音频功率放大器设计

1、音频功率放大器设计一、设计任务设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度W5mV,负载电阻等于8的条件下，音频功率放大器满足如下要求：1、最大输出不失真功率 Pom>8Wo2、功率放大器的频带宽度 BWR 50Hz15KHz。3、在最大输出功率下非线性失真系数w3%。4、输入阻抗Ri>100ka5、具有音调控制功能： 低音100Hz处有± 12dB的调节范围，高音10kHz处有± 12dB的调 节范围。二、设计方案分析根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图所示框图实现。下面主要介绍各部分电路的特点及要求。图1音频功率放大器组成框图1、前置放大器音频功率放

2、大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源 的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。 一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大， 功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏

3、度相匹配。前置放大器功能有两个： 一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美 化声音。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如 电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号， 在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 到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；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

4、敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100科丫几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器， 首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一 般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下， 采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器， 一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽 的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。2、音调控制电路音调控制电路

5、的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。它是利用电子线路的频率特性原理，为地改变信号中高、低频成分的比重，适时调整音色，改善音响的放音音质；满足听 者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果；补偿扬声器系统及放音场所的场所音响不足。音调的控制是对某一段频率的信号进行提升或者减，不影响其它频段。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到

6、最弱的整个过程中，中音信号(一般 指1kHz)不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音 调控制电路大多由 RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信 号，达到控制音调的目的。 音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化， 所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小， 并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。下面分析负 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由于

7、集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路 具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。其中电位器 Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容 C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2,电容C3起到高音提升和衰减作用，要求 C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2, R产R2=R3, Ci=C2, Rp1=9R1。图2负反馈式音调控制电路图在电路图2中，对于低音信号来说，由于 C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节 电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器

8、Rp2滑动端调到最左端时,Ci被短路，此时电路图 2可简化为图3(a)o由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地 提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图3(a)电路的频率响应分析如下:ViR1Rp2DO(a)低音提升等效电路图图3低音提升等效电路图及幅频响应曲线低音提升等效电路幅频响应波特图(b)后得:fL1AVf3所示的电压放大倍数表达式为:AVfRp2 RR12 二 Rp2 C2f L2AvfZ1-(一RP2 . 1 卜'C一十R2) / R1 。化简2Rp2T RR2Rp2Rp2R2R 一 -所以该电路的转折频率为:2 二(RP2 / R2)C2f T8时，Avf

9、12二R2c2。可见当频率fT0时，R_=1。从定性的角度来说，就是在中、R1高音域，增益仅取决于 R2与Ri的比值，即等于1;在低音域，增益可以得到提升，最大增3(b)所示。益为(Rp2 +R2)/R1 。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图同样当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图4(a)所示。由于所以该电路可实现低音衰减。电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数, 图4(a)电路的频率响应分析如下：该电路的电压放大倍数表达式为：AvfR2R1 - (1 LC1)/ Rp2R1R21 j .Rp。, 父J一，其转折频率为:RP21 .,(RP2 /

10、 R1 )C1fL1, f L22二RP2cl2 二(RP2/ R1)1田2 二 R1。可见当频率fT0时，AvfR2，一T；当频率R1Rp2AvfRc T 2=1。从定性的角度来说，就是在中、R1高音域，增益仅取决于 R2与R1的比值，即等于1;在低音域，增益可以得到衰减，最小增4(b)所示。益为R2/(R1 +Rp2)。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图在电路给7E的参数下，fL1 = fL1 , fL2 = fL2 。(a)低音衰减等效电路图(b)低音衰减等效电路幅频响应波特图图4低音衰减等效电路图及幅频响应曲线同理，图2电路对于高音信号来说，电容 C1、C2的容抗很小，可以认为

11、短路。调节高 音调节电位器 Rp1,即可实现对高音信号的提升或衰减。图 5 (a)就是工作在高音信号下 的简化电路图。为了便于分析，将图 中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成连接方式,R. R 一R 一 R 一如图 5(b)。其中 Ra = Ri +R3 +-,R. = R2 + R3 +-ai3b23R2RiRi R2Rc =Ri +R2 +。在假设条件 Ri=R2=R3 的条件下，Ra=Rb=Rc=3RioR3(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采用的内阻极小的电压源，那么通过支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，的反馈作用将忽略不计( 可看成开路)。当高音调节

12、电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：Avf一(1 j ,C3 R4)/ Ra二 Rb 1 . j- Jg Ra"一 Ra (1 - j -C3R4其转折频率为：12 二 Csg Ra)1，一Rb，一。当频率 f T 0时，Avf T=1 ;当频率2JIC3R4RaR. +R.f T8时，Avf T-o从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增 R4 R, R 一益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为-O高音提升R4电路的幅频响应曲线的波特图如图6(b)所示。(a)高音提升等效电路(b)高音提升等

13、效电路的幅频响应波特图图6高音提升等效电路及幅频响应曲线当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图7(a)所示。(a)高音衰减等效电路(b)高音衰减等效电路的幅频响应波特图图7高音衰减等效电路及幅频响应曲线该电路的电压放大倍数表达式为：Avf1(R4)/ RbC3RaJ 1 jC3R4。其转折频率为:Ra 1©3附 Rb)2二C3(R4 Rb)1，一一。当频率 f T 0时,2二C3R4AvfRb=1 ;当频率RaAVfR4o可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频响应曲线的波特图如图R4 Rb7(b)所示。在电路给定的参数下，fH1=fH

14、1, fH2 = fH2。(2)音调控制器的幅频特性曲线综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。图8音调控制电路的幅频响应波特图3、功率放大器利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信 号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流， 三极管的集电极电流永远是基极电流的 3倍，3是三极管的交流放大倍数， 应用这一点，若将小信号注入基极， 则集电极流过的电流会等于基极电流的3倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是

15、原先的3倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及 电压放大，就完成了功率放大。功率放大器，简称功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统 的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。 功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有 OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶体管组成的功 率

16、放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、 过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。对功放电路的了解或评价，主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑：1、为得到需要的输出功率，电路须选集电极功耗足够大的三极管，功放管的工作电流和集电极电压也较高。电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。由于电路中功放管工作状态常接近极限值，所以功放电流调整和使用时要小心，不宜超限使用。2

17、、从能耗方面考虑，功放输出的功率最终是由电源提供的，例如收音机中功放耗电要占整机的 2/3 ,因此要十分注意提高电路效率，即输出功率与耗电功率的比值。3、功放电路的输入信号已经几级放大，有足够强度，这会使功放管工作点大幅度移动，所以要求功放电路有较大的动态范围。功放管的工作点选择不当，输出会有严重失真。三、主要单元电路设计本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。首先根据输出功率的确定电源大小和整个系统的增益。因为音频功率放大器的输出功率Pom>8Wo所以音频功率放大器的输出幅值Vom *2 Pom Rl =d2 .8父8 =11.3 (V)。当输入信号最小值为 5mV时，整个放大系统的

18、电压放大倍数为：AV =V0M V. =11 .3" x10 " = 2260 (倍)，即 20 1g 2260 = 67(dB)。根据整个放大系统的电压增益，合理分配各级单元电路的增益。功率放大器级(采用集成功放)电压放大倍数取30倍；音调控制器放大器在中频(1KHz)处的电压放大倍数取1;前置放大器的电压放大倍数取80 (考虑到实际电路中有衰减)。音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。如上所述，该系 统的输出信号幅值为 11.3V,从提高效率的角度考虑，电源电压越接近11.3V越好，但这样输出信号的失真将增大；从减小失真的角度考虑，可适当的提高电

19、源电压。综合考虑，音频功率放大器整个系统的电源电压采用土15V供电。1、前置放大器电路根据音频信号的特点，前置放大器选择由NE5532集成运算放大器构成的电压放大器完成。NE5532在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具有优异的指标，由它组成的电压放大器可以很好的满足设计要求，电路如图9所示。前置放大器有两级放大器组成，第一级采用NE5532构成的电压串联负反馈电路，具有输入阻抗高的特点。第二放大器采用NE5532组成的电压并联负反馈电路，该电路具有输出电阻小、抗共模干扰信号强的特点。第一级放大 R。47器的电压放大倍数为：1+=1+=5.7;第二级放大器的电压放大倍数为： R210r5-5-2

20、0 ；电容C5、C6的作用是局频滤波，电容C3、C4是去耦电容，消除低频自激R4振荡。前置放大器的下限频率由电容C1和电阻R1决定。图9前置级放大器电路图2、音调控制器电路该音频功率放大系统的音调控制电路的控制特性要求为：低音在100Hz时为土 12dB,高音在10kHz时为土 12dB。设计满足要求音调控制器的一般步骤为：(1) 选择电路结构和放大单元器件电路结构选用图2所示的负反馈式音调控制器。放大单元器件选择集成运算放大器LF356。LF356的输入阻抗非常高，可达 1012 Q,可以很好地满足控制特性要求，只需采用 小容量电容器即可。(2) 计算低音调节转折频率和高音调节转折频率根据R

21、pi=Rp2=9Ri的条件，该首调控制放大器电路的最大提升和最减量为:.Rp2R220 lg = 20Ri，一、,Ri，一、(dB) ,20 1g 1= _20(dB)。根据图 可知，hi、f_2、，H1、，H2为转折频率, 已知要求在低音100Hz处的提升或衰减土/2022 6= 39.68 ( Hz),同理，根据高音10kHz处的提升或衰减土/12 _02 6 =2.5 (kHz),且幅频特性是按土6dB/倍频程的斜率变化的。12dB,所以低音调节转折频率：12 _0f L2 =100 M 2 6 = 400 ( Hz)。12dB,可得高音调节转折频率：2012_36-fH 2 =10 M

22、 10 M2= 25 .2 (kHz)。RP2 R2(3) 音调调节电位器选择因为LF356集成运算放大器的输入阻抗很高，电位器Rp72的阻值可适当高一些。现选 Rp1=Rp2=200k Qo(4) 低、高音调整电容及电阻的选择一 一11C1 =C2 = =3 & 0.02 ( F),可米用两个 0.01 pF 电2 二fL1Rp22 二 39.6820010容并联。电阻 R1 = R2 = R3 = RP 2 /9 = 200 /9 2 22 .22 (k Q),选标称值 22k QoR. R- R. R.当 f=f H2=25.2kHz 时，高音提升 20dB,即 20 lg =2

23、0 (dB),所以=10。R4R4因为 Ra=3R1,所以 R4 =3R1/9 =3父22/9 =7.3 (kQ),取标称值 7.5k Q(pF),取标称值 C3=1000pF。1 1C二二, 8403332 rfH 2R42 二 25.2 107.5 10最后设计好的音调控制器电路如图10所示。R1200k QRp2R222kC1C2I= 22kV01 c-1uFHF-0.02uF-III R3 0.02uF 22kR47.5kC3_ 1000pFT+ 15VLF356-15VVo2Rp1 200k图10音调控制电路图3、功率放大器电路采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组

24、装、调试方便，成本低廉，所以本设计选用集成功放实现。目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取SGS公司生产的TDA2030/2030A集成功放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热 保护，外围电路简单，可以作 OTL使用，也可作 OCL使用。TDA2030/2030A的外引线如图11所示。1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4脚 为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。电路特点是引脚和外接元件少。其主要特点为： 电源电压范围为6VJ8V,静态电流小于60M,频响为10Hz 140kHz，谐波失真小于0.5,TDA20301 2 3 4 5图12 TDA2030组成的OCL功率放大器电路

25、在Vcc = 414V, Rl=4。时，输出功率为14W。在8Q负载上的输出功率为 9W。Ykt 'hrU -Vs u +Vs 同反输相相出输输端图 11 TDA2030管脚图入入由TDA2030/2030A 构成的 OCL功率放大器电路如图12所示。该电路由 TDA2030 组 R,22成的负反馈电路，其交流电压放大倍数AVf =1 +=1 + 之33 （倍），满足设计要R20.68求。二极管Di、D2起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。甩、C2组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容Ci是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。电容 C3、C6是低频旁

26、路电容，电容 C5、C4是高频旁路电容。电位器Rp是音量调节电位器。如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，我们还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。然而这乃是在用高投入成本来获得实际效果增加不多的笨蛋干 法。事实上，当人们把功率放大器的输出功率制做得很巨大时，它也成为中高音单元喇叭的致命杀手！而且使用级后分频方式， 在使用到高中低三个单元喇叭的情况下就开始明显表现 不佳，级后分频方式仅能在二分频情况下表现得比较良好。只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，我们才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果。

27、四、音频功率放大器的调试1、在安装电子电路前，应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项， 同时测量电子元件的好坏。2、画出每个单元电路的电路原理图和连线图；画出整个电子系统的原理图。3、前置放大器调试。安装电路时注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反。同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值； 然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象，同时测量前置放大器的噪声输出大小。加入幅值5mV、频率1000Hz的交流正弦波信号 （注意5mV信号可以通过一个10k和100 组成的衰减网络得到），测 量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。改变输入正

28、弦波信号的频率，测试前置放大器的频带宽度。4、音调控制器调试。（1 ）首先进行静态测试，方法同上。（2）中频特性测试。将一频率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器的输出。（ 3）低音提升和衰减特性测试。将电位器RP1 滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从20Hz1kHz 连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响应特性曲线。（4）高音提升和衰减特性测试。将电位器RP2 滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从2kHz30kHz 连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响应特性曲线。（ 5） 最后画出音调特

29、性曲线，并验证是否满足设计要求并修改。5、功率放大器测试：（ 1 ）通电观察。接通电源后，先不要急于测试，首先观察功放电路是否有冒烟、发烫等现象。若有，应迅速切断电源，重新检查电路，排除故障。（2）静态测试。将功率放大器的输入信号接地，测量输出端对地的电位应为0V 左右，电源提供的静态电流一般为几十mA 左右。若不符合要求，应仔细检查外围元件及接线是否有误；若无误，可考虑更换集成功放器件。（3）动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电阻Rl（代替扬声器）条件下，功率放大器输入端加入频率等于1kHz 的正弦波信号，调节输入信号的大小，观察输出信号的波形。若输出波形变粗或带有毛刺，则说明电路发生

30、自激振荡，应尝试改变外接电路的分布参数，直至自激振荡消除。然后逐渐增大输入电压，观察测量输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。改变输入信号的频率，测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满足设计要求。6、整机联调。将每个单元电路互相级联，进行系统调试。（ 1 ）最大不失真功率测量。将频率等于1kHz， 幅值等于5mV 的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端，观察其输出端的波形有无自激振荡和失真，测量输出最大不失真电压幅度，计算最大不失真输出功率。（ 2）音频功率放大器频率响应测量。将音调调节电位器RP1、 RP2 调在中间位置，输入信号保持5mV 不变，改变输入信号的频率，测量音频功率放大器的上、下限频率。（3）音频功率放大器噪声电压测量