音频功率放大器设计

一、设计任务设计实用的音频功率放大器。 输入正弦波宽度5mV、负载电阻为8的在条件下，音频功率放大器满足以下要求1 .无最大输出失真的功率POM8W。2、功率放大器的带宽BW50Hz15KHz。3 .在最大输出功率下非线性失真系数3%。4 .输入阻抗Ri100k。5、具有音调控制功能：低音100Hz时有12dB的调节范围，高音10kHz时有12dB的调节范围。二、设计方案分析根据设计问题的要求，可以使用图示的框图来实现该音频功率放大器。 以下主要介绍各部分各电路的特点和要求。图2是图1音频功率放大器结构框图1 .前置放大器音频功率放大器能够放大从音源输入的信号，并输出驱动扬声器。 音源有很多种类。 例如，麦克风(麦克风)、自动存储塔、录音机(放音头)、CD播放器、线路传输等，这些声源的输出信号的电压差从零点到数毫伏特都很大。 普通的功率放大器的输入灵敏度一定，当这些不同的声源信号直接输入到功率放大器时，对于输入过低的信号，功率放大器的输出不足，如果输入信号的振幅过大，则功率放大器的输出信号变得过载，丧失了声音放大的意义。 因此，实用的音频功率放大系统需要放大器适应不同输入信号、放大、衰减、进行阻抗转换等，以与功率放大器的输入灵敏度相一致。 并且，在各种声源中，除信号的振幅差异外，它们的频率特性也有可能不同，例如，播放器的输出信号和各磁带的放音的输出信号的频率特性曲线有所翘曲，即低音衰减，提高高音。 在对这样的输入信号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为接近平坦的状态，即，加入到频率均衡网络放大器中。对于麦克风或线输入信号，通常仅通过放大或衰减输入信号，无需实现频率平衡。 前置放大器的主要功能是使麦克风的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗一致，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一致。 由于麦克风的输出信号非常微弱，通常只有100V几毫安，所以前置放大器的输入级的噪声对放大器整体的信噪比有很大影响。 在前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管构成的各个元件构成的前置放大器，首先选择低噪声的晶体管，并设置适当的静态工作点。 由于场效应晶体管的噪声系数一般小于晶体管且与静态操作点几乎无关，因此对于要求高输入阻抗的前置放大器来说，使用低噪声场效应晶体管来配置放大器是合理的选择。 当前置放大器由集成运算放大器构成时，请务必选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。 对前置放大器的另一请求需要足够宽的频带以确保音频信号不被失真放大。图9前级放大器电路图2 .音调控制电路音调控制电路的主要功能是通过控制放音频带内放大器的频率响应曲线的形状达到控制音色的目的，适应不同听众对音色的喜好。 并且，可以补偿信号缺少的频率成分，改善音质，提高放音系统的放音效果。 高保真度的放音电路一般采用高低音分别可调的音调控制电路。 良好的音调控制电路要求足够的高低频调整范围，并且在从高低频带被最强调起直到最弱的过程中，要求中音信号(通常为1kHz )不发生明显的幅度变化，这确保了音量在音调控制过程中不会显着变化。 音调控制电路的多数由RC元件构成，利用RC电路的传输特性来提高或衰减某个频带的音频音调控制电路一般分为衰减式和负反馈式两种，衰减式音调控制电路的可调范围可以变宽，但必须使中音水平也进行较大衰减负反馈式音调控制电路的噪声和失真较小，即使调整音调，其变化频率也一定，但特性曲线的斜率发生变化。 其次分析了负反馈型音调控制电路的工作原理。(1)负反馈式音调控制器的工作原理集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，因此是使用其制作的音调控制电路电路结构简单，动作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。 其中，音量Rp1或高音调节音量，Rp2或低音调节音量，电容器c或音频信号输入耦合电容器，电容器c-1和c-2通常选择低音的上升和衰减电容器C1=C2，电容器c-3充当高音的上升和衰减，并且要求c-3的值远小于c-1。 电路中各元件一般满足的关系是Rp1=Rp2、R1=R2=R3、C1=C2、Rp1=9R1 .图2负反馈式音调控制电路图在电路图2中，C3的电容阻抗大于低音信号的电容阻抗。因此，高音调节音Rp1相当于开路，而且在任何位置处都不影响低音。 将低音调节器Rp2的滑动端置于左端时，C1被短路，此时电路图2能够简化为图3(a )。 电容器C2针对低频信号的电容阻抗大，因此相对地提高低频信号的放大率，发挥提高低频的作用。 图3(a )的电路的频率响应分析如下(a )低音提高等效电路图(b )低音提高等效电路振幅频率响应波特图图3低音提升等效电路图和振幅频率响应曲线图3所示的电压放大率的式子如下。 简化结果：因此，该电路的转换频率如下你知道吗？ 知道频率时、知道频率时。 从定性的观点来看，在中高音域中，增益仅依赖于R2与R1之比，即在等于1的低音域中，增益提高，最大增益为。 低音提高等效电路的振幅响应特性的波特图如图3(b )所示。同样地，若将Rp2的滑动端与右端对齐，则使电容器C2短路，其等效电路为图4(a )所示。 电容器C1相对于输入音频信号的低频信号具有小的电压放大率，因此该电路能够实现低频衰减。 图4(a )的电路的频率响应分析如下所述该电路的电压放大率如下所示的双曲馀弦值你知道吗？ 知道频率时、知道频率时。 从定性的角度来看，在中高音域中，增益仅依赖于R2与R1之比，即在等于1的低音域中，增益衰减，最小增益为。 低音衰减等效电路的振幅响应特性的波特图如图4(b )所示。在电路给出的参数中，(a )低音衰减等效电路图(b )低音衰减等效电路振幅频率响应波特图图4低音衰减等效电路图及振幅频率响应曲线同样，相对于高音信号，图2的电路认为电容器C1、C2的电容阻抗小，短路。 通过调节高音调节旋钮Rp1，可以实现高音信号的提高和衰减。 图5(a )是以高音信号动作的简略电路图。 为了便于分析，将由图中的R1、R2、R3构成的y型网络变换为连接方式，如图5(b )所示。 在其中假设条件R1=R2=R3的条件下，Ra=Rb=Rc=3R1。(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内部电阻极小的电压源，则通过Rc分支电路的反馈电流被旁路到低内部电阻的信号源，并且Rc的反馈作用被忽略(Rc可以认为是开路的)。 当高音调节旋钮滑动到左端时，高音上升的等效电路如图6(a )所示。 此时，该电路电压放大率如下式所示的双曲馀弦值你知道吗？ 频率时；频率时。 从定性的角度来看，对于中低频信号，放大器的增益等于1的高频信号可提高放大器的增益，而最大增益为。 高音提高电路的振幅频率响应曲线的波特图如图6(b )所示。(a )高音提高等效电路(b )高音提高等效电路振幅响应滤波器图图6高音提高等效电路和振幅响应曲线当Rp1卷被滑动到右端时，高音频信号衰减，并且高音频衰减的等效电路由图7 a所示。(a )高频衰减等效电路(b )高频衰减等效电路振幅响应波特图图7高音衰减等效电路及振幅响应曲线该电路的电压放大率如下所示的双曲馀弦值。 其转换频率如下：你知道吗？ 频率时；频率时。 可见该电路对高音频信号具有衰减作用。 该电路的振幅-频率响应曲线的波特图如图7(b )所示。在电路给出的参数中，(2)音调控制器振幅特性曲线因此，负反馈型音调控制器的完整振幅特性曲线的波特图如图8所示。 可以根据设计要求的放大率和各点的转换频率的大小，决定音调控制器电路的电阻、电容的大小。图9是图8音调控制电路的振幅频率响应波特图3 .功率放大器功率放大器的作用是向音响放大器的负载(通常为扬声器)供给必要的输出。功率放大器的主要性能指标包括最大输出无失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。 目前常见的电路结构为OTL型、OCL型、DC型、CL型。 有的功率放大器由离散元件的晶体管构成。有的功率放大器由集成运算放大器和大功率晶体管构成。随着集成电路的发展，全集成功率放大器的应用越来越多。 集成功率放大器易于使用，体积小，重量轻，成本低，温度稳定性高，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过电流保护、过热保护、过电压保护、自启动、去噪等功能，因此得到了广泛应用。三、主要单元电路参考设计本设计的音频功率放大器是一种多级放大系统。 首先，根据输出功率确定电源大小和整个系统的增益。 因为是音频功率放大器的输出POM8W。 音频功率放大器的输出振幅(v )为。 在输入信号的最小值为5mV的情况下，整个放大系统的电压放大率为(倍)，即(dB )。 根据整个放大系统的电压增益，合理地分配各电平的单元电路的增益。 功率放大器级(采用内置放大器)的电压放大率为30倍的音调控制器放大器在中频(1KHz )下的电压放大率取1，前置放大器的电压放大率设为80 (考虑到实际的电路有衰减)。音频功率放大器的供电电源的选择主要从效率和输出失真的大小来考虑。 如上所述，系统的输出信号的幅度为11.3V，并且从提高效率的观点来看，电源电压优选为更接近11.3V。 综上所述，音频功率放大器的系统整体电源电压为15V。1 .前置放大器电路根据音频信号的特征，前置放大器选择了由NE5532集成运算放大器构成的电压放大器成。 NE5532在噪声、转换速率、增益带的乘积等方面具有优良的指示，使得包含这些指示符的电压放大器能够更好地满足设计要求，而电路在图9中示出。 前置放大器由2级放大器构成，第一级是由NE5532构成的电压串联负反馈电路，其输入阻抗高。 第二放大器采用由NE5532构成的电压并联负反馈电路，该电路的输出电阻较小，并且抗共模噪声信号具有较强的特征。 第一级放大器的电压放大率是： 第二级放大器的电压放大率为： 电容器C5、C6的作用是高频滤波器，电容器C3、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器C1和电阻R1决定。2 .音调控制器电路该音频功率放大系统音调控制电路的控制特性是低音为100Hz、12dB高音是10kHz，12dB。 设计满足要求的音调控制器的一般步骤如下：(1)选择电路结构和放大单元设备电路结构选择了图2所示的负反馈式音调控制器。 所述放大单元设备选择集成运算放大器LF356。 LF356的输入阻抗非常高，为1012，能够很好地满足控制特性的要求，采用小容量电容器即可。(2)计算低音调节的转换频率和高音调节的转换频率根据RP1=RP2=9R1条件，音调控制放大器电路的最大上升量和衰减量如下(dB )、(dB )。从图中可以看出，fL1、fL2、fH1、fH2改变频率，振幅特性以6dB/倍频的斜率变化。 由于已知100Hz低音的上升或衰减需要12dB，低音改变频率(Hz )、(Hz )。类似地，高音在10kHz下的上升或衰减12dB可调节转换频率(kHz )，(kHz )。(3)间距调整音量选择由于LF356集成运算放大器的输入阻抗高，因此电阻器RP1和RP2的电阻值适当地高。 现在，选择RP1=RP2=200k。(4)低、高频调整电容器及电阻的选择(F )可并联使用2个0.01F电容器。选择电阻(k)、公称值22k。f=fH2=25.2kHz时，高音会上升20db(db )。由于Ra=3R1，因此取公称值7.5k。(pF )，取标称值C3=1000pF。最后设计的音调控制器电路如图10所示。图11是图10音调控制电路图3 .功率放大器电路用集成放大器设计功率放大器，设计简单，工作稳定，组装、调整容易，成本低因为廉价，所以本设计通过综合放大器实现。 当前经常使用的集成放大器的型号非常多，本设计者选择SGS公司制造的TDA2030/2030A集成放大器，输出功率大，谐波失真小，内部设置了过热保护，外围电路简单，作为OTL也可以用作OCL。图11显示了TDA2030/2030A的外部引线。 1脚连接同相输入端，2脚连接反相输入端，4脚连接输出端，3脚连接负电源，5脚连接正电源。 电路的特点是引线和外置部件较少。 其主要特征是，电源电压范围为6 V 18 V，静态电流不足60 mA，频率为10 Hz 140 kHz，谐波失真不足0.5%，VCC=14 V，RL=4 W，输出为14 W。 8W负载下的输出为9W。图11 TDA2030引脚图12由TDA 2030构成的OCL功率放大器电路图12示出