音频功率放大器设计.pdf

音频功率放大器设计 一、一、设计任务设计任务 设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度5mv5mv5mv5mv，负载电阻等于，负载电阻等于 8 8 8 8 的的 条件下，音频功率放大器满足如下要求：条件下，音频功率放大器满足如下要求： 1 1 1 1、 最大输出不失真功率最大输出不失真功率p p p pomomom om8w 8w8w8w。 2 2 2 2、 功率放大器的频带宽度功率放大器的频带宽度bwbwbwbw50hz15khz50hz15khz50hz15khz50hz15khz。 3 3 3 3、 在最大输出功率下非线性失真系数在最大输出功率下非线性失真系数3%3%3%3%。 4 4 4 4、 输入阻抗输入阻抗r r r ri i i i 100k100k100k100k 。 5 5 5 5、 具有音调控制功能：低音具有音调控制功能：低音 100hz100hz100hz100hz 处有处有12db12db12db12db 的调节范围，高音的调节范围，高音 10khz10khz10khz10khz 处有处有12db12db12db12db 的的 调节范围。调节范围。 二、二、设计方案分析设计方案分析 根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图所示框图实现。下面主要介绍各部所示框图实现。下面主要介绍各部 分电路的特点及要求。分电路的特点及要求。 话 筒 输 入 v o r l 前 置 放 大音 调 控 制功 率 放 大 图图 1 1 1 1 音频功率放大器组成框图音频功率放大器组成框图 1 1 1 1、 前置放大器前置放大器 音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器然后输出驱动扬声器。声音源声音源 的种类有多种的种类有多种，如传声器如传声器（话筒话筒）、电唱机电唱机、录音机录音机（放音磁头放音磁头）、cdcdcdcd 唱机及线路传输等唱机及线路传输等， ， 这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输 入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入 过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值 过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个 实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或 放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声 音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带 放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信 号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状 态，即加入频率均衡网络放大器。态，即加入频率均衡网络放大器。 对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均 衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是 使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常 微弱，一般只有微弱，一般只有 100100100100vvvv几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影 响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的 前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应 管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置 放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大 器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另 外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。 2 2 2 2、 音调控制电路音调控制电路 音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制， 从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中 所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路 中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有 足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信 号号（一般指一般指 1khz1khz1khz1khz）不发生明显的幅值变化不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的 变化变化。音调控制电路大多由音调控制电路大多由 rcrcrcrc元件组成元件组成，利用利用 rcrcrcrc 电路的传输特性电路的传输特性，提升或衰减某一频段提升或衰减某一频段 的音频信号，达到控制音调的目的。音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，的音频信号，达到控制音调的目的。音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类， 衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且 在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的 噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随 之改变。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。之改变。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。 (1)(1)(1)(1) 负反馈式音调控制器的工作原理负反馈式音调控制器的工作原理 由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路 具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图 2 2 2 2所示。其中电位器所示。其中电位器 rp1rp1rp1rp1 是高是高 音调节电位器，音调节电位器，rp2rp2rp2rp2 是低音调节电位器，电容是低音调节电位器，电容 c c c c 是音频信号输入耦合电容，电容是音频信号输入耦合电容，电容 c1c1c1c1、c c c c2 2 2 2 是低音提升和衰减电容是低音提升和衰减电容，一般选择一般选择 c1=c2c1=c2c1=c2c1=c2，电容电容 c3c3c3c3起到高音提升和衰减作用起到高音提升和衰减作用，要求要求 c3c3c3c3 的的 值远远小于值远远小于 c1c1c1c1。 电路中各元件一般要满足的关系为电路中各元件一般要满足的关系为： rp1=rp2rp1=rp2rp1=rp2rp1=rp2， r r r r1 1 1 1=r=r=r=r2 2 2 2=r=r=r=r3 3 3 3， c c c c1 1 1 1=c=c=c=c2 2 2 2， rp1=9rrp1=9rrp1=9rrp1=9r1 1 1 1。 + _ a 低 音 高 音 提 升衰 减 提 升衰 减 r p1 r p2 c1c2 r1r2 r3 r4 c3 c v i v o 图 2 负反馈式音调控制电路图 在电路图在电路图 2 2 2 2中中，对于低音信号来说对于低音信号来说，由于由于 c3c3c3c3 的容抗很大的容抗很大，相当于开路相当于开路，此时高音调节此时高音调节 电位器电位器 rp1rp1rp1rp1 在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器 rp2rp2rp2rp2 滑动端调到最左端时滑动端调到最左端时， c c c c1 1 1 1被短路被短路，此时电路图此时电路图 2 2 2 2可简化为图可简化为图 3(a)3(a)3(a)3(a)。由于电容由于电容 c c c c2 2 2 2对于低音信号容抗大对于低音信号容抗大，所以相对地所以相对地 提高了低音信号的放大倍数提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用起到了对低音提升的作用。图图 3(a)3(a)3(a)3(a)电路的频率响应分析如下电路的频率响应分析如下： 2 0lgavfd b 0 1 0 2 0 f 2l f 1l f + _ a r p2 c2 r1r2 r3 v i v o -6d b/倍 频 程 (a)(a)(a)(a) 低音提升等效电路图低音提升等效电路图(b)(b)(b)(b) 低音提升等效电路幅频响应波特图 图 3 低音提升等效电路图及幅频响应曲线 图图 3 3 3 3所示的电压放大倍数表达式为：所示的电压放大倍数表达式为： 12 22 22 1 2 . /) 1 (rr cjr cjr z z a p p vf + + = 。化简。化简 后得：后得： 22 22 22 2 1 22 . 1 1 p p p p vf rcj rr rr cj r rr a + + + + = ，所以该电路的转折频率为：，所以该电路的转折频率为： 22 1 2 1 cr f p l = ， 22222 2 2 1 )/(2 1 crcrr f p l =。 可见 当频 率。 可见 当频 率0f时 ，时 ， 1 22 . r rr a p vf + ；当频率；当频率f时，时，1 1 2 . = r r avf。从定性的角度来说，就是在中。从定性的角度来说，就是在中、 高音域高音域，增益仅取决于增益仅取决于 r r r r2 2 2 2与与 r r r r1 1 1 1的比值的比值，即等于即等于 1 1 1 1；在低音域在低音域，增益可以得到提升增益可以得到提升，最大增最大增 益为益为 122 )(rrrp+。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图 3(b) 3(b)3(b)3(b)所示。所示。 同样当同样当r r r rp2p2p2p2 的滑动端调到最右端时的滑动端调到最右端时，电容电容 c2c2c2c2 被短路被短路，其等效电路如图其等效电路如图 4(a)4(a)4(a)4(a)所示所示。由于由于 电容电容 c1c1c1c1 对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰 减。图减。图 4(a)4(a)4(a)4(a)电路的频率响应分析如下：电路的频率响应分析如下： 该电路的电压放大倍数表达式为：该电路的电压放大倍数表达式为： 112 12 21 2 211 2 . )/(1 1 /)1(crrj crj rr r rcjr r a p p pp vf + + + = + =，其转折频率为：，其转折频率为： 12 1 2 1 cr f p l =， 112 2 2 1 )/(2 1 rrr f p l =。 可 见 当 频 率。 可 见 当 频 率0f时 ，时 ， 21 2 . p vf rr r a + ；当频率；当频率f时，时，1 1 2 . = r r avf。从定性的角度来说，就是在中。从定性的角度来说，就是在中、 高音域高音域，增益仅取决于增益仅取决于 r r r r2 2 2 2与与 r r r r1 1 1 1的比值的比值，即等于即等于 1 1 1 1；在低音域在低音域，增益可以得到衰减增益可以得到衰减，最小增最小增 益为益为)( 212p rrr+。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图 4(b) 4(b)4(b)4(b)所示。所示。 在电路给定的参数下，在电路给定的参数下， 11ll ff=， 22ll ff=。 + _ a r p2 c1 r1r2 r3 v i v o 2 0lgavf d b 0 -1 0 -2 0 f 1l f 2l f +6d b/倍 频 程 (a)(a)(a)(a) 低音衰减等效电路图低音衰减等效电路图(b)(b)(b)(b) 低音衰减等效电路幅频响应波特图低音衰减等效电路幅频响应波特图 图图 4 4 4 4 低音衰减等效电路图及幅频响应曲线 同理，图同理，图 2 2 2 2电路对于高音信号来说，电容电路对于高音信号来说，电容 c1c1c1c1、c2c2c2c2 的容抗很小，可以认为短路。调节的容抗很小，可以认为短路。调节 高音调节电位器高音调节电位器 rp1rp1rp1rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图，即可实现对高音信号的提升或衰减。图 5 5 5 5（a a a a）就是工作在高音信号）就是工作在高音信号 下的简化电路图下的简化电路图。为了便于分析为了便于分析，将图将图 中的中的 r1r1r1r1、r2r2r2r2、r3r3r3r3 组成的组成的 y y y y 型网络转换成型网络转换成连接方连接方 式 ， 如 图式 ， 如 图 5 5 5 5 （ b b b b ） 。 其 中） 。 其 中 2 31 31 r rr rrra +=， 1 32 32 r rr rrrb +=， 3 21 21 r rr rrrc +=。在假设条件。在假设条件r r r r1 1 1 1= = = =r r r r2 2 2 2= = = =r r r r3 3 3 3的条件下，的条件下，r r r ra a a a= = = =r r r rb b b b= = = =r r r rc c c c=3=3=3=3r r r r1 1 1 1。 + _ a 高 音 提 升衰 减 r p1 r1r2 r3 r4 c3 v i v o + _ a 高 音 提 升衰 减 r p1 r a r b r c r4 c3 v i v o (a)(b) 图 5 高音等效简化电路 如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过r r r rc c c c支路的反馈电流支路的反馈电流 将被低内阻的信号源所旁路，将被低内阻的信号源所旁路，r r r rc c c c的反馈作用将忽略不计（的反馈作用将忽略不计（r r r rc c c c可看成开路）。当高音调节电可看成开路）。当高音调节电 位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图 6(a)6(a)6(a)6(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数所示。此时，该电路的电压放大倍数 表达式为：表达式为： 43 43 43 . 1( )(1 /)1(rcjr rrcjr rrcj r a a ab a b vf + + = + =，其转折频率为：，其转折频率为： )(2 1 43 1 a h rrc f + = ， 43 2 2 1 rc fh =。当频率。当频率0f时，时，1 . = a b vf r r a；当频率；当频率 f时，时， 4 4 . r rr a a vf + 。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增 益等于益等于 1 1 1 1；对于高音区域的信号对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升放大器的增益可以提升，最大增益为最大增益为 4 4 r rr a + 。高音提升高音提升 电路的幅频响应曲线的波特图如图电路的幅频响应曲线的波特图如图 6(b)6(b)6(b)6(b)所示。所示。 2 0lgavf 0 1 0 2 0 f 2h f 1h f +6d b/倍 频 程 + _ a r b v i v o r a r4c3 (a)(a)(a)(a) 高音提升等效电路高音提升等效电路(b)(b)(b)(b) 高音提升等效电路的幅频响应波特图高音提升等效电路的幅频响应波特图 图图 6 6 6 6 高音提升等效电路及幅频响应曲线高音提升等效电路及幅频响应曲线 当当 rp1rp1rp1rp1 电位器滑动到最右端时电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图高音衰减的等效电路如图 7 7 7 7 （a a a a）所示。）所示。 2 0lgavf 0 -1 0 -2 0 f -6d b/倍 频 程 + _ a r b v i v o r a r4c3 1h f 2h f (a) 高音衰减等效电路(b) 高音衰减等效电路的幅频响应波特图 图 7 高音衰减等效电路及幅频响应曲线 该电路的电压放大倍数表达式为：该电路的电压放大倍数表达式为： )(1 1 /) 1 ( 43 433 4 . ba c a b vf rrcj rcj r r r r cj r a + + = + = 。其转折频率为：。其转折频率为： )(2 1 43 1 b h rrc f + = ， 43 2 2 1 rc fh =。当频率。当频率0f时，时，1 . = a b vf r r a；当频率；当频率 f时，时， b vf rr r a + 4 4 . 。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频 响应曲线的波特图如图响应曲线的波特图如图 7(b)7(b)7(b)7(b)所示。所示。 在电路给定的参数下，在电路给定的参数下， 11hh ff=， 22hh ff=。 （2 2 2 2）音调控制器的幅频特性曲线）音调控制器的幅频特性曲线 综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如 8 8 8 8 所示。根据设计所示。根据设计 要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。 0 2 0lgavfd b 1 0 2 0 -1 0 -2 0 1h f 2h f 1l f 2l f f 图 8 音调控制电路的幅频响应波特图 3 3 3 3、 功率放大器功率放大器 功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。 功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。 目前常见的电路结构有目前常见的电路结构有 otlotlotlotl 型型、oclocloclocl 型型、dcdcdcdc 型和型和 clclclcl 型型。有全部采用分立元件晶体管组有全部采用分立元件晶体管组 成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成 电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体 积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、 过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。 三、主要单元电路参考设计 本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。首先根据输出功率的确定电源大小和整 个系统的增益。因为音频功率放大器的输出功率pom8w。所以音频功率放大器的输出幅 值 3 . 118822= lomom rpv（v）。当输入信号最小值为 5mv 时，整个放大系 统的电压放大倍数为：22601053 .11 3 = iomv vva（倍），即672260lg20= （db）。根据整个放大系统的电压增益，合理分配各级单元电路的增益。功率放大器级（采 用集成功放）电压放大倍数取 30 倍；音调控制器放大器在中频（1khz）处的电压放大倍数 取 1；前置放大器的电压放大倍数取 80（考虑到实际电路中有衰减）。 音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。如上所述，该系 统的输出信号幅值为 11.3v，从提高效率的角度考虑，电源电压越接近 11.3v 越好，但这样 输出信号的失真将增大；从减小失真的角度考虑，可适当的提高电源电压。综合考虑，音频 功率放大器整个系统的电源电压采用15v 供电。 1 1 1 1、 前置放大器电路前置放大器电路 根据音频信号的特点根据音频信号的特点，前置放大器选择由前置放大器选择由 ne5532ne5532ne5532ne5532 集成运算放大器构成的电压放大器完集成运算放大器构成的电压放大器完 成成。ne5532ne5532ne5532ne5532 在噪声在噪声、转换速率转换速率、增益带宽积等方面具有优异的指标增益带宽积等方面具有优异的指标，由它组成的电压放大由它组成的电压放大 器可以很好的满足设计要求，电路如图器可以很好的满足设计要求，电路如图 9 9 9 9 所示。前置放大器有两级放大器组成，第一级采所示。前置放大器有两级放大器组成，第一级采 用用 ne5532ne5532ne5532ne5532 构成的电压串联负反馈电路构成的电压串联负反馈电路，具有输入阻抗高的特点具有输入阻抗高的特点。第二放大器采用第二放大器采用 ne553ne553ne553ne5532 2 2 2 组成的电压并联负反馈电路，该电路具有输出电阻小、抗共模干扰信号强的特点。第一级组成的电压并联负反馈电路，该电路具有输出电阻小、抗共模干扰信号强的特点。第一级 放大器的电压放大倍数为：放大器的电压放大倍数为：7 . 5 10 47 11 2 3 =+=+ r r ；第二级放大器的电压放大倍数为：；第二级放大器的电压放大倍数为： 20 4 5 = r r ；电容；电容c c c c5 5 5 5、c c c c6 6 6 6的作用是高频滤波，电容的作用是高频滤波，电容c c c c3 3 3 3、c c c c4 4 4 4是去耦电容，消除低频自激是去耦电容，消除低频自激 振荡。前置放大器的下限频率由电容振荡。前置放大器的下限频率由电容c c c c1 1 1 1和电阻和电阻r r r r1 1 1 1决定。决定。 + _a1 + + + + _ a2 v i 话 筒 输 入 c1 1 0f r1 200k n e5532 r2 r3 4 7k 1 0k c2 4 7f c3=c4=1 0f c5=c6=0.0 1f c3 c4 c5 c6 +1 5v -1 5v r4r5 r6 100k 5.1k 5.1k v o1 n e5532 + 图图 9 9 9 9 前置级放大器电路图前置级放大器电路图 2 2 2 2、 音调控制器电路音调控制器电路 该音频功率放大系统的音调控制电路的控制特性要求为：低音在该音频功率放大系统的音调控制电路的控制特性要求为：低音在 100hz100hz100hz100hz 时为时为12db12db12db12db， 高音在高音在 10khz10khz10khz10khz 时为时为12db12db12db12db。设计满足要求音调控制器的一般步骤为：。设计满足要求音调控制器的一般步骤为： （1 1 1 1）选择电路结构和放大单元器件选择电路结构和放大单元器件 电路结构选用图电路结构选用图 2 2 2 2 所示的负反馈式音调控制器。放大单元器件选择集成运算放大所示的负反馈式音调控制器。放大单元器件选择集成运算放大器器 lf356lf356lf356lf356。lf356lf356lf356lf356 的输入阻抗非常高的输入阻抗非常高，可达可达 1010101012 121212 ，可以很好地满足控制特性要求可以很好地满足控制特性要求， ，只需采用只需采用 小容量电容器即可。小容量电容器即可。 （2 2 2 2）计算低音调节转折频率和高音调节转折频率计算低音调节转折频率和高音调节转折频率 根据根据r r r rp1p1p1p1= = = =r r r rp2p2p2p2=9=9=9=9r r r r1 1 1 1的条件，该音调控制放大器电路的最大提升和衰减量为：的条件，该音调控制放大器电路的最大提升和衰减量为： 20lg20 1 22 += + r rrp （dbdbdbdb），），20lg20 22 1 = +rr r p （dbdbdbdb）。）。 根据图根据图可知可知，f f f fl1l1l1l1、f f f fl2l2l2l2、f f f fh1h1h1h1、f f f fh2h2h2h2为转折频率为转折频率，且幅频特性是按且幅频特性是按6db/6db/6db/6db/倍频程的斜率变化的倍频程的斜率变化的。 。 已知要求在低音已知要求在低音 100hz100hz100hz100hz 处的提升或衰减处的提升或衰减12db12db12db12db，所以低音调节转折频率：，所以低音调节转折频率： 68.392100 6 1220 1 = l f（hz hzhzhz），），4002100 6 012 2 = l f（hz hzhzhz）。）。 同理，根据高音同理，根据高音 10khz10khz10khz10khz 处的提升或衰减处的提升或衰减12db12db12db12db，可得高音调节转折频率：，可得高音调节转折频率： 5 . 22)1010( 6 012 3 1 = h f（khzkhzkhzkhz），）， 2 . 2521010 6 1220 3 2 = h f（khzkhzkhzkhz）。）。 （3 3 3 3）音调调节电位器选择音调调节电位器选择 因为因为 lf356lf356lf356lf356 集成运算放大器的输入阻抗很高，电位器集成运算放大器的输入阻抗很高，电位器r r r rp1p1p1p1、r r r rp2p2p2p2的阻值可适当高一些的阻值可适当高一些。 现选现选r r r rp1p1p1p1= = = =r r r rp2p2p2p2= = = =200200200200k k k k 。 （4 4 4 4）低、高音调整电容及电阻的选择低、高音调整电容及电阻的选择 02 . 0 1020068.392 1 2 1 3 21 21 = pl rf cc（ f f f f），可采用两个可采用两个 0.01 0.010.010.01 f f f f 电电 容并联。容并联。 电阻电阻22.2292009 2321 = p rrrr（k k k k ），选标称值），选标称值 22k22k22k22k 。 当当f=ff=ff=ff=fh2 h2h2h2=25.2khz =25.2khz=25.2khz=25.2khz 时时， 高音提升高音提升 20db20db20db20db， 即即20lg20 4 4 = + r rr a （dbdbdbdb） ， 所以所以10 4 4 = + r rr a 。 因为因为r r r ra a a a=3=3=3=3r r r r1 1 1 1，所以，所以3 . 79/22393 14 =rr（k k k k ），取标称值，取标称值 7.5k7.5k7.5k7.5k 。 840 105 . 710 2 . 252 1 2 1 33 42 3 = rf c h （pfpfpfpf），取标称值），取标称值c c c c3 3 3 3=1000pf=1000pf=1000pf=1000pf。 最后设计好的音调控制器电路如图最后设计好的音调控制器电路如图 10101010 所示。所示。 + _ a 200k 200kr p1 r p2 c1c2 r1r2 r3 r4 c3 c v0 1 v o2 0.0 2u f 0.0 2u f 2 2k2 2k 2 2k l f356 +1 5v -1 5v 1u f 7.5k 1000p f 图 10 音调控制电路图 3 3 3 3、 功率放大器电路功率放大器电路 采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定工作稳定，而且组装而且组装、调试方便调试方便，成本低成本低 廉，所以本设计选用集成功放实现。目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取廉，所以本设计选用集成功放实现。目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取 sgssgssgssgs 公公 司生产的司生产的 tda2030/2030atda2030/2030atda2030/2030atda2030/2030a 集成功放集成功放，该器件具有输出功率大该器件具有输出功率大、谐波失真小谐波失真小、内部设有过热内部设有过热 保护，外围电路简单，可以作保护，外围电路简单，可以作 otlotlotlotl 使用，也可作使用，也可作 oclocloclocl 使用。使用。 tda2030/2030atda2030/2030atda2030/2030atda2030/2030a 的的外引线如图 11 所示。1 脚为同相输入端，2 脚为反相输入端，4 脚 为输出端，3 脚接负电源，5 脚接正电源。电路特点是引脚和外接元件少。其主要特点为： 电源电压范围为 6 v 18 v，静态电流小于 60 a，频响为 10 hz 140 khz，谐波失真小于 0.5% ，在vcc = 14 v，rl = 4 时，输出功 率为 14 w。在 8负载上的输出功率为 9w。 t d a2030 12 3 45 同 相 输 入 反 相 输 入 -v s 输 出 端 +v s r p 1 0 0k v0 2 c1 + 1 0u f r3 2 2k 1 2 + _ t d a2030 5 3 4 r1 6 8 0 c2+ 2 2u f r22 2k -1 5v +1 5v + + d1 1n4001 d2 1n4001 c3 c4 c5 c6 c3=c4=1 0 0u f c5=c6=0.1u f r4 1 c7 0.2 2u f 8 v o 图图 11111111 tda2030tda2030tda2030tda2030 管脚图管脚图图图 12121212 tda2030tda2030tda2030tda2030 组成的组成的 oclocloclocl 功率放大器电路功率放大器电路 由由 tda2030/2030atda2030/2030atda2030/2030atda2030/2030a 构成的构成的 oclocloclocl功率放大器电路如图功率放大器电路如图 12121212 所示所示。 该电路由该电路由 tda2030tda2030tda2030tda2030 组成组成 的负反馈电路的负反馈电路，其交流电压放大倍数其交流电压放大倍数33 68 . 0 22 11 2 1 +=+= r r avf（倍倍），满足设计要求满足设计要求。 。 二极管二极管d d d d1 1 1 1、d d d d2 2 2 2起保护作用起保护作用，一是限制输入信号过大一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反二是防止电源极性接反。r r r r4 4 4 4、c c c c2 2 2 2组成组成 输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容c c c c1 1 1 1是输入耦合电容，其大小决定功率放大器是输入耦合电容，其大小决定功率放大器 的下限频率。电容的下限频率。电容c c c c3 3 3 3、c c c c6 6 6 6是低频旁路电容，电容是低频旁路电容，电容c c c c5 5 5 5、c c c c4 4 4 4是高频旁路电容。电位器是高频旁路电容。电位器r r r rp p p p是音是音 量调节电位器。量调节电位器。 四、音频功率放大器的调试四、音频功率放大器的调试 1 1 1 1、在安装电子电路前，应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项、在安装电子电路前，应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项， 同时测量电子元件的好坏。同时测量电子元件的好坏。 2 2 2 2、画出每个单元电路的电路原理图和连线图；画出整个电子系统的原理图。、画出每个单元电路的电路原理图和连线图；画出整个电子系统的原理图。 3 3 3 3、 前置放大器调试前置放大器调试。 安装电路时注意电解电容的极性不要接反安装电路时注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反电源电压的极性不要接反。 。 同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观察每级同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观察每级 输出有无自激振荡现象输出有无自激振荡现象， 同时测量前置放大器的噪声输出大小同时测量前置放大器的噪声输出大小。 加入幅值加入幅值 5mv5mv5mv5mv、 频率频率 1000h1000h1000h1000hz z z z 的交流正弦波信号（注意的交流正弦波信号（注意 5mv5mv5mv5mv信号可以通过一个信号可以通过一个 10k10k10k10k 和和 100100100100 组成的衰减网络得到）组成的衰减网络得到）， 测测 量前置放大器的输出大小量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数验证前置放大器的电压放大倍数。改变输入正弦波信号的频率改变输入正弦波信号的频率， ， 测试前置放大器的频带宽度。测试前置放大器的频带宽度。 4 4 4 4、音调控制器调试音调控制器调试。（1 1 1 1）首先进行静态测试首先进行静态测试，方法同上方法同上。（2 2 2 2）中频特性测试中频特性测试。将一频率将一频率 等于等于 1khz1khz1khz1khz、幅值等于、幅值等于 1v1v1v1v 的正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器的输出。的正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器的输出。 （3 3 3 3）低音提升和衰减特性测试。将电位器）低音提升和衰减特性测试。将电位器r r r rp1p1p1p1滑动端分别置于最左端和最右端时，频率滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从从 20hz1khz20hz1khz20hz1khz20hz1khz 连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响 应特性曲线。（应特性曲线。（4 4 4 4）高音提升和衰减特性测试。将电位器）高音提升和衰减特性测试。将电位器r r r rp2p2p2p2滑动端分别置于最左端和最右滑动端分别置于最左端和最右 端时端时，频率从频率从 2khz30khz2khz30khz2khz30khz2khz30khz 连续变化连续变化（输入信号幅值保持不变输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值记下对应输出的电压值， ， 画出其幅频响应特性曲线画出其幅频响应特性曲线。 （5 5 5 5）最后画出音调特性曲线最后画出音调特性曲线，并验证是否满足设计要求并修改并验证是否满足设计要求并修改。 5 5 5 5、功率放大器测试：（、功率放大器测试：（1 1 1 1）通电观察。接通电源后，先不要急于测试，首先观察功放电路）通电观察。接通电源后，先不要急于测试，首先观察功放电路 是否有冒烟是否有冒烟、发烫等现象发烫等现象。若有若有，应迅速切断电源应迅速切断电源，重新检查电路重新检查电路，排除故障排除故障。（2 2 2 2）静态静态 测试测试。将功率放大器的输入信号接地将功率放大器的输入信号接地，测量输出端对地的电位应为测量输出端对地的电位应为 0v0v0v0v左右左右，电源提供的静电源提供的静 态电流一般为几十态电流一般为几十 mamamama 左右。若不符合要求，应仔细检查外围元件及接线是否有误；若无左右。若不符合要求，应仔细检查外围元件及接线是否有误；若无 误，可考虑更换集成功放器件。（误，可考虑更换集成功放器件。（3 3 3 3）动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电）动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电阻阻 r r r rl l l l( ( ( (代替扬声器代替扬声器) ) ) )条件下条件下，功率放大器输入端加入频率等于功率放大器输入端加入频率等于 1khz1khz1khz1khz 的正弦波信号的正弦波信号，调节输入信调节输入信 号的大小号的大小，观察输出信号的波形观察输出信号的波形。若输出波形变粗