音频功率放大器的设计

目目录录 一 摘要 二 设计任务 三 设计要求 四 设计方案及原理分析 五 硬件单元电路的设计 六 调试 一 摘要一 摘要 随着现代电子技术的不断发展 功率放大电路也得到了飞速的发展和应用 特别是半导体技术 的进步 使功率放大电路向模块化 小型化 集体化的方向不断发展 一般放大电路主要用于放大 信号的电压或电流 而功率放大电路则主要实现信号的放大 以便送到执行机构中去完成某种任务 功率放大电路是一种十分常用的电子电路 广泛应用于家庭影院 音响系统以及工业制造中的机械 系统 电机驱动等电子系统 通常的音频功率放大多采用直接线性放大形式 如 甲 乙 丙类放大等 这些电路的优点不 少 但主要缺点是效率不够高 一般 20K 2 2 发挥部分 1 具有电子混响延时功能 2 输出功率达到 8W 以上 四 设计方案及原理分析四 设计方案及原理分析 根据课题的要求 该音频功率放大器可由框图实现 下面主要介绍各部 分电路的特点及要求 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 然后输出驱动扬声器 声援源的种类有多种 如传声器 话筒 电唱机 录音机 放音磁头 CD 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 输出信号非常微弱 一般只有 100 V 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 前置放大器电路设计 图前置放大器电路设计 图 1 1 电路分析 电路分析 该前置放大器由两级放大器组成 第一级采用 NE5532 构成电压串联负 反馈电路输入阻抗较高 就相当于对前级电路开路 第二级放大器采用 NE5532 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 对后级电 路就相当于一个恒流源 即输出电压不受后级电路阻抗的影响 从而该电路具有隔离 作用 即使前后电路互不影响 第一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 电容 C1 C3 的7 5 10 47 1 2 3 1 R R 16 4 5 R R 作用是高频滤波 电容 C2 C4 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 C5 和电阻 R1 决定 根据音频信号的特点 前置放大器选择由 NE5532 集成运算放大器构成的电压放大 器完成 NE5532 是一种双运放高性能低噪声运算放大器 电压控制范围在 3V 20V 它 能显示出更好的噪声性能 提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽 这使该 器件特别适合应用在高品质和专业音响设备 仪器和控制电路和电话通道放大器 其 引脚功能如下 NE5532NE5532 引脚图引脚图 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 中音信号 一般指 1kHz 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变化 音调控制电路大多由 RC 元件组成 利用 RC 电路的 传输特性 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 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 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 用它制作的音频放大 电路具有电路结构简单 工作稳定等优点 在如下电路图中 其中电位器 Rp1 是高音 调节电位器 Rp2 是低音调节电位器 电容 C 是音频信号输入耦合电容 电容 C1 C2 是低音提升和衰减电容 电容 C3 起到高音提升和衰减作用 一般选择 C1 C2 电容 C3 起到高音提升和衰减作用 要求 C3 的值远远小于 C1 负反馈式音调电路 图负反馈式音调电路 图 2 2 在如上电路图中 对于低音信号来说 由于 C3 的容抗很大 相当于开路 此时高 音调节电位器 Rp1 在任何位置对低音都不会影响 当低音调节电位器 Rp2 滑动端调到 最左端时 C1被短路 此时电路图 2 可简化为图 2 a 由于电容 C2对于低音信号容抗 大 所以相对地提高了低音信号的放大倍数 起到了对低音提升的作用 图 2 a 电路 的频率响应分析如下 低音提升等效电路图低音提升等效电路图 2 a 2 a 图 2 a 所示的电压放大倍数表达式为 化简后得 12 22 22 1 2 1 RR CjR CjR Z Z A P P Vf 所以该电路的转折频率为 22 22 22 2 1 22 1 1 P P P P Vf RCj RR RR Cj R RR A 可见当频率 时 22 1 2 1 CR f P L 22222 2 2 1 2 1 CRCRR f P L 0 f0 当频率 时 从定性的角度来说 1 22 R RR A P Vf f 1 1 2 R R AVf 就是在中 高音域 增益仅取决于 R2与 R1的比值 即等于 1 在低音域 增益可以得 到提升 最大增益为 122 RRRP 同样当Rp2 的滑动端调到最右端时 电容 C2 被短路 其等效电路如图 2 b 所示 由于电容 C1 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 4 a 电路的频率响应分析如下 低音衰减等效电路图低音衰减等效电路图 2 b 2 b 图 2 b 所示的电压放大倍数表达式为 其转折频率为 112 12 21 2 211 2 1 1 1 CRRj CRj RR R RCjR R A P P PP Vf 可见当频率时 12 1 2 1 CR f P L 112 2 2 1 2 1 RRR f P L 0 f 当频率时 从定性的角度来说 就是在中 21 2 P Vf RR R A f1 1 2 R R AVf 高音域 增益仅取决于 R2与 R1的比值 即等于 1 在低音域 增益可以得到衰减 最 小增益为 212P RRR 在电路给定的参数下 令 11LL ff 22LL ff 同理 图 2 电路对于高音信号来说 电容 C1 C2 的容抗很小 可以认为短路 调 节高音调节电位器 Rp1 即可实现对高音信号的提升或衰减 图 2 c 就是工作在高 音信号下的简化电路图 上图电路可化简为 高音等效电路图高音等效电路图 2 b 2 b 其中其中 R1 R2 R3R1 R2 R3 为原来的为原来的 3 3 倍倍 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 R3 支路的反馈 电流将被低内阻的信号源所旁路 R3 的反馈作用将忽略不计 R3 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 2 c 所示 此时 该电路的 电压放大倍数表达式为 其转折频率为 1 1 1 431 1432 143 2 RCjR RRCjR RRCj R AVf 当频率时 当频率 2 1 143 1 RRC fH 43 2 2 1 RC fH 0 f1 1 2 R R AVf 时 从定性的角度上看 对于中 低音区域信号 放大器的增 f 4 14 R RR AVf 益等音区域的信号 放大器的增益可以提升 最大增益为 4 14 R RR 高音提升等效电路高音提升等效电路 2 d 2 d 当 Rp1 电位器滑动到最右端时 高音频信号得到衰减 高音衰减的等效电路如 图 2 e 所示 高音衰减等效电路高音衰减等效电路 2 e 2 e 该电路的电压放大倍数表达式为 其转折频率为 1 1 1 243 43 1 2 1 2 3 4 RRCj RCj R R R R Cj R AVf 当频率时 当频率 2 1 243 1 RRC fH 43 2 2 1 RC fH 0 f1 1 2 R R AVf 时 可见该电路对于高音频信号起到衰减作用 f 24 4 RR R AVf 在电路给定的参数下 令 11HH ff 22HH ff 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幅频特性曲线的波特图如 3 所示 根据设 计要求的放大倍数和各点的转折频率大小 可确定音调控制器电路的电阻及电容大小 0 20lgAvfdB 10 20 10 20 1H f 2H f 1L f 2L f f 音调控制电路的幅频特性曲线 图三 音调控制电路的幅频特性曲线 图三 LF356LF356 引脚图引脚图 3 3 音调控制电路参数的设定 音调控制电路参数的设定 根据设计要求音调控制在 1KHz 处增益为 0dB 100Hz 和 10KHz 处有 12dB 的调节 范围 AVL AVH 20dB 现取 AVL AVH为 20dB 1 1 电路结构及运放器件选择电路结构及运放器件选择 电路结构选用图 2 所示的负反馈式音调控制器 运放单元器件选择集成运算放大 器 LF356 工作电压在 15 20V LF356 的输入阻抗非常高 可达 1012 可以很好地 满足控制特性要求 只需采用小容量电容器即可 所以选择 Rp1 Rp2 200k 的音调调 节电位器 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 因为 AVL AVH分别取 20dB 该音调控制放大器电路的最大提升和衰减量为 dB dB 所以 R1 R2 R3 Rp2 9 20lg20 1 22 R RRP 20lg20 22 1 RR R P 根据图 3 可知 fL1 fL2 fH1 fH2为转折频率 且幅频特性是按 6dB 倍频程的斜率变 化的 要求在低音 100Hz 处的提升或衰减 12dB 所以低音调节转折频率 Hz Hz 68 392100 6 1220 1 L f4002100 6 012 2 L f 同理 根据高音 10kHz 处的提升或衰减 12dB 可得高音调节转折频率 kHz kHz 5 22 1010 6 012 3 1 H f 2 2521010 6 1220 3 2 H f 从而使在中频区 1KHz 处达到增益为 0dB 3 3 电容及电阻的选择电容及电阻的选择 电阻 k 取 22k 22 2292009 2321 P RRRR 电容 uF 02 0 1020068 392 1 2 1 3 21 21 PL Rf CC 当 f fH2 25 2kHz 时 高音提升 20dB 即 dB 所以 20lg20 4 14 R RR 10 4 14 R RR 因为电路 2 b 等效转换后 R1 3R1 所以 k 取3 79 22393 14 RR 7 5k pF 取标称值 C3 1000pF 840 105 710 2 252 1 2 1 33 42 3 Rf C H 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 OTL 型 OCL 型 DC 型和 CL 型 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 一 单元电路参考设计 电路图如下 一 单元电路参考设计 电路图如下 本次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达到 8W 以上 负载喇叭阻值 为 8 假设输出功率 8W 则该音频功率放大器的输出幅值 O P V 当输入信号最小值为 5mV 时 整个放大系统的电3 118822 LOO RPV 压放大倍数为 倍 根据整个放大系统的电压增益2260105 3 11 3 iOV VVA 来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 左右 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 由于该系 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