313.283.00右聲道3.363.333.303.362.93由測(cè)得的數(shù)據(jù)可知：有計(jì)算表明測(cè)量計(jì)算值和理論值的差值非常小，由此可知前級(jí)放大器正常工作。5.幅頻特性：(音調(diào)電路的測(cè)試)1.輸入信號(hào)的電壓均為0.33V,音調(diào)電路的輸入信號(hào)的電壓為1V，低頻和高頻最大增益都為20DB（把低頻和高頻的調(diào)節(jié)調(diào)到最大）。輸入信號(hào)頻率（Hz）10204

17、0506080180輸出信號(hào)振幅（V）左聲道8.808.607.606.806.405.403.00右聲道9.209.208.007.206.485.442.88輸入信號(hào)頻率（Hz）3604505005506007201.4K輸出信號(hào)振幅（V）左聲道1.761.561.481.401.361.281.28右聲道1.671.521.441.401.361.281.28輸入信號(hào)頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K輸出信號(hào)振幅（V）左聲道1.361.401.441.481.521.722.80右聲道1.361.401.441.481.521.722.80輸入信號(hào)頻率（

18、Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K輸出信號(hào)振幅（V）左聲道4.726.406.606.806.807.008.60右聲道4.806.406.506.726.887.048.60由測(cè)得的數(shù)據(jù)算的左右聲道在此情況下的增益，如下表所示：輸入信號(hào)頻率（Hz）102040506080180增益（dB）左聲道18.8818.6817.6116.6516.1214.649.54右聲道19.2719.2718.0617.1416.2314.719.18輸入信號(hào)頻率（Hz）3604505005506007201.4K增益（dB）左聲道4.913.863.402.922.672.142.14右聲

19、道4.453.633.162.922.672.142.14輸入信號(hào)頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K增益（dB）左聲道2.672.923.163.163.404.508.81右聲道2.672.923.163.403.634.718.94輸入信號(hào)頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K增益（dB）左聲道13.4716.1216.3916.6516.6516.9018.68右聲道13.6216.1216.2516.5416.7516.9518.68有上表可得該電路的幅頻特性圖如下圖所示：圖112.輸入信號(hào)的電壓幅值為2.5V，正弦波，低頻和高頻最

20、大增益都為-20DB（把低頻和高頻的調(diào)節(jié)調(diào)到最大）輸入信號(hào)頻率（Hz）102040506080180輸出信號(hào)振幅（V）左聲道0.880.941.121.241.361.623.04右聲道0.800.881.081.201.161.281.60輸入信號(hào)頻率（Hz）3604505005506007201.4K輸出信號(hào)振幅（V）左聲道5.005.606.006.206.406.806.80右聲道4.885.605.806.006.406.806.80輸入信號(hào)頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K輸出信號(hào)振幅（V）左聲道6.206.206.005.805.605.003.

21、00右聲道6.206.006.005.805.605.002.96輸入信號(hào)頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K輸出信號(hào)振幅（V）左聲道1.801.361.281.281.241.201.00右聲道1.761.321.281.241.221.201.00由測(cè)得的數(shù)據(jù)算的左右聲道在此情況下的增益，如下表所示：輸入信號(hào)頻率（Hz）102040506080180增益（dB）左聲道-19.51-18.94-17.42-16.53-15.73-14.21-8.75右聲道-20.34-19.51-17.73-16.82-17.11-16.26-14.32輸入信號(hào)頻率（Hz）360450

22、5005506007201.4K增益（dB）左聲道-4.42-3.44-2.84-2.55-2.28-1.75-1.75右聲道-4.63-3.44-3.13-2.84-2.28-1.75-1.75輸入信號(hào)頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K增益（dB）左聲道-2.55-2.552.84-3.13-3.44-4.42-8.86右聲道-2.55-2.84-2.84-3.13-3.44-4.42-8.98輸入信號(hào)頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K增益（dB）左聲道-13.30-15.73-16.26-16.26-16.53-16.82-18.41右聲道-13.49-15.99-16.26-16.53-16.68-16.82-18.41有上表可得該電路的幅頻特性圖如下圖所示： 圖12將圖11和圖12組合起來就可以得到整個(gè)電路的頻率特性。其調(diào)節(jié)范圍在上面那條曲線和下面那條曲線之間。圖13理論計(jì)算得到的曲線如下：圖14將圖13和圖14比較可知兩者有相同的最大增益值和最小增益值，其次有