音频功率放大器的设计

1、 目录 一、 摘要二、 设计任务三、 设计要求四、 设计方案及原理分析五、 硬件单元电路的设计六、 调试一、摘要随着现代电子技术的不断发展，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。特别是半导体技术的进步，使功率放大电路向模块化、小型化、集体化的方向不断发展。一般放大电路主要用于放大信号的电压或电流，而功率放大电路则主要实现信号的放大，以便送到执行机构中去完成某种任务。功率放大电路是一种十分常用的电子电路，广泛应用于家庭影院、音响系统以及工业制造中的机械系统、电机驱动等电子系统。通常的音频功率放大多采用直接线性放大形式。如：甲、乙、丙类放大等。这些电路的优点不少，但主要缺点是效率不够高。一般<

2、;50%。在电能损耗上十分可惜。本电路介绍了一种8W音频功率放大器电路的工作原理及其电路与版图设计。二、设计任务设计并制作一个带音调控制的音频功率放大器。 图1 音频功率放大器组成框图三、设计要求1基本要求（1）输出额定功率：PO1W。（2）负载阻抗：RL=8（3）频率响应：fLfH=40Hz10KHz（4）音调控制特性：1KHz处增益为0dB，100Hz和10KHz处有±12dB的调节范围，AVL=AVH+20dB（5）输入阻抗：Ri>>20K。2发挥部分（1）具有电子混响延时功能（2）输出功率达到8W以上。四、设计方案及原理分析 根据课题的要求，该音频功率放大器可由框

3、图实现。下面主要介绍各部分电路的特点及要求。1、前置放大器 音频功率放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。声援源的种类有多种，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

4、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度相匹配。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敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100

5、V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。 前置放大器电路设计（图1） 电路分析：该前置放大器由两级放大器组成，第一级采用NE5532

6、构成电压串联负反馈电路输入阻抗较高，就相当于对前级电路开路。第二级放大器采用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，对后级电路就相当于一个恒流源，即输出电压不受后级电路阻抗的影响，从而该电路具有隔离作用，即使前后电路互不影响。第一级放大器的电压放大倍数为：；第二级放大器的电压放大倍数为：；电容C1、C3的作用是高频滤波，电容C2、C4是去耦电容，消除低频自激振荡。前置放大器的下限频率由电容C5和电阻R1决定。 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是一种双运放高性能低噪声运算放大器，电压控制范

7、围在3V20V。它能显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。其引脚功能如下： NE5532引脚图 2、音调控制电路音调控制电路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。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、低音从最强调到最弱的整个过程中，中

8、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 由于集成运算放大器具有电压增益高、输

9、入阻抗高等优点，用它制作的音频放大电路具有电路结构简单、工作稳定等优点。在如下电路图中，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，电容C3起到高音提升和衰减作用。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。 负反馈式音调电路（图2）在如上电路图中，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Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图2(a)。由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了

10、低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图2(a)电路的频率响应分析如下： 低音提升等效电路图2(a) 图2（a)所示的电压放大倍数表达式为：。化简后得：，所以该电路的转折频率为： ， 。可见当频率()时，；当频率()时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为。 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2(b)所示。由于电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图4(a)电路的频率响应分析如下： 低音衰减等效电路图2(b) 图2（b)所示的电压放大倍

11、数表达式为： 其转折频率为： ， 。可见当频率时，；当频率时,。从定性的角度来说，就是在中、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，最小增益为。在电路给定的参数下，令，。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2（c）就是工作在高音信号下的简化电路图。 上图电路可化简为： 高音等效电路图2(b) (其中R1,R2,R3为原来的3倍) 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R3支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，R3的反馈作用将忽略不计（R3可看

12、成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图2(c)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：，其转折频率为：，。当频率时，；当频率时，。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为。 高音提升等效电路2(d) 当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号得到衰减，高音衰减的等效电路如图2（e）所示。 高音衰减等效电路2(e)该电路的电压放大倍数表达式为：。其转折频率为：，。当频率时，；当频率时，。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。在电路给定的参数下，令， 。（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

13、的完整幅频特性曲线的波特图如3所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，可确定音调控制器电路的电阻及电容大小。 音调控制电路的幅频特性曲线（图三） LF356引脚图（3） 音调控制电路参数的设定： 根据设计要求音调控制在1KHz处增益为0dB，100Hz和10KHz处有±12dB的调节范围，AVL=AVH+20dB，现取AVL，AVH为+20dB。1电路结构及运放器件选择电路结构选用图2所示的负反馈式音调控制器。运放单元器件选择集成运算放大 器 LF356。工作电压在1520V，LF356的输入阻抗非常高，可达1012，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。所

14、以选择Rp1=Rp2=200k的音调调节电位器。2计算低音调节转折频率和高音调节转折频率 因为AVL，AVH分别取±20dB。，该音调控制放大器电路的最大提升和衰减量为 （dB），（dB）。所以R1=R2=R3=Rp2/9。根据图3可知，fL1、fL2、fH1、fH2为转折频率，且幅频特性是按±6dB倍频程的斜率变化的，要求在低音100Hz处的提升或衰减±12dB，所以低音调节转折频率： （Hz），（Hz）。 同理，根据高音10kHz处的提升或衰减±12dB，可得高音调节转折频率： （kHz），（kHz）。从而使在中频区1KHz处达到增益为0dB3电容及

15、电阻的选择电阻：（k）,取22k。电容：uF。当f=fH2=25.2kHz时，高音提升20dB，即（dB），所以。因为电路2(b)等效转换后R1=3R1，所以（k），取7.5k。（pF），取标称值C3=1000pF。3、功率放大器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

16、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。一、单元电路参考设计（电路图如下） 本次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达到8W以上，负载喇叭阻值为8。假设输出功率=8W。则该音频功率放大器的输出幅值（V）。当输入信号最小值为5mV时，整个放大系统的电压放大倍数为：（倍）。根据整个放大系统的电压增益来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（1

17、KHz）处的电压放大倍数取1；前置放大器的电压放大倍数取80左右（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。由于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±16V供电。二、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，而且组装、调试方便，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的外引线如图下所示。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6V18V，静态