实用音频功率放大器设计.doc

桂林电子科技大学应用科技学院实用音频功率放大器摘 要介绍了如何设计并制作一款最大不失真输出功率POR15W（失真度小于5%）;带宽BW（4020000）Hz（功放部分）;在POR下的效率50%;在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声VPP400mV;前置放大器具有低音、中音、高音调节功能;具有音量调节功能的实用功率放大器。关键词：功率放大；音量调节；音调调节一 总体方案设计系统的原理方案图如上图所示。它主要由音频功率放大、控制器、键盘、显示电路组成。该系统是一个具有低噪声、输出功率可调控的功放电路。二 单元模块设计2.1 功率放大模块由于题目已经要求使用分立元件做功放后级，且也规定使用OCL结构的功放电路，因此，我们就此要求进行方案设计。（1）方案一前级使用高性能的集成运放，如NE5532、NE5534、LM381、OPA2134等，后级采用分立元件做后级，即用运放来驱动功放电路。这样的电路制作起来相对简单，性能也不错，但是后级所需的电压值通常较高，难以满足题目的要求。（2）方案二整个电路由分立元件构成，后级采用大功率三极管做输出，例如2SC5200，B817，TIP35等，以获得足够的输出功率。但是大功率三极管在低压下难以发挥其作用，不仅系统不稳定，而且波形极易失真，带宽小。（3）方案三整个电路也由分立元件构成，前级使用差动放大电路，后级使用中功率管构成互补对称功率放大电路。由于要找到两只性能完全一致的NPN和PNP两种型号的大功率管是很困难的，但要找到两只性能完全相同的同型号的大功率管就容易多了。与此同时，采用复合管作为功率放大三极管，电路简单，易调试。综上所述，方案三电路比较简洁，功率管容易配对，调整方便，可兼顾多方面的指标要求，所以选择此方案。其电路原理图如图1所示图1电路输入部分，由、组成单端输入、单端输出的差动放大电路，它具有一致性好，容易配对，工作噪声低等优点。信号由的基极输入，从的集电极输出。为推动级，它是由一只PNP管组成的共发射极放大电路，在这里，采用PNP管是为了和前置级的NPN管适配，易于中点电压的调零。、与、组成复合准互补甲乙类推挽功率输出级。与组成推挽输出级的静态偏置电路，使输出级工作在甲乙类，调节可调整其工作点。静态时，、的基极电流,其基极电位为-。由于很小，所以基极电位可近似认为0V。而发射极电位= =-0.7V。所以中的电流=-0.7-(-V)/ =(15-0.7)/7.510=1.9mA。I为、两管静态电流之和，故=/2=0.9mA。改变的阻值，就可以调整前置放大级的静态工作点。但的值不可过小，否则抑制零点漂移的效果就会减弱。既是的集电极负载，又是推动级的偏置电阻。改变的阻值，可以调整的静态工作电流。当和选好后，只要调节，就可使中点电位为0V。为输出级复合管基极的静态工作点调整电阻，改变的阻值，就可调整输出级的静态工作电流，一般应调在1020mA为好。2.2 音量控制模块图22.2.1 控制部分单片机扫描键盘，当功率加减按键按下时，程序自动内部进行运算，当按下功率输出键时，LCD显示设置的输出功率，一方面，单片机控制DA转换芯片DAC0832输出控制电压，调整输入信号的强弱；另一方面，程序控制输出功率的强弱限制输出功率的大小符合事先的设置值，此时的输出信号的电压值由ADC0809取得并传送到单片机处理，由此得到的数据反馈到DAC0832中，实现对输出信号的实时监控，以设置的功率恒定输出。于是，功放的输出功率由程序控制，成为数字控制的功率输出。2.2.2 显示部分方案一：使用数码管LED显示。使用LED显示的好处是显示亮度高，元件的价格低，容易购买。方案二：使用液晶LCD显示屏显示数据。LCD屏可以多行同时显示字符，并且能显示汉字或者任何的字母数字，占用面积小，响应速度快。方案一有个很大的缺点就是当需要显示的字符很多的时候，PCB布线将变得很繁琐，占用单片机资源比较多，虽然串行显示可以解决这个问题，但是为了避免不必要的麻烦，把时间浪费在程序编写以及PCB 布线上，使用LCD显示是一个很好的选择。字符显示方面，一个方案是使用LED数码管显示，另一个方案是使用LCD液晶显示屏显示数据。而且现在的LCD自带字库，编程显示字符变得非常简单。2.2.3 键盘部分方案一：所有的数字字符采用4*4按键控制。方案二：采用一个控制按键加一个设置按键来控制单片机的运行。方案一明显不能体现简约的设计方法，因此如果使用方案二的话，只要在程序上稍微编写一下，将能省下很多接口资源，并且控制起来简单很多，布线也非常简单，因此键盘使用方案二。2.2.4 输入信号控制部分方案一：采用数字电位器控制输入信号。方案二：采用DA控制输入信号。方案一采用数字电位器，目前数字的数字电位器可控制的电压幅度有限，最大电压不超过5V，且课通过电流也很小，线性度差，单片机控制起来不方便。所以采用方案二，DA采用DAC0832，单片机控制起来极其方便，线性度也较好，但信号经过DA后，被掺入噪声，所以在输出端需加电容滤波。2.2.5 整流电路部分方案一：采用一般的桥堆整流滤波。方案二：采用带反馈的运放整流电路。方案一中，整流桥堆在整流时电压会有压降，将导致在计算功率时出现较大误差。方案二采用了反馈技术保证了在整流时不会产生压降，在计算功率时精度大大提高。2.2.6 输出功率测量部分方案直接确定为：功放的输出电压经过整流电路得有效值，有效值经过ADC0809将模拟电压值转换成数字量，在单片机内换算成功率值显示在LCD上。2.2.7 滤波电路部分方案一：采用普通电容滤波。方案二：采用8阶有源滤波。方案一中采用传统电容滤波方式，但是需使用大小不一的多种电容，占空间大，且效果不一定好。如采用有源滤波，电路简单，滤波效果好，最高只能让0.0001Hz的频率通过。三 各器件的安放位置及布线规则功放电路应遵循单点接地的原则，即以电源地为“点”，前后级各元件的接地端都一根一根的接到电源地去。前后级的电源也采取单点接地的布线规则，以避免后级的大电流影响到前级电路。并且电源地与输出地应尽可能的接近，输入端的地线也应引长线到电源地，这样可以进一步减少影响，减小噪声电压。走线应追求短，并且简洁。功放电路的布局也很重要，应遵循简洁、对称、美观的原则。四 测量仪器TFG2050V型函数信号发生器；双踪示波器；失真度测试仪五 测试报告电源提供20V电源，函数信号发生器输出0.35Vpp的正弦信号，接好负载和失真度测试仪，示波器探头测量输出端。（1）失真度及功率测试 在失真度为 0% 时，输出功率为 15.0171 W。（2）频率响应输入0.35Vpp正弦波，调整输入信号频率，测得带宽为5Hz100KHz，优于设计要求。（3）将输入端交流短接到地，功率输出端接上8电阻负载，用双踪示波器测得输出噪声电压为= 10mVpp。（4）固定信号源的幅度和频率，设置输出功率信号源幅度信号源频率设置的输出功率显示的输出功率测量的输出功率1.5Vpp1KHz5W5W5W1.5Vpp1KHz8W8W7.96W六 设计总结本设计的目的是设计一个可以控制输出功率的音频放大器，能够使用键盘控制输出任何有效范围内的功率，并且要求功率放大器具有低噪声高效率等。我们在制作的过程中遇到了很多的麻烦，不过由于我们在赛前做了充足的准备，经过仔细的论证试验都圆满的解决了。参考文献1 杨诠科 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2003年1月2 肖景和 赵健 高保真音响电路与家庭影院音响系统 人民邮电出版社 2000年11月3 李雄杰 叶建波 家用音响原理与检修 电子工业出版社 2002年7月附 录单片机程序：#include #define uchar unsigned char#define DAC0832 P3sbit P11=P11;sbit P12=P12;unsigned int j;void display(uchar dat);uchar code dis_code16=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/共阴代码uchar code bitcode8=0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe; /数码管位选代码void delay()unsigned int t=250;while(t-);void main()DAC0832=128;P0=0XFF;/delay1();while(1)display(DAC0832);if(P12=0)for(j=0;j15000;j+);i