高保真音频放大器毕业设计

1、 毕业设计报告（论文）(2013届)题 目： 高保真音频放大器的设计 所 属 系： 自动化 班 级： 学 生 姓 名： 学 号： 同 组 成 员： 指 导 教 师： -摘 要 关键词 目 录1前言- -1前言 音频功率放大器简称功放，是一种通用性较强的应用电路，它广泛用于收音机、录音机、电视机和扩音机等整机产品中，用来把微弱的声音电信号进行放大，以获得足够大的输出功率推动扬声器，它也是音响装置重要的组成部分，通常把它叫做扩音机。 音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。虽然音频功率放大器是一个技术相当成熟的领域，但直到现在为止，它还在不断地更新、发展

2、、前进。 进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。 同时随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦

3、的音频功率。这时，低失真、高效率、数字智能化的音频放大器就成为其中的关键部件。2 毕业设计及任务 2.1 设计题目 设计一台高保真音频放大器 2.2 技术指标 最大不失真输出功率：Pom8W； 负载阻抗（扬声器）：RL=8； 频率响应，在无高、低音提升和衰减时， f=20Hz20kHz(±3dB) ； 音调控制范围：低音：100Hz±12dB；高音：10kHz±12dB； 失真度（主要是非线性失真）3%； 输入灵敏度：在输入阻抗ri500k时，Vi100mV； 稳定性：在电源在±15V24V范围变化时，输出零点漂移100mV； 噪声电压：输入端短路时，输

4、出噪声电压有效值VN15mV。3 放大器的程序设计一个高保真音频放大器的设计过程大体可按电路选型-参数计算-元器件选择-验证定型的顺序进行。 3.1电路选型 3.1.1 确定电路的形式与结构 设计音频放大器一般会根据给定的技术指标（如频响、失真度、信噪比、转换速率等）、技术特色（如采用全直流、全对称、超线性等）以及性价比等要求选择合适的电路形式与结构。 在选择电路时，国内外音响界普遍推崇一种“简为佳”的说法，即简单的就是最好的。多一个元器件就多一个失真源，因而在能满足给定技术指标的前提下，应尽量避免电路复杂化。 3.1.2 确定放大级数 一般单级放大器的放大倍数只有几千倍，若电路中需要很大的放

5、大倍数，可采用多级放大器，这时总的增益等于各级增益的乘积。在确定放大级数时，每一级的增益不用定的太高，因为增益过高时，放大器的稳定性变差，容易产生自激。 通常还需要在放大器加入适量的负反馈，将电路的增益限制在一定的范围，这样既可以提高放大器的稳定性，又可展宽工作频率带降低波形失真。此外，电路的总增益的设定还应留有一定的余量。3.2 参数计算 3.2.1 确定工作点 晶体管的静态工作点，是影响放大器性能的主要因素。通常前置放大器均工作在甲类状态，故选择工作点时，应使放大器工作于输出特性曲线的线性放大区，并保证在额定工作状态的任何瞬间都不超越这一区域。 静态工作点一般应选在器件输出特性曲线线性区相

6、对的小电流及低电压区域，这对保护器件有利。但为了增大动态范围，减小失真，静态工作点又不能选的过低。通常，输入级的输入信号较小（毫伏或微伏级），工作点可选的低些，这样对提高信噪比有利；而后面的放大级，由于信号幅度比较大，工作点则应取高些。此外，为保证工作点的稳定，晶体管的基极偏置电阻不能选的过大。而功率放大器的工作点则应根据电路的类型来确定。 3.2.2 计算元件数值 确定了电路结构及工作点，便可根据给定的技术参数要求，计算电路中各元件的数值和必须掌握的交直流参数，并标注在原理图上，作为制作和调整的依据。3.3 元器件选择 有了合适的电路，其技术指标的实现还有赖于正确选用元器件的质量。即使是质量

7、可靠的同类元器件，若品牌不同，其损耗、噪声系数、稳定性或失真度及失真成分也可能不同。这也是同样的电路，采用不同品牌的元器件时会导致音质方面的差异的原因所在。3.4 验证定型 按设计要求制作的放大器，还应进行性能指标测试及试听效果，验证其是否达到预定的技术指标和音质水准。若不能达标，还应分析其原因，有目的的反复修改设计方案，使之趋于完善，直至复合技术指标要求，方可予以定型。4 设计的基本要求和电路整体方案的确定 4.1 基本要求 音频放大器主要用于对音频信号（频率范围大约为数十赫兹数十千赫兹）进行放大，它应具有以下几个方面功能： 对音频信号进行电压放大和功率放大，能输出大的交流功率。 具有很高的

8、输入阻抗和很低的输出阻抗，负载能力强。 非线性失真和频率失真小，具有高保真的性能。 能对输出信号中的高频和低频部分（高低音）分别进行调节（增强或减弱），具有音调控制能力。 为了实现音频放大电路的上述功能，构成电路时可采用多种方案，如可采用分立元件组装，也可以采用运算放大器和部分晶体管等分立元件实现还可以用集成音频功率放大器制作，现在广泛应用的是后两者。 4.2 电路整体方案的确定音频功率放大器的基本功能是把前级送来的声频信号不失真地加以放大，输出足够的功率去驱动负载（扬声器）发出优美的声音。放大器一般包括前置放大、音调控制和功率放大三部分，前置放大以放大信号振幅为目的，因而又称电压放大器；功率

9、放大的任务是放大信号功率，使其足以推动扬声器系统。 输入级前置放大主要是把输入的音频信号有效的传递到下一级，并完成信号源的阻抗变换。为了不影响音调控制电路，要求前置输入阻抗比较高，输出阻抗低，本级电路选用场效应管共源放大器和源级跟随器组成。 音调控制电路完成高低音的提升和衰减，为了与音调控制电路配合，这部分还应设置电压放大电路。为了使电路简单，信号失真小，本电路选用反馈型音调控制电路。 输出级功率放大 音频放大器的组成与框图 ，可用图1表示。 功率放大器音调控制电路前置放大器 声音 （节目源） 直流稳压电源 驱动负载 图1 音频放大器的组成框图4 高保真音频放大器的工作原理 4.1 OCL 功

10、率放大器的原理 OCL功率放大器电路通常可分成：功率输出级、推动级和输入级三部分。根据给定技术指标，选择下图所示电路功率输出级是由四个三极管组成的复合管准互补对称电路，可以得到较大的输出功率。再用一些电阻来减小复合管的穿透电流，增加电路的稳定性。前置电路用NPN型三极管组成恒压电路，保证功率输出管有合适的初始电流，以克服交越失真。推动级采用普通共射放大电路。输入级部分由三极管组成差动放大电路，减小电路直流漂移。 4.2 音调控制电路的原理常用的音调控制电路有三种：一种是衰减式RC音调控制电路，其调节范围较宽，但容易产生失真；另一种是反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制

11、电路，其电路较复杂，多用于高级电子设备中。 为了使电路简单、信号失真又小，本次设计采用反馈型音调控制电路。 4.3 前置放大电路的原理前置级放大电路要求输入阻抗高，输出阻抗低，以便不影响音调控制网络正常工作。为后级提供一定比的信号电压。为此，电路选用场效应管共源放大器和场效应管源级跟随器组成。电路输入阻抗高，并引入电流串联负反馈，提高了电路的稳定性。通过选取适当的电阻，可得到满意的增益。第二级源极跟随器，可以得到较小的输出阻抗，同时其输入阻抗高，对前级影响很小。5 基本设计方法 5.1 各级电压放大倍数的分配根据额定输出功率Po和求出输出电压为 UO=(UO为有效值)整机中频电压增益为： Au

12、m= (=100mv） 前置放大（） 音调控制（ ） 功率放大（） 负载 前置级队输出的噪声电压影响最大，一般增益不宜太高，通常该选该级增益为： Aum1 =510 对音调控制电路无中频增益要求，一般选： Aum2=1 功率输出电压增益则可按总增益来确定，若其中频电压增益为Aum3，则要求： Aum1 Aum2 Aum3 Aum3 5.2 确定电源电压 为了保证电路安全可靠地工作，通常取最大输出功率 Pom 比 额定输出功率Po 大一些 Pom= (1.5 2)Po= 1.5 * 6 = 9W 最大输出电压可由 Pom 来计算（峰值） 所以 = 2 考虑到晶体管饱和压降及发射极限流电阻上的压降

13、，电源电压 Vcc 要 大于 Uom ，一般为： UCC= （一般取电源利用效率 =0.60.8） 5.3 OCL 功率放大器的设计 OCL功率放大器电路通常可分为：功率输出级、推动级(激励级)和输入级三部分。 5.3.1 功率放大器的设计要点 功率放大器的基本设计目标是，在晶体管安全工作前提下,所输出的不失真功率尽可能大。因而设计时要特别注意： 为了保证晶体管的安全使用,一般情况下，希望功率放大器能给出尽可能大的不失真功率，这就意味着晶体管的工作状态已接近极限，处于危险边缘，因而设计时应明确所用的晶体管的极限参数，将晶体管的工作状态严格控制在安全区之内，不允许超出极限参数范围。晶体管的极限参

14、数有三个： a、 集电极最大允许耗散功率 能使管子发热，故要有一个最大允许值，超过此值时，管子易烧坏。 b、 集电极最大允许电流从晶体管输出特性曲线可以看出，当集电极电流增大到一定程度时，管子的值将明显变小。一般规定当降为1/2或2/3时的为当过大时，输出波形的前半周期会出现平顶失真。故不能超过值。 c、 集电极的最高允许反向电压 值主要受晶体管反向击穿电压的限制。当管子的集射电压超过此值时管子将有击穿的危险。 5.3.2 功率放大器的类型 为了适应各种不同的要求，人们设计出形形色色的功率放大器电路器，按其工作状态来分，主要有下面三类： （1）甲类（A类）功率放大器 甲类放大器的静态工作点一般

15、选在负载线的中点，即图中的Q点，晶体管在输入信号 的整个周期内均有集电极电流，处于线性工作状态。常见的单 管功率放大器都工作于甲类，采用双管互补或准互补结构的功率放大器，也可以工作于甲类状态。 （2）乙类（B类）功率放大器 乙类放大器的静态工作点选在晶体管基极电流接近于零处，即图中的Q点，只有在输入信号的半个周期内有集电极电流，而在另半个周期内截止。因此，乙类放大器采用两只 图 晶体管的工作点 晶体管，并使它们在两个半周内轮流工作，才可输出端获得完整的交流信号波形。（3）甲乙类（AB类）功率放大器甲乙类放大器的静态工作状态介于甲类、乙类之间，工作点选在临近截止区、即图中的Q点。晶体管有一定的静

16、态电流，可基于避免纯乙类的交越失真，但仍须双管推挽工作才能获得正常的波形。 图 乙类晶体管出现的交越失真5.3.3 功率放大器电路形式的选择5.3.4 功率输出电路的设计与计算 选择集成芯片T1 选TDA2030A芯片 TDA2030A功率集成电路具有转换速率高，失真小，输出功率大，外围电路简单等特点，采用5脚塑料封装结构。其中1脚为同相输入端；2脚为反相输入端；3脚为负电源；4脚为输出端；5脚为正电源。5.3.6计算偏置电路C2：交流负反馈回路隔直电容，将2脚直流电路和地线隔离，防止负反馈电阻R1产生直流负反馈作用。 5.4 音调控制电路的设计 5.4.1 电路形式及其工作原理 常用的音调控

17、制电路形式有三种：一是衰减式RC音调控制电路，其调节范围宽，但容易失真；二是反馈式音调控制电路，其调节范围小，但失真小；三是混合式音调控制电路，其电路复杂，用于配置较高的音响设备中。为使电路简单，失真又小，本次设计采用反馈式电路。音调控制电路的作用是控制、调节音频功率放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图 0所示.图中的表示中音频率，要求增益等于0dB；表示低音频转折频率，一般为几十赫兹；表示中音下线频率；表示中音上限频率；表示高音转折频率。 由图可见，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升和衰减，中音频的增益保持0dB不变。因此，音调控制器的电路可有低通滤波器与高通滤波器构成。 下面分析该

18、电路的工作原理。其原理如图1 图1.负反馈式型音调控制电路Z1和Zf是由RC组成的网络，放大单元为集成运放A1。因为A1的开环增益高，所以： 当信号频率不同时，Z1和Zf的阻抗值也不同，所以Auf随频率值的改变而变化，假设Z1和Zf包含的RC元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如图2所示。在例图（1）：若C1取值很大，只是在频率很低时起作用。 当信号频率在低频区时，f ， 因此可以得到低音提升。在图（2）中，若C3较小，只是在高频时起作用 当信号工作在高频区时，f ， 因此得到高音提升。 同理图（3)、图（4）可以得到高音衰减与低音衰减。 图2.四种不同的电路形式。将四种电路形式组合起来，即

19、可得到反馈型音调控制电路，如图3所示 图3 反馈性音调控制电路 为了分析方便，先假设： (1) 信号工作在低频区 因为很小， 支路可以视为开路，反馈网络主要由上半边起作用。又因为A1的开环增益很高，放大器的输入阻抗又比较高， (虚地），因此的影响可以忽略。 当电位器W2滑向A点时，被短路，等效电路图4所示，它和图2中的（1）很相似，可以得到低频提升。 图4 低频提升等效电路 该电路的分频特性分析： 令: 则： 根据前面假设条件： 当时，即信号接近中频时， 放大倍数的分贝表示方法 综上所述，可以画出图5所示的幅频特性。在（提升量为3dB和17dB时）曲线变化较大，称和为转折频率。在两转折频率之间

20、曲线斜率为-6dB倍频程。若用折线（图中虚线所示）近似表示此曲线，则和为折线的拐点。此时，低音最大提 升量为20dB。表示为： 图5 低频提升幅频特性 当电位器W2滑向B点时，等效电路图6所示，它和图2中的（4）很相似，可以得到低频衰减。 图 低音衰减等效电路 转折频率为： 最大衰减量： （2） 信号在高频区: C1和C2对高频可视为短路。此时C3和R4支路起作用，等效电路图 所示。为分析方便将电路中的Y型接法的R1、R2、和R3，变换成三角形接法的 图 高频区音调控制电路其中： 因为前级输出电阻很小，输出信号通过反馈到输入端的信号被前级输出电阻所旁路，所以的影响可以忽略，视为开路。当W1滑动

21、至C点时，相当于图2中的（2），可以得到高音提升。等效电路图如下 图 高音提升等效电路 通过幅频特性分析，可以得到高频最大提升量为： 当W1滑动至D点时，相当于图2中的（2），可以得到高音衰减。等效电路图如下 图 高音衰减等效电路 高音最大衰减量： 高频的转折频率 5.4.2 设计方法 （1） 确定转折频率： 因为已知电路的转折频率和。又知和处的提升与衰减量，根据公式可求出： (2) 确定电路形式 由两个电位器，一个运算放大器，四个电阻，三个电容，一个电解电容组成。（3） 确定W1，W2 因为运放的输入阻抗大，所以W1和W2应选择大一些，可选150K的线性电位器。（4） 计算电路中元器件参数确

22、定电容 (5) 耦合电容C的设计因为低频时，音频电路的输入阻抗近似为R1 5.5 前置放大电路的设计 5.5.1电路选择 根据总机指标要求前置级输入阻抗应该比较高，输出阻抗应当低，以便不影响音调控制网络正常工作。同时要求NF尽可能小。为此，本级选用场效应管共源放大器和场效应管源级跟随器组成，如图0所示 图 前置级电路 该电路输入阻抗高，,并引入电流串联负反馈，提高了电路的稳定性。适当选取R3，R4，可得到满意的增益。第二级源级跟随器，可以得到较小的输出阻抗，同时其输入阻抗高，对前级影响小。为了节省场效应管，第二级也可以用晶体三极管射级跟随器，此电路亦可满足指标要求。5.5.2 共源放大电路设计

23、(1)选择静态工作点 为了降低NF又保证足够的动态范围，要求管子的参数 图 场效应管转移特性 不能太小，一般要求: （2） 求 第一级的电压放大倍数 为了保证输入>500K,选取 (3) 计算C1，C2 C1，C2主要影响低频响应，要求： 5.5.3共漏极放大电路的设计（源级跟随器）为了得到较大的动态范围，一般把静态工作点选在移动特性的中点。 Id（mA) V 源级跟随器传输特性为： 其中： 5.5.4射极跟随器的设计 射级跟随器的特点是输入阻抗高、输出阻抗低，在电子线路中的应用极为广泛要减小NF，并希望不产生非线性失真，工作电流ICQ应选小一些，（但又要保证有合适的动态范围）一般取：I

24、CQ=(1.52)IOmRe=(12RL)UCCUCEQUom+(23)V其中，Iom为输出电流幅值，Uom为输出电压幅值。根据指标可知Ui(输入电压)，前级以求出电压放大倍数Aum1,本级输入电压幅值为： Ui2m=有因为射级跟随器电压传输系数进似为1，本级输出电压：Uo2m=根据上边给出经验公式确定射级静态工作点，取：ICQ=2Io2mUEQ=UCC-UCEQR24=Re取： IR=(510)IBQ (IBQ=)为提高本级输入阻抗，IR可选小一些，但是太小又影响偏置电路的稳定性。R25=输出阻抗： ro=Re/5.6 电路元件参数的选择与计算 5.6.1 OCL功率放大电路的参数计算 已知

25、： 最大不输出功率：Pom8W负载阻抗（扬声器）：RL=8；失真度（主要是非线性失真） 3%（1）确定电源电压根据公式 Ucc= Uom = （取=0.8）Ucc15.6V则选定电源电压为16V。（2） 大功率管T1、T2:：BUCEO>2UCC=32VICM>IC1max2APCM>PC1max0.2Pom+UCCIO取IO = 20mA时，PCM>3.32W按以上极限参数选择3DA30A（NPN型），并测得：=60（3）选择T3.T4，计算 R1、R2、R3、R4、R5： UCEO>2UCC=32VICM>50mAPCM>83mW根据以上参数选T3

26、为9014（NPN型） 、T4为9015（PNP型） 测得 =60根据 R1=R2=(0.050.1)RL选： R1、R2为0.5电阻（电阻丝绕制，功率>1W）ri1=rbe1 +(1+1)R2 =40.5R3=R4=5 ri1=202.5 (取R4、R3为220)R5=R3/ ri1 =40 (取R5为39)（4）计算推动级电路： 计算偏置电路：ICQ5=3IC3max/2.5mA选取T9为3DG6A,9=60忽略T9、T3基极的分流作用，ICQ9 ICQ5 则流过T9基极偏置电阻的电流IR85 =0.21mAR9=1.23k（取R9为1.2k) R36/R8=2R9=2.4k(取R3

27、6为2.4 k电阻，R8为6.2 k的电位器) 计算R7、R8 =6.12K 要求： 1.9 k>R7>160 取 R7为1 .2k R6为 4.7 k 选择T5管PCM>5UCCICQ5=0.4WBUCEO>2UCC=32V选择2SA1020型管PNP型自举电容：C1=7.96uF (取C1为33uF)（5）计算输入级电路 取差分管工作电流：IC6=IC7=1mAIC8=2IC7=2mA计算R11、R12、R18R11=4.5k（取4.7k）R12=440 (取470)R18=700（取680）选取T6、T7、T8管要求差分管T6、T7：PCM>5PC6=5PC

28、7=5UCCIC8=80mwBUCEO>1.2UCC=19.2V选择3DG12C型管，并使。反向电流小T8选同类型管。（6） 计算反馈支路：取： R15=R13=33 kR14=123.5（取120）C2=63.7uF(取63uF)C6=2.4pF（7）计算补偿元件取： R10=20C5=1.25uF C3=C4=100pF5.6.2 音调控制电路的计算 已知： 低音：100Hz±12dB 高音：10kHz±12dB（1）芯片的选择放大单元选用集成运放LM358。 （2）转折频率：fL2=fLx=400HzfH1=fHx=2.5kHz（3）选择电位器W1、W2:选用线

29、性电位器，并使W1=W2=150 k。（4）计算各元件参数 C14=0.02uF (取C14=C15=0.22uF) R23=21 k。(取R23=R24=R25=20 k) R26=8.5 k (Ra=3R25) (取R26 8.2 k) C16= (取C16为1000pF)（5）计算耦合电容在低频时音调控制电路输入电阻近似等于R25=20 k.C17（310） (C17为10uF)为了控制音量，输出端通过耦合电容C7接电位器W3，经分压后再由C6送入OCL功率放大器。W3的数值一般根据放大单元负载能力来选择。选W3为47K的电位器。C7取10uF（6）设计校验转折频率： fL1=fL2=

30、fH1= fH2=提升量： AuB=8.5 (18.6dB)Auc=0.118 (-18.6dB)AUT=8.32 (18.4dB)AUC=0.12 (-18.4dB)5.6.3 前置级参数计算 已知：输入阻抗ri500k时，Vi100mV频率响应：f=20Hz20kHz(±3dB)（1）源级跟随器的计算 选AR1为3DJ6型晶体管，参数为：IDSS=5mAUP=-4VgmUGS=-1.5VIDQ=IDSS(1-)21.2mAUS=-UGS=1.5VR34=1.25k （取R34为1M）（2）场效应管共源放大电路的计算选取T11为晶体管3DJ6,IDSS>1mA=5mAUP&g

31、t;1V=-4Vgm>0.5mA/V=1mA/V取： UGS=-3VUS=3VIDQ= IDSS(1-)2=0.31ARS=R30+R32=取： UDS=US=3VUD=UDS+US=6VR28= （取UCC为10V R28 为15k）R32=R28/Aum1=1.5k (取 Aum1 为10)R30=RS-R28=8.5 k因为riR31,保证ri>500k,取R31为1MC20=0.08uF (取1uF)C18（取47uF）C19（取10uF）（3）计算射随器电路（T12采用晶体三极管）选三极管3DG6A，测得 设后级输入电阻（本级负载）RL=20K 5.7 电路指标校核 电路

32、采用两个场效应管时 其中：Aum2为源极限随器传输系数，其值为： 采用三极管射随器时 两种电路形式均满足指标要求 6 电路板的调试 6.1不通电检测检查单路元件焊接是否正确、可靠，注意元件的位置、管子型号、管脚是否接对，电解电容极性正确无误。用万用表电阻档检测电源 Ucc及-Ucc到输出中点间的电阻值，以及对地的电阻值。其余各管在路简易测试Be、Bc、Be极间是否存在短路现象，无论何时都必须排除短路故障和烧保险丝故障才能开机。为确保安全，可以选用断开基极的检测方法试之。 6.2通电测试界限要对直观检查是否烧保险丝，线路板上的电容、晶体管是否炸裂，电阻是否烧焦。通电检查时，可将电源开关打开，用手

33、控制插头与插座的接触，测输出中点电位，如接近0，则接插头，然后手摸电路中各晶体管、电阻等是否有迅速发热的情况。若有，先要排除故障再开机。正常情况下，中点电压为0或稍偏正或负值，用交流档检测输出中点有电压摆动 6.3静态测试（1）为保护功率管，首先负载开路测试。接通电源，粗测各级管子静态工作情况，逐级检查各管UBE和UCE。若发现UBE=0（管子截止）或UBE0（管子饱和）均属不正常。检查场效应管UGS和UDS是否符合设计值。首先排除故障，在逐级调整工作点。输出级：输出重中点电位应为0V。若偏离0V，调节R15。注意在调整时，R15 应由小到大，使VT5始终工作在放大区，防止R15过大烧毁VT8。前置级：调节R30，使VT11管VSI为设计数值。在调整R26 ，使VS2=。（2）输出端接假负载（8，8W电阻），量测静态工作情况。要求输出端电压为0V，电源在允许范围内变化，偏移电压不应超过100mV。若偏移过大，说明互补对称管参数相差太大，或者差分对管不对称。6.4动态测试（1）测试电路需用仪器:信号发生器XFD-6型低频信号发生