学年论文李福

1、本科学年论文.题目：音频放大器的设计院系 电子信息工程学院专业名称 自 动 化年 级 2008 级学生姓名 胡冰冰学 号 00829013指导教师 周润景日 期 2010-9-05音频放大器设计设计摘要：音频功率放大器是音响设备的重要组成部分，其作用是将传声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器件，使得原声重现。本次设计在仿真软件的基础上，设计一个简单的音频放大器，将小的音频信号放大，并在一定的范围内将信号输出。电路的设计包括直流稳压源，前置放大器，主放大器，扬声器几个部分组成，其中直流稳压源输出为±15V的稳定电压，为整个电路提供稳定的能量，功率放大

2、电路的前级部分是对输入信号进行协调处理、起前置放大作用、并执行音色调控工作的电路，其中的输入级基本上都用运放作前置单元，音调控制部分则有负反馈式和衰减式之分。从音色调控的效果上看，均衡器的控制范围和补偿效果都是最佳的，因此，功率放大器的前级电路最好采用均衡器电路形式进行设计。所有的电路设计，调试及完成都在仿真软件上进行，最后完成电路板的焊接。关键词：稳压源 放大器 功率放大器 Title: Audio Amplifier DesignAuthor ：胡冰冰Tutor :周润景Design Summary:Audio power amplifier is an important compone

3、nt of audio equipment, its role is to get the microphone pieces of the weak signal amplification sufficient strength to drive speakers burst into the system, or other electro-acoustic devices, making acoustic reproduce. The design based on the simulation software to design a simple audio amplifier,

4、the small audio signal amplification, and within a certain range of signal output. Circuit design including DC source, pre-amplifier, main amplifier, speakers of several components, including DC source output stable voltage of ± 15V for the entire circuit to provide a stable energy level before

5、 the power amplifier circuit part is to coordinate the input signal processing, from pre-amplification and the implementation of sound regulation and control circuit, in which the input stage are basically used for pre-op-amp unit, tone control section there are negative feedback type and attenuatio

6、n type of points. From the sound effects of regulation and control perspective, the EQ control range and compensation effects are the best, so the first stage power amplifier circuit preferably in the form of a balanced circuit design. All the circuit design, commissioning and completion of all the

7、simulation software with the final completion of the circuit board welding.Keywords:regulators source， amplifier ，power amplifier目录第一章 绪论1.1设计目的及意义·························

8、83;·41.2音频放大器的发展历程···························41.3音频放大器的分类·················&

9、#183;·········51.4设计的思路及方法···························61.5音频放大器设计的前后级问题········&#

10、183;··················7第二章 音频放大器设计及仿真2.1前置放大器···························8原理

11、图设计···························8前置放大器的仿真分析····················

12、3;······102.2二级放大电路原理图设计···························15音频放大器二级放大电路分析···········

13、83;···············162.3音频放大器的分析原理图设计···························19音频放大器的仿真分析··

14、83;························20第三章 直流稳压源的设计 3.1原理图设计·····················

15、3;·····223.2对稳压源的输入、输出进行仿真分析···························23结论及致谢·············

16、··············24参考文献···························25附录A·······&

17、#183;···················26第一章 绪论11设计目的及意义随着科学技术的不断发展，各类电子产品及音响越来越重视声音的效果。在日常生活中，我们可以通过无线电广播、唱片或录音带等方式来欣赏音乐。随着电子产品的不断发展，我们欣赏音乐的方式也在不断变化中，但随之而来的是对音响效果的要求提高了。这就要求要有更好的设备来实现人们的需求。音频放大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

18、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。通过音频放大电路的设计，一方面巩固和加强了自己在电路设计方面的知识，从而为以后的学习和工作做好铺垫。另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及学习运用所学知识来处理一些与其相关的实际问题。这个过程将有益于我们学习其它理论知识和提高我们利用理论知识解决实际问题的能力。12音频放大器的发展历程音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后

19、，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL（Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output CapacitorLess）”放大器等。直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：较成

20、功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路；成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。 在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。13音频放大器的分类传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：（1）数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现；（2）利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B

21、类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。音频放大器分类如下：A类放大器A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。B类放大器B类放大器的主要特点是：放大器的静

22、态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出正半周正弦波；同理，当Vi在负半周期内输出负半周正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。即当信号在-0.6V0.6V之间时，Q1,Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。AB类放大器AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。D类放大器D类(数字音频

23、功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去是一个一比特的功率数模变换器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号。A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管

24、导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。14本设计思路及方法 设计主要由两大块组成，即直流稳压源和音频放大器。音频放大器又包括：前置放大电路、二级放大电路和功率放大电路。为了满足输出功率POR2W的要求，需要电路有较高的放大倍数。本设计前置放大电路放大倍数约为20倍，二级放大电路放大倍数为30倍，即在功率放大器的输入端，电压被放大了600倍左右，这是保证输出功率大于2W的前提条件。第三级功率放大电路主要是对功率进行放大。电路设计时使

25、用了两个电位器，它们的作用是用来调节输出功率的。设计过程中利用Proteus对没一级放大电路进行仿真，包括：输入输出分析、频率特性分析、噪声分析、失真分析和傅立叶分析等。此外本设计采用了OP07型集成运放，它是一种高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大。直流稳压源的设计要求提供15V的稳定电压，设计采用桥式整流电路，并采用集成稳压块L7815和L7915，分别用于稳定正15V电压和负15V电压。1.5音频放大器设计的前后级问题：前级设计问题：功率放大电路的前级部分是对输入信号进行协调处理、起前置放大作用、并执行音色调控工作的电路，纵观现在功放的前级电路，其中的输入级基本上都用运

26、放作前置单元，音调控制部分则有负反馈式和衰减式之分。从音色调控的效果上看，均衡器的控制范围和补偿效果都是最佳的，因此，功率放大器的前级电路最好采用均衡器电路形式进行设计。由于各种信号源的强度不一，所以必须在功能转换之前协调处理好各种信号的强度输入，对过强的信号进行适当的衰减，对太弱的信号采取必要的放大措施。后级设计问题：从功率放大电路发展的历史来看，先有了电子管放大器，再有晶体管放大器，最后出现了集成电路放大器，从功率放大器这个特定的适用范围来讲，集成电路功率放大器是比较适合家庭放音需要的功放设计模式，这也是未来功率放大器发展的必然趋势。对于本设计来说如何设计一个好的功率放大电路是非常重要的。

27、集成运算放大器的选择问题：集成运放的选择主要由以下技术指标决定：信号源的性质、负载的性质、精度要求、以及环境条件等。从性能价格比方面考虑，应尽量采用通用型运放，本设计根据需要选择的是OP07型集成运放，OP07是高精度第失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果用双电源则能达到最好的放大效果。其主要是由于它的性能指标较好。在最后的PCB制版过程中，我们选用了LF347。LF347是一种场效应管与双极性管兼容的单片四运放,具有高输入阻抗,高速的性能,具有内部失调电压调节,低失调电流、低谐波失真、低噪声等特点,可广泛应用于高速积分、快速D/A转换、采样/保持电路及一般放大电路中。第二章

28、音频放大器的设计与仿真音频放大器的设计音频放大器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声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扬声器或其他电声器件，使原声响重现。一个音频放大器一般包括以下几部分：信号源前置放大器主放大器放声器 声频放大器 图2.1设计要求：在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（510mv），等效负载电阻RL为8欧姆的条件下，放大通道需满足：l 额定输出功率POR2W；l 带宽BW(5010000Hz);l 在POR下和BW内的非线性失真系数3%；l 在POR下的效率55%;l 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8欧姆上的交流声功率10mW。2.1前置放大器2.1

29、.1原理图设计根据要求，前置级输入阻抗应当较高，输出阻抗应当较低，由较高的共模抑制比，较低的漂移。原理图如下：由图可知道该前置放大电路的放大倍数为AV1=R3/R1=20。C1为隔直流电容。C1为隔直流电容，由虚断虚断得到前置放大电路的放大倍数为A=R3/R1=20倍2.1.2前置放大器的仿真分析将正弦信号源（10mv，50Hz）与前置放大电路输入端相连，图如上。（1） 电路的输入与输出分析从图形可以看出当系统的信号电压值为-9.97mv时，输出信号的对应电压值为209mv,即系统的电压放大倍数为20，与理论值接近，而统为反向放大电路。（2） 电路的频率响应分析从图形可以看出来系统的最大频率曾

30、以为26.0dB，可得截止频率增益26*0.70718.4Db。看出来系统的高频带范围为1062.9kHz。（3） 系统的噪声分析可以看出来系统在1k10khz范围内的噪声范围为512542nV/Hz。而我们知道放大器的噪声一般来自高频自激振荡，要消除电路中的噪声，我们可以阻止器件间产生自激振荡。（4） 电路失真分析从上图知50Hz二次谐波增益-148 ,10kHz三次谐波增益-16.9。.（5） 电路的傅里叶分析二次三次失真度D约为0.1%。修改后三次由以上的数字知道改变后系统的失真度约为0.1%。2.2二级放大电路原理图设计：音频放大器二级放大电路用于进一步对输入信号节能型放大，并进行适当

31、的音色处理，根据要求，原理图设计如下：音频放大器二级放大电路分析由图可知，放大倍数为R6/R5=30。设置输入信号幅值为200mv，频率为100Hz，并添加输出电压探针。（1） 电路的输入输出分析由上图知放大倍数为A=6.00/200m=30，从图表中可以看到，输入信号为100Hz时电路对输入信号进行了反向放大，并且输出发生了相位偏移。（2）电路频率响应特性分析对电路进行频响分析得下图由图知电路最大增益为29.5db，从而可得截止频率增益为29.5×0.707=20.86db。在图上找到20.86db的两点可以得到通频带。从图上可以得到通频带为15.048.9kHz（3）噪声分析对系

32、统进行噪声分析得下图由以上的分析得到统在50-10kHz范围内噪声范围是648n-667n。（4）电路失真分析对电路进行失真分析得下图从上图知50Hz二次谐波增益-142,10kHz二次谐波增益-38.5。从上图知50Hz三次谐波增益-109, 10kHz三次谐波增益26.9（6） 电路傅里叶分析从上图知基波幅度5.59v进行二次三次谐波测量得下图从上图知二次谐波幅度19.9m，三次谐波幅度2.49v。由此可知失真度为D=0.22.3音频放大器的分析：将设计好的前置放大电路、二级放大电路、功率放大电路连接在一起，得到完整的音频放大器原理图。2.3.1原理图如下输入信号5mv，1kHz进行以下分

33、析1. 电路输入输出特性分析2.由上图知输入为5mv时输出为4.01v，可得电压放大倍数 Au=4.01/5m=800倍。2.功率分析对电路输入输出功率进行分析得下图由分析知道当输入为5mv时候，输出时候的功率为3.44w，满足所要求的输出功率大于2W。3频率分析对电路进行频率分析得到下图：由上图知最大输出为60.4，因此截止频率处的输出值为60.4*0.70742.7所以可得到下限截止频率为10Hz上限截止频率61.6kHz，所以得到通频带10-61.6kHz。3. 噪声分析对电路进行噪声分析得到下面图形从上图知道10.1khz噪声15.8u 49.8khz时噪声18.9u第三章：直流稳压源的设计在实验中需要正、负15V的稳压电源以满足负载的需求。在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一能量来源，稳压