语音放大电路的设计

目录TOC\o"1-3"\f\h\z\u1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工作原理 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 265.3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 305.3.3复合管功率放大电路 315.4集成功率放大电路 335.4.1LM324运放集成电路 345.4.2TDA2021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 41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面往往很广，需要高亮度的声音以传达消息，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，因而要用到信号放大器。声音信号频率低，在放大的过程中极易受到外界的干扰，又如：在打时，有时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又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音放大电路。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TDA2021等芯片。随着科技的发展与进步，从模拟及混合信号芯片，尤其是\o"放大器"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，以及软件可控等性能，将是未来各个模拟器件供应商的新产品呈现的新特点。对于某些中、低端电子产品的成本压力，使得本土的中小规模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要特点如下：(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电路很难集成在处理芯片中；(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，BiCom3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36VBipolarSiGe工艺，兼顾速度的同时也可实现高电压的应用；HPA07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工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1mV的运放。TI近期推出了一款高精度的运OPA211，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，其中包括多种可供选择型号，如OPA656，OPA657及THS4631等，他们都具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可供选择的指标，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\o"可编程"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，部分产品具有内部固定增益放大，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大器产品。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驱动器；专用精确高压侧电流检测放大器。尽管运算放大器已经出现几十年了，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本功能的形式出现，如提高运算放大器的速度、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。LTC6420-20是一种双路高速全差分ADC驱动器，具有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\o"放大器"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几个优点。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\o"电源"电源。其次，它使用较少的组件，占用\o"电路板"电路板空间较少。除了将两个通道集成到一个小型3mm×4mm封装中，LTC6420-20还含有增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时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100MHz时具有0.1dB增益匹配和0.1o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。视特定设计目标的不同，工程师们面临着很多难题，其中常常包括同时要求提高性能、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，设计师面临的挑战都不同。例如，就基于\o"传感器"传感器的应用而言，设计师常常需要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大器，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，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。\o"凌力尔特"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。SiGe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(802.11g模式)和+24dBm(802.11b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3x3QFN封装，是SiGe半导体最小的分立式功率\o"放大器"放大器。该器件的引脚顺序与SiGe半导体广获采用的SE2527L、SE2528L及SE2581L兼容，\o"电路板"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中。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日渐高涨，有助于节能的产品渐受市场欢迎。照目前的发展趋势看，无论是哪一个国家/地区、哪一个市场/板块，高能效产品都会大受客户欢迎。美国国家半导体的PowerWise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，以8MHz的单位增益带宽操作时，只耗用0.41mA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，将是未来的发展方向。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之后再经过功率放大器后经喇叭输出，其原理框图如图2.1所示。小信号输入小信号输入前置放大器有源带通滤波器功率放大器图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，它又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要的单元电路。差放电路具有抑制干扰等优良性能，通常用于集成放大电路的输入级。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差分放大电路的基本形式有差分放大电路的基本形式我们可以得出：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差模信号。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：差模信号： 3.1.2工作原理（由电路分析）结论：对差模信号较大的放大作用；对共模信号有较强的抑制作用。由图3.2知：1、共模电压放大倍数Auc2、差模电压放大倍数Aud其中：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，因而得到如下电路：图3.4长尾式差动放大电路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IE1和IE2之和,且电路对称,IE1=IE2,故由负电源和基极回路有：即：IC1=IC2=βIB1UC1=UC2=UCC-IC1RC1为集电极对地的电位。2、差模电压放大倍数：对差模信号：因此在两管中产生的信号电流方向正好相反，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的并联图3.5差模交流电路即：差分放大器的电压放大倍数与单管共射放大器的电压放大倍数一样。（2）对双端输入，单端输出：可见：单端输出的情况下：电压放大倍数约为双短输出的一半。总之，差分放大器对差模信号（即有用信号）有较大的放大作用。3、共模电压放大倍数：对共模信号：因此在两管中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+IE2）Re=2IE1Re因此可由如下电路进行分析：图3.6共模信号交流通路（1）对双端输入，双端输出：即：双端输出的情况下，仅靠电路的对称性即可完全抑制零点漂移。（2）对双端输入，单端输出：即：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Aud2、共模电压放大倍数Auc3、共模抑制比CMRR4、差模输入电阻rid5、差模输出电阻rod6、共模输入电阻ric3.4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3.7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Aud2、差模输入电阻rid3、共模输入电阻ric3.5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，所以必须设法使之Re上有较高的交流电阻，而又有不太高的直流电阻。三极管正好有这样一种性质，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，即交流电阻很大。而直流电阻（工作点处的集电极电压与集电极电流的比值）又不太大。三极管的集电极电压在很大范围内变化时，而集电极电流几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大器。2、电路形式(a)用单管电流源代替RE的差动电路；(b)电路的简化表示图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，即可推出CE之间的交流电阻的表达式：图3.9恒流源等效电路设β=80,rce=100kΩ,rbe=1kΩ,R1=R2=6kΩ,R3=5kΩ,则ro3≈4.5MΩ。用如此大的电阻作为Re,可大大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IE3即得两差分管的集电极电流为：IC1=IC2=1/2IE34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：图4.1一阶低通滤波器电路而对于RC电路，其拉氏变换为将上式带入式，，可以看到，式中分母为s的一次幂，所以称为一阶低通有源滤波电路。以取代s，且令，得出电压放大倍数为令f=0，可得通带放大倍数当f=fp时，，故fp为通带截止频率。当f>>fP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/十倍频。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大电路组成。其通带放大倍数与一阶电路相同，传递函数为：图4.2二阶低通滤波电路当C1=C2=C时，将上述表达式带入式，整理可得：用jω取代s，且令，整理得到当增益下降到中频增益的0.707倍时，可求出高频截频，即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C1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。电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。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，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电路。当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱，使电路不能产生自激振荡；当信号频率趋于无穷大时，C2的电抗趋于零，所以UP(s)趋于零。因此只要正反馈引入得当，就既可能在f=f0时使电压放大倍数数值增大，又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出，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，即AUp=1+R2/R1设C1=C2=C，节点A电流方程为：节点P电流方程为将以上两个节点方程联立求解，可得到传递函数在上式中，只有当AUp小于3时，即分母中s的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生自激振荡。s=jω，则上式为令，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f0为特征频率，而Q则称为等效品质因数，是f=f0时电压放大倍数的数值与通带放大倍数之比。令f=f0，求出电压放大倍数的数值当Q取不同的值时，将随之改变，图4.4二阶低通滤波电路的幅频响应不同Q值下的幅频响应由图4.4所示，当Q=0.707时幅频响应较平坦，而当Q>0.707时，将出现峰值，当Q=0.707且f/f0=1，；当f/f0=10时，。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高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面低通滤波器相同的分析方法，可得到得到幅频特性如图4.5所示。图4.5一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ω→∞时，输出电压与输入电压之比。对二阶压控电压源高通滤波电路来说，当ω→∞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，可得到高通电路的传递函数表达式为令，则式中的、f0和Q分别表示二阶高通滤波器的通带电压放大倍数、特征频率和等效品质因数。幅频响应曲线如图4.7可知，二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性具有对偶关系。如以f=f0为对称轴，二阶高通滤波电路的，当f<f0时，随f升高而增大，而二阶低通滤波电路的当f>f0时，则是随着f升高而减小。二阶高通滤波电路在f<<f0时，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fp2大于高通滤波器的通带截止频率fp1，则频率在fp1和fp2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。低通低通高通图4.8由低通滤波器和高通滤波器串联组成的带通滤波器二阶压控电压源带通滤波电路如图4.9所示。图中R、C组成低通网络，C1、R3组成高通网络，两者串联组成带通滤波器。设R2=R，R3=2R，则由KCL列出方程，导出带通滤波器电路的传递函数为式中AUf=1+Rf/R1，为同相比例放大电路的电压增益，同样要求AUf<3，电路才能稳定的工作。s=jω带入上式，并令，则得到上式中既是特征频率，也是带通滤波电路的中心频率。上式表明，当f=f0时，上述电路具有最大电压增益，且，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，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幅频响应如图4.10所示，可知Q值越高，通带越窄。将式带入上式，得到，可得到如下结论，改变电阻Rf、R的阻值，可以改变通带宽度，且中心频率不受影响，但是为了避免时发生自激振荡，一般取Rf<2R。图4.10二阶带通滤波电路的幅频响应示意图2．带阻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，则构成带阻滤波器，如图4.11所示。该电路可阻止fp1<f<fp2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其通过。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R1、R2、C3组成的T型网络为低通滤波电路，C1、C2、R3组成的T型网络为高通滤波电路；R3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。通常选取C1=C2=C，C3=2C，R1=R2=R，R3=R/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UP=Ui由节点方程求出传递函数为：，其中令s=j2πf带入上式，则有式中，，。如果AU0=1，则Q=0.5，增加AU0，Q将随之升高。当AU0趋近2时，Q趋向无穷大。因此，AU0愈接近2，愈大，可使带阻滤波电路的选频特性愈好，即阻断的频率范围愈窄。根据截止频率的定义，下限频率和上限频率是增益下降-3dB的频率点，通带截止频率为带阻滤波器的阻带宽度为带阻滤波器的幅频特性如图4.12所示，Q值越大，阻带宽度越窄，选择特性越好。通过改变Rf、R1的值可以改变Q的大小。为了防止时产生自激振荡，一般取Rf<R1。图4.12带阻滤波电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8dB，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，有时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。在电子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下，输出尽可能大的功率。此时，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大电路就有所区别。功率放大电路的主要特点是：1.要求输出功率尽可能大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大的幅度。转换效率要高功率放大电路实质上并非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（大功率），即输出的交流功率是由电源提供的直流功率转换而来的。通常功率放大电路输出功率大，直流电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，为了达到此目的通常还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、电压或电流过大而损坏。由功率放大电路的特点可知，其主要技术指标有两个：①输出功率PO功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输出波形基本不失真的条件下，输出功率用输出电压的有效值UO和输出电流的有效值IO乘积表示，即： 式中Uom为输出电压的峰值，Iom为输出电流的峰值。 ②效率η功率放大电路的输出功率Po与电源所提供的直流功率PV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要技术指标可知功率放大电路中的功率关系为式中PT为功率放大电路的损耗功率，由此可以看出减小功放电路的损耗功率就可以提高输出功率和效率。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θ=3600），则称为甲类工作状态，或称为甲类功率放大器，如图5.1（a）所示。2.乙类工作状态当输入信号为正弦波时，若功率晶体管仅在信号的正半个周期或负半个周期内导通（即导通角θ=1800），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1800<θ<3600），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，若功率晶体管的导通时间小于半个周期（即θ<1800），则称为丙类工作状态，或称为丙类功率放大器，如图5.1(d)所示。图5.1功率放大电路的工作状态可以证明，随着晶体管的导通角θ的减小，功率放大电路的转换效率就越来越高。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ui=0时功率放大电路的损耗）比甲乙类、乙类和丙类功放都高，所以甲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，乙类功率放大器和丙类功率放大器的效率虽然提高了，但是失真却加大了。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采用丙类功率放大器，丙类功率放大器不属于本设计介绍的内容。5.3电路的组成甲类功率放大电路用在此前所学的共射极放大电路和共集电极放大电路就可以实现，但因其效率低很少使用。乙类双电源互补对称功率放大电路（又称为OCLOutputCapacitorless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）中的晶体管VT1和VT2主要完成信号电流的放大，从而达到获得更大功率的目的，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。图5.2乙类双电源互补对称功率放大电路静态时，ui=0，由于VT1和VT2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ui≠0，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（ui>0）时，VT1导通，VT2截止，正电源供电使iC1流过负载；在输入信号负半周（ui<0）时，VT1截止，VT2导通，负电源供电使iC2流过负载。有信号时，VT1和VT2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，且工作性能对称，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双电源互补对称电路如图5.3所示，图中VT3为前置放大级，VT1和VT2组成互补对称电路。静态时，D1和D2上产生的压降可以为VT1和VT2提供一个合适的偏置电压。因为D1、D2的导通电压略大于VT1、VT2的死区电压，所以可以使VT1、VT2处于微导通状态。由于电路对称，静态时iC1=iC2，所以io=iC1-iC2=0，uo=0。有信号时，VT1和VT2轮流导通完成功率放大。该电路的缺点是，偏置电压不容易调整。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，图中VT3为前置放大级，VT1和VT2组成互补对称电路。输出端连接一个容量较大的电容C，起辅助电源的作用。电阻R3和R4向VT3提供合适的静态工作点，D1和D2使VT1和VT2工作在甲乙类状态。静态时，VT1和VT2处于微导通状态，由于电路对称，所以电容C上的电压UC=VCC/2。图5.4甲乙类单电源互补对称电路当有信号ui时，通过VT3的放大，在信号的负半周，VT1导通，VT2截止，信号被放大输出，同时电容C充电；信号的正半周，已充电的电容C起电源的作用，保证VT2导通，VT1截止，信号被放大输出，同时C通过负载RL放电。只要选择放电时间常数RLC足够大（比信号的最长周期大得多），电容C上的电压就可以基本稳定在VCC/2，起到一个电源的作用，从而替代双电源，这种电路采用了耦合电容，而没有采用耦合变压器，所以通常称为OTL(OutputTransformerLess)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，但是要注意的是原来公式中的VCC要用VCC/2代替。5.3.3复合管功率放大电路根据功率的概念p=ui，可以知道提高电压u和电流i均可以提高功率。在功率放大电路中提高电压u的方法，一般都是采用多级电压放大电路，即在功率放大电路前设计多级前置电压放大电路。而电流i的放大多采用复合管结构，两只晶体管构成的复合管如图5.5所示。图5.5两只晶体管构成的复合管以图5.5（a）为例，设VT1、VT2的电流放大系数分别为β1和β2，则当β1<<β1β2时，复合管的电流放大系数约为β≈β1β2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β≈β1β2。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，VT1是前置放大电路，用于信号电压放大。VT3、VT4和VT5、VT6构成复合管互补电路，R2、R3和VT2是给VT3、VT4和VT5、VT6提供偏置电压，使其工作在甲乙类工作状态。I为电流源为R2、R3和VT2提供偏置电流，同时作为有源负载可以提高放大倍数。R2、R3和VT2提供的偏置电压大小为图5.6复合管构成的互补功率放大电路、图5.7准互补功率放大电路其中UBE2是VT2的静态时导通电压，硅管约为0.6~0.7V。在输出功率较大的功放中，大功率管VT4和VT6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。故在实际电路中，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VT6由PNP管换成了NPN管。这样，使输出的两只功放管均为NPN型管，其特性及本对称。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。5.4.1LM324运放集成电路LM324采用14脚双列直插塑料封装。它内部包含四组形式完全相同的运算放大器如图5.8（a）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（b）所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“Ui+”、“Ui-”为两个信号输入端，“U+”、“U-”为正、负电源端，“Uo”为输出端。两个信号输入端中，Ui-为反相输入端，表示运放输出端Uo的信号与该输入端的相位相反；Ui+为同相输入端，表示运放输出端Uo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，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、一个输出端的三端符号。+－U-U+Ui+Ui-Uo+－+－LM324+－123+－4567U+U-891011121314(a)(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B5.4.2TDA2021集成功率放大器我们在本次设计中依然采用常用的TDA2021集成功率放大器，TDA2021是TDA2021的改进型，其输出功率更大，电路特点及内设的各保护电路与TDA2021相同。它适用于收音机及其它设备中作音频放大。表1集成功率放大器TDA2021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.结晶Tstg，T–40~150˚C引脚功能定义：TDA2021为5脚单引直插式，其引脚功能如下：1——同向输入2——反向输入3——地4——输出5——输入Vcc图5.9集成功率放大器TDA2021的引脚图功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。他一般直接驱动负载，带负载能力强。从能量控制的观点来看，功率放大电路实质上是能量转换电路。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功率放大电路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音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定性，经同相比例运算放大器和反向比例运算放大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TDA2021组成的功率放大电路放大信号再经过RC滤波电路去除杂波经喇叭输出。7安装调试与性能测试7.1运放的调试安装由左到右，前一部分以LM324为中心，后部分以TDA2021为中心。通电前认真检查，确定无误后，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：在两输入端加差模输入电压，测量输出电压,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。（2）在两输出端加共模输入电压，测量输入电压，算出共模放大倍数。（3）算出共模抑制比（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，观察输出有无振荡，如有振荡，采取消振措施以消除振荡。2、功率参数测试（1）测量最大输出功率输入f=1kHz的正弦输入信号，并逐渐加大输入电压幅值直至输出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或有效值，则（2）测量电源供给的平均功率近似认为电源供给整个电路的功率即为，所以在测试的同时，只要在供电回路串入一只直流电流表测出直流电源提供的平均电流，即可求出。此平均电流也就是静态电源电流。（3）计算效率（4）计算电压增益7.3系统调节经过以上对各级放大电路的局部调试之后，可以逐步扩大到整个系统的联调。1、令输入信号=0，测量输出的直流输出电压。2、输入=1kHz的正弦信号，改变幅值，用示波器观察输出电压波形的变化情况，记录输出电压最大不失真幅度所对应的输入电压的变化范围。3、输入为一定值的正弦信号，改变输入信号的频率，观察的幅值变化情况，记录下降到0.707之内的频率变化范围。4、计算总的电压放大倍数。注：元器件清单见附录A结论由于输入功率放大器的输入电压要求在100mv左右，因此放大倍数A>20，设计中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=4.7KΩ，R3=R4=10KΩ，C1=10μF。A1为LM324中的一个运算放大器。令R5=10KΩ，R6=75KΩ，则A1=1+R6/R5=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大。图中R7=R8=10KΩ,A2为LM324中的另一个运放，为了稳定电路，提高其抗干扰能力，电路设计过程中采用两个10KΩ的电阻形成比较器。由A=A1·A2得A2=A/A1=20/8.5=2.4倍，图中的R9=10KΩ，R10=30KΩ，则|A2|=R10/R9=3>2.4，则设计合理。由于线路输入信号为100mv，为功率运算放大器的输入信号范围，故电路可采用反向比例运算放大器，即|A3|=1倍。由图A3=–R10/R11,取R11=30KΩ，则|A3|=1倍。选Rp=10KΩ可调节电位器来改变输入信号大小。C3=100μF，C4=10μF，它们在电路中起到了以线路输入信号选频的作用，避免无用信号及干扰信号。混合前置放大电路输入的信号可供给功率运算放大器频率范围为50HZ～20KHZ的语音。为了提高语音的音质，应该减少输出阻抗，即可在扬声器的两端并联一个1Ω电阻和一个0.1μf的电容串联电路。另外，在直流电压电路中，可并上两个电路，形成去耦电路，以减少引入运放而产生的干扰。功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。他一般直接驱动负载，带负载能力强。从能量控制的观点来看，功率放大电路实质上是能量转换电路。主要任务为了避免各级运算器之间的相互干扰，且过滤掉放大过程中的杂波，各级之间用100μf的电容进行连接。参考文献[1]陈有卿.新颖集成电路制作精选[M].北京：人民邮电出版社，2021:55-57.[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2021:32-33.[3]何希才.传感器及其应用电路[M].北京：电子工业出版社，2021:110-111.[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2021:25-27.[5]杨素行.模拟电子技术简明教材[M].北京:高等教育出版社,2021:181-188.[6]方大千.实用电子控制电路[M].北京:国防工业出版社,2021:48-49.[7]孙建民.传感器技术[M].北京：清华大学出版社，2021:98-100.[8]康华光.数字电子技术基础[M].北京：清华电子学教研室高教出版社，1985:36.[9]吴显鼎.集成电子电子线路设计手冊[M].福州:福建科技出版社,2021:88-90.[10]赵力.语音信号处理[M].北京：机械工业出版社，2021：2-3.[11]AllanHRobbins,WilhelmCMiller.CircuitAnalysis:TheoryandPratice[M].北京：科学出版社,2021：12-13.[12Browns,VranesicZ.数字逻辑基础与Verilog设计[M].北京：机械工业出版社,1988：34-35.

.附录位置编号名称型号规格数量备注R1.R2电阻4.7KΩ2个25˚CR3.R4.R5.R7.R8.R9电阻10KΩ6个25˚CR10.R11电阻30KΩ2个25˚CR6.电阻75KΩ1个25˚CR12电阻220Ω1个25˚CR13电阻2.2Ω1个25˚CR14电阻1Ω1个25˚CRp1.Rp2电位器10KΩ2个调节音量C1.C3.C4.C5.C11.C12.C13电容10μ7个25˚C.电极正负C8.C10电容0.1μ2个25˚CC9电容100μ1个25˚C.注意电极C2电容1μ1个25˚C.注意电极A1.A4集成运算放大器LM3242个25˚CA功率放大器TDA20211个25˚CO话筒1个25˚CY扬声器3W.4Ω1个25˚C附录A语音放大电路的元件清单附录B集成运算放大器LM324的管脚图及基本参数管脚号功能管脚号功能1输出8输出2反向输入端9反向输入端3同向输入端10同向输入端4接电源正极11接电源负极5同向输入端12同向输入端6反向输入端13反向输入端7输出14输出参数名VccIccVidVicRidRoAvoKCM(dB)参数值10～362.830121