音频放大器的设计

1、学校代码 10126 学号00824017本科学年论文（设计）题目：音频放大器设计学院、系： 电子信息工程学院自动化系 专业名称： 自动化 年 级： 0 8 级 学生姓名： 李光达 学 号： 00824017 指导教师： 周润景 2010年 9月 9日摘要： 实用音频放大器主要应用是对音频信号进行功率放大，本文介绍了弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理内容技术路线。整个电路主要由稳压电源，前置放大电路，二级放大电路，滤波器，功率放大电路共五部分构成。稳压电源主要是为前置放大电器，功率放大器提供稳定的直流电源。前置放大器主要是电压的方大。二级放大电路主要是继续放大电压。滤波器主要是去除噪声。

2、功率放大器实现电流电压的放大。设计的电路结构简洁实用，充分利用了集成功放的优良性能。实验结果表明该功率放大该功率放大器在带宽,失真度,效率 等方面具有较好的指标,较高的实用性,为功率放大器的设计提供了广阔的思路。 在proteus软件的辅助下尽可能的使电路各项指标接近或达到实验设计要求。再将电路各部分连成整体，整体把握音频放大电路的性能。有了完整的设计方案后利用protel软件将电路图制成pcb仿真图，布局不仅要符合原理图而且要合理经过处理后生成光绘文件。到此一切设计方案结束。接下来将设计方案原理制成pcb板，通过原理图及所要元件焊接电路板，在对电路板进行测试最终完成小学期设计任务。关键词：

3、自制稳压电源电路 弱信号前置放大级电路 功率放大电路 音频放大电路 pcb板 author：li guangda tutor： zhou runjingabstract: the practical application of audio amplifier main power amplifier for audio signals, this paper introduces a weak signal amplification capability of the basic principles of low-frequency power amplifier, content, t

4、echnical route. the entire circuit is mainly regulated power supply, pre-amplifier, 2 amplifier, filter, power amplifier circuit of five parts. power supply is mainly for the electrical preamplifier, power amplifier to provide a stable dc power. preamplifier voltage side main large.&#

5、160;2 is to continue to enlarge the main amplifier voltage. filter is mainly to remove noise. power amplifier circuit and voltage amplification.  simple circuit design and practical, take full advantage of the excellent performance of the integrated amplifier. experimental result

6、s show that the power amplifier of the power amplifier in the bandwidth, distortion and efficiency indicators has a better, higher availability, the design for the power amplifier provides a broad line of thought.      assisted in the proteus software as possible to the

7、 target circuit at or near the experimental design requirements. then connected the various parts of the circuit into a whole, an overall sense of audio amplifier performance. with a complete design after the use of protel pcb simulation software is made of circuit diagram, layout diagram

8、and not only to meet the reasonable processed to generate gerber files. all designed to this end of the program. next will be made of pcb board design principles, by schematic and circuit board to be welded components, in the final testing on the circuit board to complete primary school of

9、 design task.key words: self-regulated power supply circuit weak signal preamplifier circuit of power amplifier circuit audio amplifier circuit board pc目 录第一章 绪论1.1 音频功率放大电路概述51.2 音频放大电路的发展51.3数字时代提出了新的要求61.4 本次设计的主要目的、意义71.5 设计总体要求及实现基本指标的方略7第二章 方案的选择讨论及应用2.1直流稳定电源的设计与仿真分析2.1.1设计概念8 2.1.2电路设计及测试82.

10、2前置放大电路的设计与仿真分析2.2.1弱信号前置放大级电路102.2.2 前置放大电路的电路图 102.2.3 前置放大电路的仿真分析 102.3二级放大电路的设计与仿真分析2.3.1二级放大电路的电路图142.3.2二级放大电路的仿真分析152.4功率放大器2.4.1功率放大器的电路图192.4.2功率放大器的仿真分析202.5音频功率放大电路分析 2.5.1音频功率放大电路电路图232.5.1音频功率放大电路的仿真分析242.6pcb的封装与设计：2.6.1pcb的设计292.6.2在ares软件中封装29结论 30致谢 30参考文献32第一章 绪论1.1音频功率放大电路概述音频功率放大

11、器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声元器件获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声元器件，使原声响重现。其电路一般可分为两部分，前一部分进行小信号电压幅值放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相连。一般扬声器的阻值较低，仅有8左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电脑的有源音箱大多采用这种方式。其简单的构成框图如图1-1所示。电源模块 信号源 前置放大器扬声器功率放大器1.2音频1.2放大电路的发展随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，

12、更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国crown公司的ma-5000vza功放，其最大输出功率可达4000w/8（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块usp3；可对12000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。20世纪80年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放

13、与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。80年代中期欧洲首先推出了采用mosfet音频场效应管功放。mosfet场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为150w/8等。90年代初，mosfet的制造技术有了很大突破，出现了一种高速mosfet大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司（ecler）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的spm专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两

14、者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。第3代mosfet功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外mosfet开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，m.b.sandler等学者提出了d类放大的pcm（脉码调制）数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把pcm信号变成pwm（脉冲调宽信号）。美国tripass公司设计了改进的d类数字功放，取名为“t”类功1999年意大利powersoft公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音

15、频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。1.3 数字时代提出了新的要求 早期的数字放大器与模拟音源配合得很好, 在某种程度上与数字音源的配合也不错, 但 最多只能生成分辨率为 12-13.5bit 的音频.家庭影院,数字音频接收机和 pc 游戏等先进的 娱乐系统需要全 16bit 的音频重现,以支持市场所要求环绕声,回响和音乐厅效果. 典型的 d 类数字放大器,有些具有模拟输入,有些具有数字输出,不能满足上述目标. 因为尽管它们成本低,效率高,但缺乏生成精确音频所需的分辨率.而且,这些元件甚至不 能满足 cd 机,dvd 影碟机等普通

16、的娱乐设备的要求. 利用光盘发行数字音频,消除了音 频信号在格式方面的一个弱点.最终,家庭中都可以实现影院级音质.按字面理解,数字音 频是没有噪声的.它是被作为一系列的"0"和"1"加以处理的,没有给可能引起微小失真的噪 声留下任何空间. 但另外一个问题仍然存在:模拟放大所必需的数模转换器(dac)对尺寸, 成本和质量的影响. 现在,新技术使得整个音频处理链都保持纯数字形式.具有数字输入的纯数字放大器, 使得在信号路径中不再需要使用 dac,而是直接把干净的数字输入在音箱终端转化成干净的功率. 直到最近,才在高档,昂贵的音响系统中见到端到端的数字放大器.

17、几乎所有的 同时需要大量外部元件. 这种两芯片方案的成本 早期数字放大系统都需要利用两芯片方案, 和尺寸在很大程度上妨碍了它在主流市场中的应用.尽管现有的 d 类数字放大器较以前的 技术有所改善,但它们在音质,封装,性能,价格和核心技术方面未能取得重大改进. 1.4 本次设计的主要目的、意义本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用家用电器的内部电路结构，从而为以后的学习和工作作好知识保障。另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知

18、识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。1.5 设计总体要求及实现基本指标的方略 1基本要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（510）mv，等效负载电阻rl为8下，放大通道应满足： 额定输出功率por2w； 带宽bw（5010000）hz； 在por下和bw内的非线性失真系数3%； 在por下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，rl=8上的交流声功率10mw。（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。设计与总结报告，评分标准：方案设计与论证（20分

19、），理论分析与计算（20分），电路原理图及pcb板（40分），测试方法与数据（10分），对测试结果的分析（10分）本次设计电路的框图如图1-2所示。2.1直流稳定电源的设计与仿真分析 2.1.1 设计概念：在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压输出电路转换成稳定的直流电压。所以直流电源的设计共包括电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压输出电路四个部分，在设计时应该明确每个部分的作用，从而正确的连接出可行的电路。另外，电路要正常工作，必须有一定的工作范围，因此在设计时要通过参数扫描使得各个元件正常工作，并且使其满足所要设计电路的要求。例

20、如稳压管在工作时必须有限流电阻，使其工作时的电流大小在izmin-izmax之间。2.1.2电路设计及测试：设计的直流电路图为：11对该电路进行瞬态分析为：由仿真看出该直流电源的输出为±15v，满足设计要求。2.2前置放大电路的设计与仿真分析2.2.1弱信号前置放大级电路: 前置放大电路可以采用集成运算放大器构成的前置放大器,也可以采用专 用前置放大器ic构成的前置放大器电路,从经济方面考虑本设计采用的是集成运 算放大器方案,设计前置放大器可供选用的集成运算放大器有很多,有lf347, lf353,lf357,lf356,0p-16,op-37,ne5532,ne5534等.主要考虑

21、的技术指 标是带宽,电压增益,转换速率,噪声和电流消耗等. 为提高前置放大器电路输入电阻和共模抑制性能,减少输出噪声,采用集 成运算放大器构成前置放大器电路时,必须采用同相放大电路结构。2.2.2前置电路的电路图：2.2.3对前置放大器的仿真分析：电路输入输出分析：从电路的仿真结果可知，当系统的输入信号电压值为10mv时，输出信号对应电压值值为208mv，即系统的电压放大倍数为20，系统为同相放大电路。电路的频率响应特性分析：从仿真分析的结果来看，系统的最大增益为26.8db，则截止频率处增益应为26.8*0.707=18.95db.从电路的仿真结果可知，系统的频率范围为3196khz。电路的

22、是真分析：傅里叶分析：通过改变输入信号的频率，发现在信号频率改变的同时，系统的失真度也在改变。2.3二级放大电路的设计与仿真分析2.3.1二级放大电路的电路图2.3.2对二级放大电路的仿真分析：电路的输入输出分析：从分析结果可以看出，电路对输入进行了同相放大，同时输出信号相位发生了偏移。通过改变输入信号频率发现二级放大电路对不同输入信号功率有不同相位偏移。电路频率响应特性分析：从图中测量结果可知系统的最大增益为21.6db，则截止频率处的增益应为21.6*0.707=15.3db。从电路的仿真结果可知，系统通带频率范围为10276khz. 电路噪声分析：从系统测量结果可知在音频放大器的够做频率

23、范围内，系统的噪声范围为208405v/hz。仿真日志中查看噪声源：电路失真分析：傅里叶分析：2.4功率放大器2.4.1功率放大器电路图2.4.2功率放大器仿真分析：输入输出分析：从上述仿真结果可知，系统以恒定功率输入信号，而调节电路中电位器可调节电路的输入阻抗。电路失真分析：2.5音频功率放大电路分析：2.5.1音频功率放大器电路：2.5.2音频功率放大器的分析：电路输入与输出分析：从模拟图表的仿真结果可知，电路对输入信号进行了同相放大。电路频率响应特性分析：从图中的测量结果可知系统的最大频率增益为56.4db，则截止频率处增益应为56.4*0.707=39.9db。电路噪声分析：从分析仿真

24、的结果来看，系统对输入噪声进行了放大。电路失真分析：傅里叶分析：从系统的分析结果可知，系统瞒住设计要求。音频分析：如有声卡和扬声器，用户可听到音频放大器的输出结果。2.6pcb的封装与设计：2.6.1pcb的设计： pcb几乎会出现在每一种电子设备当中，如果在某种设备中有电子元器件，那么它们也都是镶在大小各异的pcb上，pcb是电子工业重要的电子部件之一。可见，pcb的应用已经相当广泛。在进行pcb设计之前必须对原理图进行后处理，proteus pcb设计是先在isis软件中生成电路图，然后在ares软件中完成的。2.6.2在ares软件中封装在ares软件中进行封装时，元器件的摆放顺序要按isis软件中生成的电路图的顺序进行摆放，各个元器件间的空间要取的适当，如应该给晶体管留有足够的空间使其能进行很好的散热 图43 在ares中生成的铺铜电路封装图 结 论在独立完成音频功率放大器设计的过程中，我对电路的设计能力有显著提高，尤其是对所学电路知识有了新的认识。本设计电路简单高效，失真小，选频特性较好，达到了设计目的和要求，但在电路的整个设计过程中存在很多问题：虽然理论上达到了设计要求，但在实际操作过程中理想与现实总是存在很大差异。在一些元器件的选择上，性能较好的管子参数很好但性价比较低。更