优秀毕业设计精品]语音放大电路的设计

1、1绪论31.1课题背景及目的31.2国内外研究状况32设计原理53前置放大电路63. 1基本差分放大器63. 1. 1基本原理电路及特点63. 1.2 1作原理73. 2长尾式差动放大电路83. 3差动放大器的主要指标113.4具有调零电路的差动放大器113. 5恒流源差动放大电路124滤波电路类型及分析134. 1低通滤波器134. 2高通滤波器184. 3其它滤波器205功率放大电路255.1功率放大电路的特点255. 2功率放大电路的工作状态分类275. 3电路的组成295. 3. 1甲乙类双电源互补对称电路305. 3. 2甲乙类单电源互补对称电路305. 33复合管功率放大电路315

2、.4集成功率放大电路335.4. 1 lm324运放集成电路345. 4. 2 tda2003集成功率放大器346整体电路原理图367安装调试与性能测试377. 1运放的调试377.2功放的调试377. 3系统调节38结论39参考文献40附录41附录a语音放大电路的元件清单42附录b集成运算放大器lm324的管脚图及基本参数421绪论1.1课题背景及目的在日常生活和工作中，经常会遇到这样一些问题：如在检修各种机器设备时, 常常需要能依据故障设备的异常声响来寻找故障，这种异常声响的频谱覆盖而往 往很广，需要高亮度的声咅以传达消息，例如校园广播，大型会议等，而仅仅凭 人们自己的喉咙是无法实现的，因

3、而要用到信号放大器。声音信号频率低，在放 大的过程屮极易受到外界的干扰，又如：在打电话吋，有吋往往因声音太大或干 扰太大而难以听清对方讲的话，于是需要一种既能放大语音信号乂能降低外来噪 声的仪器诸如以上原因，具有类似功能的实用电路实际上就是一个能识别不 同频率范围的小信号放大系统。所以本课题要求采用集成运算放大器完成语咅放 大电路。有利于培养我的技开发能力和创新精神，并有一定的实用意义。1.2国内外研究状况我国基础工业薄弱，特别是核心部件芯片的研究，而功放芯片的研究，与国 外相比有一定的差距，在各大高校及厂家大部分实验用的还是以集成运算放大器 lm324和功率放大器tda2003等芯片。随着科

4、技的发展与进步，从模拟及混合信 号芯片，尤其是放大器类产品发展趋势来看，高集成度、兼顾速度与精度、低功 耗、较宽的温度范围，以及软件口j控等性能，将是未來各个模拟器件供应商的新 产品呈现的新特点。对于某些中、低端电子产品的成木压力，使得木土的屮小规 模ic供应商获得了良好的发展机会，打破欧美供应商一统天下的局面，这也将 是包括放大器在内的模拟类产品的一大特点。放大器产品的发展主耍特点如门（1）新工艺、新技术的发展；（2）放大器类 产品在电子系统中的作用越来越重要，不可替代，高精度的放大调条理屯路很难 集成在处理芯片屮；（3） “定制化”需求是放大器的种类不断增加的主要推动力 之一。工艺方面，b

5、icom3是ti针对高速度模拟产品而开创的工艺，其高电压 版本bicom3hv为36v bipolar sige工艺，兼顾速度的同时也可实现高电压的应 用；iipa07工艺主要应用于高精度模拟类产品，应用这一工艺的器件具有高精度, 小封装，高snr等特点，相似的hpa07hv可兼容36v应用；除了以上具有代表性 的工艺外，ti还有lbc工艺，主要特点是高电压大功率；a035 i艺主要应用是 高密度器件。高精度运算放大器一般是指失调电压低于lmv的运放。ti近期推 出了一款高精度的运0pa211,是以bicom3hv为主要工艺开发的产品。在高速放 大器方面，ti能够应用新的工艺提供针对不同应用的

6、各类产品，除了可以提供 各类电压反馈型和电流反馈型高速放大器类产品以外，还可以提供高速的jfet 输入高速放大器类产品，其屮包括多种可供选择型号，如0pa656, 0pa657及 tiis4631等，他们都貝有不同的带宽和压摆率，不同的稳定增益范围，包括独立 增益稳定等主要町供选择的指标，可广泛应用于测试与计量等宽带宽高输入阻抗 的应用场合。在高速视频放大器方面，ti推出了一系列具有灵活可编程及高集 成度的放大器类产品，例如针对视频应用的ths73xx系列产品，针对不同的视频 标准要求，其集成了低通滤波器，部分产品具冇内部固定增益放大，滤波器带宽 数字可编程选择，以及输入耦合方式选择等性能。凌

7、力尔特公司专注于提供具有 高精确度、低噪声和高速度性能的放犬器产品。这些器件主要分为3类：传统 的高性能放大器产品（包括运算放大器、仪表放大器和可编程增益放大器）；高 速adc駅动器；专用精确高压侧电流检测放大器。尽管运算放大器己经出现儿 十年了，使用也相对简单，但是很多令人振奋的新进展仍在不断出现，从而产生 了多种富有吸引力的新产品。这些新产品很多将以改进基木功能的形式出现，如 提高运算放人器的速度、精确度、噪声和功率性能等，但是更多将以提高集成度 的形式出现。凌力尔特公司的ltc6420-20双路差分adc驱动器和ltc6102hv 零漂移高压侧电流检测放大器就是好例子。ltc6420-2

8、0是一种双路高速全差分adc驱动器，具冇很好的匹配性能规 格。这使其在i-q解调和多通道通信应用中尤其有用。在这些应用中，驱动高 速adc的传统方法是使用高压、大电流消耗的rf放大器。既然这些rf放大 器是单端组件，那么就需要附加电路将信号转换成最高性能adc所需的差分信 号。ltc6420-20与这种传统方法相比有儿个优点。首先，它的功率极低，在很 多情况下，可以与adc共享同一个低压电源。其次，它使用较少的组件，占用 电路板空间较少。除了将两个通道集成到一个小型3mmx4mm封装中， ltc6420-20还含冇増益设置电阻和可选输出滤波。通过在芯片上纳入灵敏的反 馈网络，设计师无需花费大量

9、吋间考虑杂散电容可能引起的不稳定性，该电容与 pcb上增益设置电阻的布线有关。在loomilz时具有0. ldb增益匹配和0. 1° 相位匹配，这种通道至通道匹配消除了需要匹配两个独立通道的难题。视特定设计口标的不同，工程师们面临着很多难题，其屮常常包括同吋要求 提高性能、降低功耗和让产品快速上市。就每个应用甚至每个设计而言，设计师 而临的挑战都不同。例如，就基于传感器的应用而言，设计师常常需耍放大和缓 冲传感器产生的信号。既然很多传感器都有高阻抗，设计师就必须选择偏置电流 非常低的放犬器，如ltc6087除了低偏置电流，放大器还应该具有低输入失调 电压和噪声，以最大限度扩大动态范围

10、，提高灵敏度。传感器应用常常是由电池 供电，因此还必须注意电源电压和电流要求。凌力尔特公司可为工程师提供多种 帮助，如应用工程师支持、完全规定的数据表、免费ltspice建模软件和器件 模型、详细的应用和设计要点、电路结集等。sigc半导体最近推出的se2587l 功率放大器，是基于sige半导体经验证的高性能架构，在+19dbm （802. llg模 式）和+24dbm （802. lib模式）发射功率级下，能够提供高线性度。这种高线性 度可在更大的覆盖距离内提供更高数据率的传输能力，使系统能够支持新兴的无 线多媒体应用，例如视频分配、视频流及高速数据。se2587l采用3x3 qfn it

11、装, 是sigc半导体最小的分立式功率放大器。该器件的引脚顺序与sigc半导体广 获采用的se2527l、se2528l及se2581l兼容，电路板布局所需的改变能够减 至最少，使得制造商能够轻易移植到用于下一代设计的新器件屮。可以节省大约 20%的外部材料清单成本。如今，世界各地的环保意识h渐高涨，冇助于节能的产品渐受市场欢迎。照 目而的发展趋势看，无论是哪一个国家/地区、哪一个市场/板块，高能效产品都 会人受客户欢迎。美国国家半导体的power wise解决方案适用于能源效率要求 极高的系统设计，性能/功率比高。例如，型号为lmv851的运算放大器内置射频 抑制电路，因此抗电磁干扰的能力高

12、，以8mhz的单位增益带宽操作时，只耗用 041ma的电流。因此随着科技的进步放大器的高集成度、兼顾速度与精度、低 功耗、较宽的温度范围、软件可控等性能及智能化，将是未來的发展方向。2设计原理本设计是要求制作一个由集成电路组成的具有语音信号放大作用的语音放大电路，它首先通过小信号输入，前置放大器，经过有源带通滤波器z后再经过功率放人器后经喇叭输出，其原理框图如图2.1所示。图2. 1语音放大电路基本原理图3前置放大电路集成运算放大器是一种性能优良的多级直接耦合放大器，它乂是一种通用性 很强的多功能部件。差分放大电路也称为差动放大电路，简称差放，它是集成运 算放大器中非常重耍的单元电路。差放电路

13、貝有抑制干扰等优良性能，通常用于 集成放人电路的输入级。3.1基本差分放大器3. 1. 1基本原理电路及特点差分放大电路的基本形式如图3. 1所示：图3.1差分放人电路的基本形式有差分放大电路的基本形式我们可以得岀：1. 电路特点：对称性。2. 差模信号：把一对大小相等，极性相反的信号叫做弟模信号。电路中所加的有用信号就是差模信号。3. 共模信号：把一对大小相等，极性相同的信号叫做共模信号。电路中的干 扰信号、零点漂移等都可视为共模信号。图3.2差分电路的两种输入信号由图3. 2可知：共模信号： uic = uic2 = uic差模信号：%严-人严刃泅3. 1.21作原理（由电路分析）结论：对

14、差模信号较大的放大作用；对共模信号有较强的抑u =u.心制作用。由图3.2矢口： uo =u（t° °2u. = uo-uo2=01、共模电压放大倍数仏严0 2差模电压放大倍数ud仇二& =4“单uo=uoi-uo2=auy.-auui2= u.-aui,ui2=au.-ui2)其中:rfl=rc/+ °7叭r, +族 +h单uuj2t%o+图3. 3对差模信号的放大作用3.2长尾式差动放大电路在单端输出的情况下：对称性得不到利用。因此增加共模反馈电阻re,通 过负反馈来抑制零点漂移，为了满足静态的要求，增加负电源vee,因而得到如f电路:图3.4长尾式弟

15、动放大电路1、静态计算:由于电路对称，只计算一边即可:静态时，输入短路，由于流过电阻re的电流为7e1和7e2 z和，且电路对 称,7e1=7e2 ,故由负电源和基极回路有：心=rm = r$ % 一 ube = 21 e、re + /心u削赳t矗虻r时良为集电极对地的电位。2、差模电压放大倍数：对差模信号：uidi=-uid2=iui（l因此在两管中产生的信号电流方向止好和反，在re上产生的电流方向相反,即在re上总的信号电流为零，即没有压降,因此可由如下电路进行分析:（1）对双端输入，双端输出:rl'为rc和rl/2的并联即:差分放人器的电压放人倍数与单管共射放人器的电压放人倍数一

16、样o（2）对双端输入，单端输出:u 叭-2%詁亀单可见：单端输出的情况2电压放大倍数约为双短输出的一半。总z,并分 放大器对差模信号（即有用信号）有较大的放大作用。3、共模电压放犬倍数:对共模信号：u. =u =(/icic1ic因此在两管屮产生的共模信号电流方向正好相同，在re上产生的共模信号电流方向相同，即在re产生的压降为：(ie1+ik2) re=2hire因此可由如下电路进行分析：(a)共模信号交流通路形式之一(方)共模信号交流通路形式之二图3. 6共模信号交流通路% =仏=%(1)对双端输入,双端输岀：uoi = uoiuoc = uox-uoi=0a.=0即：双端输出的情况下，仅

17、靠电路的对称性即可完全抑制零点漂移。(2)对双端输入，单端输必几二0&rs +rbe + (1 + 0)2 re2rekp：在单端输出的情况下，靠共模反馈电阻re抑制零点漂移。3.3差动放大器的主要指标1、差模电压放大倍数加d 4,=2、共模电压放大倍数加c =u.3、共模抑制比cmrr4、差模输入电阻rid5、差模输出电阻edcmrr =ca/? = 201g -ld）uh r t - ,d% i.1 id6、共模输入电阻厂ic ric =he3.4具有调零电路的差动放大器为了克服两个差分对管及电路参数不对称造成的输出直流电压不为零的现 象，可增加静态调零电路，有如下两种形式。图3.

18、 7具有调零电路的差动电路对射极上增加调零电阻rw后，前面的公式将修改为1、 差模放大倍数mud 4, =j厂h1+0）才r2、差模输入电阻rid心=2尺+么+（1 + 0）于1r3、共模输入电阻ric久=才亿+尺+（1 + 0）于+（1 + 0）心厶厶3.5恒流源差动放大电路1、问题的提出：为了进一步提高共模抑制比，就必须增大re,而增大re,就必须要增加电 源的值，所以必须设法使zre上有较高的交流电阻，而又有不太高的直流电阻。 三极管止好有这样一种性质，三极管工作在放大区时，其集电极电压在很大范围 内变化时，而集电极电流变化很小，即交流电阻很人。而直流电阻（工作点处的 集电极电压与集电极

19、电流的比值）又不太大。三极管的集电极电压在很大范围内 变化时，而集电极电流儿乎不变的性质称为它的恒流作用。将三极管的ce代替 re作为共模反馈电阻，即可得到带有恒流源的差分放人器。2、图3.8具有恒流源的差分放大器电路3、ce间的电阻计算：将v3组成的恒流源电路等效为如图3. 9所示，即可推岀ce z间的交流电阻的表达式:u°图3.9恒流源等效电路巾i。匕=匕-0仏九+（人+仏）心以以+ &/） +（打+仏）/?厂0 / -空/®rbe+r3+r/r2 °o=(1+九+$/（么+尽/用）设 >9=80, zre=100kq, zbe=lkq, m=a

20、2=6kq, a3=5k q,贝ij e345mq。 用如此人的电阻作为用，可人人提高其对共模信号的抑制能力。而此时，恒流 源所呈现的直流电阻并不高，即所要求的电源电压不高。此电路的静态计算可以 从v3管入手，由负电源到它的基极回路计算出5即得两差分管的集电极电流为: ici=i 沪 1/2 ie34滤波电路类型及分析4.1低通滤波器1、一阶低通滤波器电路图4.1所示是一阶低通滤波器电路，其传递函数为:i+电如24($ 丿 i rjs(s)jla oop -4jaa观通检滾爲幅给响胶十倒一阶低通齒滾為电略十1阶低通滤波器电路斗而对于rc电路,其拉氏变换为(s) =u?(s)=1u 二 s)1

21、+ src将上式带入式,加（s1 +伙c,可以看到，式中分母为s图4. 1 一阶低通滤波器电路的一次幕，所以称为一阶低通有源滤波电路。以jq取代s,且令/p=e,得岀电压放大倍数为11+j/fp令f0,可得通带放大倍数人upi+眷当心时，肉卜烬，故盂为通带截止频率。当/>>禺时曲线按-20db/ 十倍频下降。2、简单二阶电路一阶电路的过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20db/ i*倍频。增加 rc环节，可加大衰减斜率。如图4. 2所示，为简单二阶低通滤波电路。它是由 两节rc滤波电路和同相比例放人电路组成。其通带放人倍数与一阶电路相同， 传递函数为：亍工 ccz图4.2二阶

22、低通滤波电路“au?ll=_l_当 g二g二c 吋，a(s 丿 1 +src4($ 丿一将上述表达式带入式，整理可得:(s)= 1 +& 丿l + 3$rc + ($/?c),2用丿。取代s,凡令/厂烽，整理得到4 码一尺1-当增益下降到中频增益的0.707倍时，可求出高频截频，即心°37办简单二阶低通滤波器可使衰减斜率达到-40db/十倍频。3、压控电压源二阶低通滤波电路将简单二阶低通滤波器电路中g的接地端改接到集成运放的输出端，便可得 到压控电压源二阶低通滤波电路，如图4. 3所示。电路屮既引入了负反馈，乂引 入了正反馈。由于正反馈使电压放大倍数在一定程度上受输出电压控制

23、，且输出 电压近似为恒压源，所以称为压控电压源二阶低通滤波屯路。当信号频率趋于零 时，由于g的电抗趋于无穷大，因而止反馈很弱，使电路不能产生口激振荡；当 信号频率趋于无穷大时，c的电抗趋于零，所以g(s)趋于零。因此只要止反馈 引入得当，就既可能在十吒时使电压放人倍数数值增大，乂不会因正反馈过强 而产生自激振荡。图4.3压控电压源二阶低通滤波器前已指岀，同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益,设节点a电流方程为:6($)-(s)"a(h-/w) j a(s)-p(s)r 一 丄r节点p电流方程为ua(s)-up(s) up(s)r 1将以上两个节点方程联立求解，可得到

24、传递函数l +（3-aup）src +（mc）2在上式中，只有当几小于3时，即分母中s的一次项系数大于零，电路才 能稳定丁.作，而不产生鬥激振荡。尸je,则上式为久u 二 “。二人upu ui 1 + （3人 up）jrc + （jq/?c）22几=1-则有上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式，其中为特征频率，而q则称为等效品质因数，是住益时电压放大倍数的数值与通带放大倍数之比。令住心求出电压放大倍数的数值当0取不同的值时，馬/0将随z改变,图4. 4二阶低通滤波电路的幅频响应不同0值下的幅频响应由图4. 4所示，当沪0. 707时幅频响应较平坦，而当 00. 707 时，将出现峰值，当

25、沪0. 707 且 /7/o=l, 20/g|a(j(q丿/a()| = 3db .当 f/f-q 时，201g|/l(j</4| = -40dbo这表明，二阶滤波电路比一阶低通滤波电路的滤波 效果好得多。当进一步增加滤波电路阶数，由图可看出，其幅频响应更接近理想 特性。4.2咼通滤波器只要将上述讨论过的低通滤波器电路中的r、c元件位置对调，则得到高通 滤波器电路。对于一阶高通滤波器采用与前而低通滤波器相同的分析方法，可得 到/p = 2c人u =得到幅频特性如图4. 5所示。(b)幅堀响殛,<適澳遽遽患賤;殛频响应心图4. 5 阶高通滤波电路及幅频响应由于二阶高通滤波电路与二阶低

26、通滤波电路存在对偶关系，他们的传递函数和幅频响应也存在对偶关系。图4.6为二阶压控电压源高通滤波电路，在理想情况下，高通滤波电路的 通带电压增益可认为是时，输出电压与输入电压z比。对二阶压控电压源高通滤波电路來说，当时，电容c可视为短路，通带电压增益等于同 相比例放大电路的电压增益，图4.6二阶高通滤波电路考虑到高通滤波电路在电路结构、传递函数和幅频响应与低通滤波电路的对偶关系，町得到高通电路的传递函数表达式为a( s)=1 +(3-仙丿令仏_ 2nrc ,3-心式中的4up、办和0分别表示二阶高通滤波器的通带电压放大倍数、特征频率和等效詁质因数。幅频响应曲线如图4. 7可知，二阶高通滤波电路

27、和低通滤波电路的幅频特性 具有对偶关系。如以亡乐为对称轴，二阶高通滤波电路的20览|川仏丿/仏|,当 f迟时，随f升高而增大，而二阶低通滤波电路的20览卜（0丿/如p|当介迟时， 则是随着厂升高而减小。二阶高通滤波电路在f«蛊吋，其幅频响应以40db/十 倍频程的斜率上升。图4. 7二阶高通滤波电路的幅频响应4.3其它滤波器1. 带通滤波器如图4. 8所示，将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的通带截 止频率兀2大于高通滤波器的通带截止频率爲，则频率在為和益2之间的信号能 够通过，其余频率的信号不能通过，因此构成带通滤波器。图4. 8由低通滤波器和高通滤波器串联组成的带通滤波

28、器二阶压控电压源带通滤波电路如图4. 9所示。图中只c组成低通网络，c、 忆组成高通网络，两者串联组成带通滤波器。设兄二斤，仏二2r,则由kcl列出方程,导出带通滤波器电路的传递函数为av(src""1 + (3-伽)src + (src)2为同和比例放大电路的电压增益，同样要求ar<3,电路才能稳定的工作。suj 3带入上式，4 二 a"、并令 up_3-auf办=2tirc则得到3 - 心 fo f)1 + jq/a =上式中"2nrc既是特征频率，也是带通滤波电路的屮心频率。上式表明，当 f石时，上述电路具有最大电压增益，且a(jco) =

29、a=avf/(3-avf),这就是带通滤波电路的通带电压增益。图4. 9带通滤波器根据截止频率的定义，下限频率和上限频率是使增益下降-3db的频率点,即卜仃血丿| =卜片|/血，上限频率和下限频率之差称为通带宽度。令上式分母虚部 的绝对值为1,即解方程，取正根，求出截止频率为可得到通带宽度为s = fp2-fp =%幅频响应如图4. 10所示，可知q值越高，通带越窄。b =(3-auf 丿办=2-将式带入上式，得到i尺丿，可得到如下结论，改变屯阻心斤的阻值，可以改变通带宽度，且中心频率不受影响，但是为了避免码 时发生口激振荡，一般取r2r。图4. 10二阶带通滤波电路的幅频响应示意图2. 带阻

30、滤波器若将低通滤波器和高通滤波器的输出电压经求和运算电路后输出，且低通滤 波器的通带截止频率小于高通滤波器的通带截止频率，则构成带附滤波器，如图 4. 11所示。该电路可阻止 恥心2范围内的信号通过，使其余频率的信号均能通 过。带阻滤波器又称陷波器，在干扰信号的频率确定的情况下，可通过带阻滤波 器阻止h通过。实用的带阻滤波器用由rc组成的双t网络和一个集成运放实现, 如图4. 3. 4所示。图4. 11带阻滤波器其中召、&、g组成的t型网络为低通滤波电路，c、g、丘组成的t型网络 为高通滤波电路；念接集成运放的输出端引入正反馈，以提高通带截止处的电压 放大倍数，减小阻带宽度，提高选择性

31、。通常选取c二g二c, g二2c, r*r,兄二矽2。 当信号频率趋于零或无穷大时，集成运放的同相输入端电位仏二弘 故通带放人 倍数就是比例运算电路的比例系数，即由节点方程求出传递函数为:auo皿）1 + 2(2 一叫wo丿1co( =，其中° 2nrc令沪j2nf带入上式，则有ajouo j/ 21_+ j2（2-auo）yjo jj 0f =_l_ =1+鱼式屮 0 2tirc , uo r , 2（2 - a® 丿。如果九。二 i,则 <0.5,增加 ao, 0将随之升高。当缶趋近2时，0趋向无穷大。因此，缶愈接近2,几愈 大，可使带阻滤波电路的选频特性愈好，即

32、阻断的频率范围愈窄。根据截1上频率 的沱义，下限频率和上限频率是增益下降-3db的频率点，通带截止频率为/pi+ 1=（2-丸0）+1-（2-码0）fo带阻滤波器的阻带宽度为® = /p2 - /pi = 2（ 2 - au0 ）f（）= %带阻滤波器的幅频特性如图4. 12所示，0值越大，阻带宽度越窄，选择特 性越好。通过改变局、用的值可以改变。的大小。为了防止局=2时产生口激振 荡，一般取用5。图4. 12带阻滤波屯路的幅频响应综上综合考虑用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来组成一带通滤 波器，用该方法构成的带通滤波器通带较宽，截止频率易于调整，多用作测量信 号噪声比的音频带

33、通滤波器。如图4.13所示的带通滤波器，频率范围 300hz-3000hz,整个通带增益为8 db,非常适合语音放大。图4. 13宽带bpf5功率放大电路通常，一个电子系统的最末一级都是驱动一定的负载，有吋该负载还要将电 能转换成其它能量形式。一般来说，电子系统提供的功率越大，能驱动的负载就 越大，或者转换成其它能量就越大。在电了电路中把能够向负载提供足够大的信 号功率的放大电路称为功率放大电路。5.1功率放大电路的特点功率放大电路与前面所述的小信号放大电路相比较，其工作原理没有根本变 化，只是功率放大电路不是单纯考虑电压放大或电流放大，而是考虑在电源电压 确定的情况厂 输岀尽可能大的功率。此

34、时，功率放大电路中的器件都是工作大 信号的状态下，因此分析方法与小信号放人电路就有所区别。功率放大电路的主 要特点是：1. 要求输出功率尽可能人获得输出功率是功率放大电路的主要目的。为了获得最大的功率，要求电路 的输出电压和输出电流要有尽可能人的幅度。2. 转换效率要高功率放大电路实质上并菲是将电功率直接提高，而是通过输入信号（小功率） 去控制电源提供的直流功率将其转换成交流功率（人功率），即输出的交流功率 是rti电源提供的直流功率转换而来的。通常功率放人屯路输出功率人，直流屯源 消耗的直流功率也就越多。因此，考虑在电源电压确定的情况下，输出功率尽可 能大时，应该提高直流功率转换成交流功率的

35、效率，以减少直流电源的损耗。3. 器件工作在接近极限状态功率放大电路为了获得最大的功率，要求电路的输出电压和输出电流要有尽 可能大的幅度，为了达到此口的通常述需要输入信号为大信号。此时，完成功率 放大的晶体管往往工作在接近极限状态。因此，器件的安全性显得十分重要，否 则器件会因为过热、电压或电流过人而损坏。由功率放大电路的特点可知，其主要技术指标有两个：输出功率几功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输出波形基木不失真 的条件下，输岀功率用输岀电压的有效值仏和输出电流的有效值厶乘积表示，p°=u°i°=蛰圣即：丁2 yj2式中爲为输出电压的峰值，厶。为输

36、出电流的峰值。效率n 功率放人电路的输岀功率允与电源所提供的直流功率人之 比称为功放的效率，直流功率等于电源输出电流的平均值与电源电压的乘积。即5.2功率放大电路的工作状态分类由上述功率放大电路的主耍技术指标可知功率放大电路屮的功率关系为pv=po+pt式中a为功率放人电路的损耗功率，由此可以看岀减小功放屯路的损耗功率 就可以提高输岀功率和效率。功率放大电路的工作状态不同，其输出功率和效率 也不同。功率放大电路根据其中晶体管导通的状态分为如下工作状态：1. 甲类工作状态当输入信号为正弦波时，若功率晶体管在信号的整个周期内均导通(即导通 角二360°),则称为甲类工作状态，或称为甲类功

37、率放人器，如图5.1 (a)所 /卜o2. 乙类工作状态当输入信号为止弦波时，若功率晶体管仅在信号的止半个周期或负半个周期 内导通(即导通角二180°),则称为乙类工作状态，或称为乙类功率放大器， 如图5. 1 (b)所示。3. 甲乙类工作状态当输入信号为正弦波时，若功率晶体管在大于半个周期且小于一个周期内导 通(即180收360°),则称为甲乙类工作状态，或称为甲乙类功率放大器，如 图5. 1 (c)所示。4. 丙类工作状态当输入信号为正弦波时，若功率晶休管的导通时间小于半个周期(即 180°),则称为丙类工作状态，或称为丙类功率放人器，如图5. 1 (d)所示

38、。图5.1功率放人电路的工作状态可以证明，随着晶体管的导通角的减小，功率放大电路的转换效率就越 來越高。同时由图5.1可以直观的看到甲类功率放大器的静态功耗（即3二0时 功率放大电路的损耗）比甲乙类、乙类和丙类功放都高，所以屮类功放的输出功 率和效率都较甲乙类、乙类和丙类功放低。但由图也可以看出其失真很小，乙类 功率放人器和丙类功率放人器的效率虽然提高了，但是失真却加人了。低频功率 放大电路通常采用乙类和甲乙类功率放大器，而高频功率放大电路多釆用丙类功 率放大器，丙类功率放大器不属于木设计介绍的内容。5.3电路的组成甲类功率放人电路用在此询所学的共射极放人电路和共集电极放人电路就 可以实现，但

39、因其效率低很少使用。乙类双电源互补对称功率放大电路（乂称为 ocl output capacitor less电路）的原理电路如图5. 2 （a）所示，它是由一 个npn管和一个pnp管分别组成两个射极输出器，这是因为信号的电压可以用多 级电压放大电路进行放大，而图5. 2 （a） 的晶体管vti和vt?主要完成信号电 流的放大，从而达到获得更大功率的h的，理想的条件下这两个电路的参数应该 完全相同。同时这两个射极输出器组成一个推挽式电路。由于该电路没有基极偏 置电压，即处于乙类工作状态，所以采用双电源供电方式。乙类双电源互补对称功率放大电路a图5. 2乙类双电源互补对称功率放大电路静态时，妒

40、0,由于g和vt?均没有基极偏置电压，所以截止，输出电压为 零，功耗也基本为零。由图5. 2（a）可以看出，当有信号输入时，即uho,设输 入信号为正弦信号，同时忽略晶体管b-e间的开启电压（死区电压）。在输入信 号正半周3>0）时，vi；导通，vt2截止，正电源供电使几流过负载；在输入信 号负半周（冰0）时，vti截止，vt2导通，负电源供电使花流过负载。有信号时,vti和vl轮流导通，在负载上得到一个完整的信号波形，如图5.2(b)所示。因 为两个管子互补对方半个周期，ii工作性能对称，所以称为互补对称电路。5. 3.1甲乙类双电源互补对称电路图5. 3甲乙类双电源互补对称电路甲乙类

41、双电源互补对称电路如图5.3所示，图中vts为而置放大级，vti和 vt2组成互补对称电路。静态时，口和d?上产牛的压降可以为口和vt2提供-个 合适的偏置电压。因为口、d2的导通电压略大于vt】、vt2的死区电压，所以可以 使vti、vt2处于微导通状态。由于电路对称,静态时7c1=2c2,所以-?o= 2ci_-?c2=0> 妒0。有信号时，vt|和vt2轮流导通完成功率放人。该屯路的缺点是，偏置屯压 不容易调整。5.3.2甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路如图5.4所示，图屮vt：；为前置放大级，vti和 vt2组成互补对称电路。输川端连接一个容量较人的电容c,起辅助

42、电源的作用。 电阻r,和r、向vt3提供合适的静态工作点,u和d2使vt.和vt2工作在甲乙类状态。 静态时,vti和vr处于微导通状态，由于电路对称，所以电容c上的电压 炉血/2。9 +feed+卩图5. 4甲乙类单电源互补对称电路当有信号弘时，通过vts的放大，在信号的负半周，vti导通，vt2截止，信 号被放大输小i,同时电容c充电；信号的止半周，已充电的电容q起电源的作用, 保证vt?导通，vl截止，信号被放大输岀，同时c通过负载用放电。只要选择放 电时间常数用c足够大(比信号的最长周期大得多)，电容c上的电压就可以基 木稳定在 v2,起到一个电源的作用，从而替代双电源，这种电路采用了

43、耦合电容，而没有采用耦合变压器，所以通常称为 otl (output transformer less)电路。单电源互补对称电路参数的计算仍然可以 使用双电源互补对称电路参数的计算方法，但是耍注意的是原来公式中的如要 用坨/2代替。5. 3. 3复合管功率放大电路根据功率的概念可以知道提高电压"和电流i均可以提高功率。在 功率放大电路中提高电压的方法，一般都是采用多级电压放大电路，即在功率 放人电路前设计多级前置电压放人电路。而电流，的放人多采用复合管结构，两 只品体管构成的复合管如图5. 5所示。(a)<b)(c)(d)图5. 5两只品体管构成的复合管以图5.5 (a)为例，

44、设va、vt2的电流放大系数分别为血和02,则e2 =(1+02 ”b2 =(1 + 02)0爲当时，复合管的电流放大系数约为01 02用上述方法同样可以推导出图(b)、(c)、(d)所示复合管的电流放大 系数"伏仇。可见复合管结构使晶体管的电流放大系数大大提高，从而提高 了输出电流。图5. 6是利用复合管构成的互补功率放大电路，vti是前置放大电路，用于 信号电压放大o vt3> vt4和vt5、vt6构成复合管互补电路,&、兄和vt2是给vt3、 vtj和vt, vr提供偏置电压，使其工作在甲乙类工作状态。/为电流源为用、尼 和vt2提供偏置电流，同时作为有源负载可

45、以提高放人倍数。他笊和vt2提供的 偏置电压大小为图5. 7准互补功率放大电路%e2=(1 +辭 be2其中念2是vt2的静态时导通电压，硅管约为06'07v。在输出功率较大的功放中，大功率管vt“和vt&由于管子的类型不同很难做 到完全对称，就是在集成电路中，由于pnp型管与npn型管的制造工艺不同也很 难做到完全对称。故在实际电路屮，通常用准互补功率放大电路，如图5. 7所示。 其中将图5.7中的g由pnp管换成了 npn管。这样，使输出的两只功放管均为 npn型管，其特性及木对称。5.4集成功率放大电路随着集成电路制作技术的不断提高，制作成本的不断下降，元器件制造商也 为

46、广大使用者提供了许多类型的集成功率放大器，这些集成功率放大器具有使用 简单、灵活，成本低，调试方便等优点。5.4.1 lm324运放集成电路lm324采用14脚双列直插塑料封装。它内部含四组形式完全相同的运算 放人器如图5. 8 （臼）所示，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放 大器可用图5. 8 （方）所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“厶”、“ uj 为两个信号输入端，w、“尸 为正、负电源端，“ uj为输出端。两个信 号输入端屮，4为反相输入端，表示运放输岀端仏的信号与该输入端的相位相反; 侏为同相输入端，表示运放输出端仏的信号与该输入端的相位相同。由于电源管 脚是众所周知的

47、，因此，为了简化，通常可以把电源端省略不画，把五脚符号画 成只有两个输入端、一个输岀端的三端符号。(b)图5. 8集成运放符号及lm324管脚由于lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可采用单、双电 源方式使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。注：集成运算放大器lm324的管脚图及基本参数见附录b5. 4. 2 tda2003集成功率放大器我们在本次设计屮依然采用常用的tda2003集成功率放大器，tda2003是 tda2002的改进型，其输出功率更人，电路特点及内设的各保护电路与tda2002 相同。它适用于收咅机及其它设备中作咅频放大。表1集成功率放大器tda2

48、003的基本参数参数名称符号参数值单位备注峰值电源电压vcc40v直流电源电压vcc28v工作电源电压vcc18v50ms输出峰值电流（重复）io3.5a输出峰值电流（非重复）io4.5a功率po20w工作环境温度topz-30"75°cta=9°c贮存温度.结品tstg,t-40"150°c引脚功能定义：tda2003为5脚单引直插式，其引脚功能如25输入vcc图5.9集成功率放大器tda2003的引脚图功率放大电路是一种以输出较大功率为r的的放大电路。他一般直接驱动负 载，带负载能力强。从能量控制的观点來看，功率放人电路实质上是能量转换电

49、路。主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号下工作。 综合以上条件考虑，最优化的电路如图5. 10所示：图5. 10功率放人电路6整体电路原理图综上所述我们可以得到所需的总体电路原理图，其电路图如图6.1所示。图6. 1语音放大电路整体电路原理图由图可知声咅信号经话筒输入转化为电信号，通过采用两级电阻平衡电阻输 入可提高静态工作点的稳立性，经同相比例运算放人器和反向比例运算放人器组 成的两级放大电路，后经电位器调节线路输入以达到信号选频的作用，避免无用 信号及干扰信号。再经过由tda2003组成的功率放大电路放大信号再经过rc滤 波电路去除朵波经喇叭输岀。7安装调试与性能测

50、试7.1运放的调试安装由左到右，而一部分以lm324为中心，后部分以tda2003为中心。通电 前认真检查，确沱无误后，才可调试与测试。1、静态调试：调零和消除自激振荡。2、动态调试：（1）在两输入端加差模输入电压 ,测量输出电压“辺，观测与记录输出 电压与输入电压的波形，算出差模放大倍数a汕。（2）在两输出端加共模输入电压 ,测量输入电压uoc,算出共模放大倍 数鶴。（3）算出共模抑制比kcmr（4）用逐点法测量幅频特性，并作出幅频特性曲线，求出上、下限截止频 率。（5）测量差模输入电阻。7.2功放的调试1、静态调试：集成输入对地短路，观察输出冇无振荡，如有振荡，采取消 振措施以消除振荡。2

51、、功率参数测试(1) 测量最人输岀功率匕”输入f=lkhz的正弦输入信号旳3,并逐渐加人输入电压幅值直至输岀电压©的波形出现临界削波时，测量此时rl两端输出电压的最大值匕加或有效值匕,om(2) 测量电源供给的平均功率心近似认为电源供给整个电路的功率即为几，所以在测试人”的同时，只要在 供电回路串入一只直流电流表测出直流屯源提供的平均电流乙心，即可求出 fy。此平均电流ic(av)也就是静态电源电流。(3) 计算效率=化“/人(4) 计算电压增益编a心7叽7.3系统调节经过以上对各级放人电路的局部调试z后，可以逐步扩人到整个系统的联 调。1、令输入信号坷二0,测量输出的直流输出电压。

52、2、输入/二1khz的正弦信号，改变坷幅值，用示波器观察输出电压叫波形 的变化情况，记录输出电压叫最大不失真幅度所对应的输入电压旳的变化范围。3、输入为一定值的正弦信号，改变输入信号的频率，观察心的幅值变化 情况，记录他下降到0. 707他之内的频率变化范围。4、计算总的电压放人倍数4严叫仏。注：元器件清单见附录a结论由于输入功率放人器的输入电压要求在loomv左右，因此放大倍数a>20, 设计屮话筒放大电路采用同相比例运算放大器，为了使输入的话筒信号最大可能 的不失真，采用两极电阻平衡输入电压。其中r1=r2=4. 7kq, r3二r4=10kq, cl=10nfo al为lm324中的一个运算放人器。令r5=10kq , r6=75kq ,则 al二1+r6/r5二8. 5本设计中的混合前置放大电路有放大话筒输入信号与线路输入 信号的两个作用，因此它的输入信号有两个均可以放人。图中r7=r8=10kq,a2