音频功率放大电路设计

电子技术课程设计设计题目： 音频功率放大电路设计专 业： xxxxxxxxxxxxxxxxxx学生姓名:xx 学 号:起止日期: 2012年1月1日～2012年1月指导教师: x x

12日音频功率放大电路设计音频功率放大电路设计摘要：结合实际设计了一种音频功率放大电路。该电路由前置放大电路、衰减式RC音调控制电路、功率放大电路组成。为了验证电路的可行性利用Multisim软件进行了仿真，并进行了系统的安装。该电路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。关键词：音频功率放大；衰减式 RC音调控制电路；MultisimAudiopoweramplifiercircuitdesignAbstract:combinedwiththeactualdesignofanaudiopoweramplifyingcircuit.Thecircuitcomposedofapre-amplifiercircuit,attenuationtypetonecontrolcircuit,apoweramplifyingcircuit.InordertoverifythefeasibilityoftheuseofMultisimsoftwareofcircuitsimulation,andtheinstallationofthesystem.Thecircuitusedtobringthefaintsoundelectricalsignalisamplified,toobtainenoughoutputpowertodrivealoudspeaker.Keywords:audiopoweramplifier;attenuationtypetonecontrolcircuit;Multisim2/20音频功率放大电路设计目录1.42.43.53.153.253.3114.114.1114.2125.136.186.186.187.198209203/20音频功率放大电路设计1.设计课题的要求和实现方法设计并制作一音频功率放大电路，具体要求如下：（１） 功率放大电路能够提供 10倍的电压增益；（２） 功率放大电路的下限频率小于 100Hz，上限频率大于 10KHz;（３） 在负载电阻为 8 的情况下，输出功率 ≥1W；（４） 功率放大电路效率大于 50%；（５） 输出信号无明显失真；（６） 输入电阻：600 。音频放大器主要用来对音频信号(频率范围大约为数十赫兹至数十千赫兹)进行放大，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。它应具有以下几方面功能。(1)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。(2)具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，负载能力强。(3)非线性失真和频率失真要小 (高保真)。(4)能对输入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)，即具有音调控制能力。2.系统的设计方案制定系统总体设计方案时应注重安全性、 稳定性、性价比、集成和分立元件相结合、设计中用到的元器件易购买等问题。系统的总体设计方案如图一所示，主要由前置放大电路、衰减式RC音调控制电路、功率放大电路组成。前级 音频 输出电路 功放 声音图1设计流程图音频功率放大器实际上就是对音频信号进行放大， 使其功率增加，然后输出。前置放大主要完成对小信号的放大， 使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大， 得到后一级所需要的输入。 后一级主要对音频进行功率放大， 使其能够驱动电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出适当安排， 确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计 。4/20音频功率放大电路设计图2音频放大器完整电路图2为由集成运算放大器uA741、晶体管、衰减式RC音调控制电路及外围元件组成的音频功率放大电路。该电路由12V双电源供电，属于OCL功率放大电路。3.电路的工作原理3.1音频功率放大电路音频功率放大电路的输入信号电压， 易产生输出信号失真。 所以，音频信号经过电位器RW1分压后引入到集成运算放大器的同相输入端， 进行电压信号的放大和抑制零点漂移。 之后经D1，D2,R 和Q1~Q4组成的复合式互补对称电路，进行信号的调整和放大电流，W3，最终推动扬声器发出声音。同时，将部分信号经电位器RW2和电阻R1，R2引入到运算放大器的反相输入端。该电路扮演双重角色：一方面够成了电压串联负反馈，起到稳定输出电压、提高输入电阻的作用；另一方面与集成运算放大器相结合构成同相比例运算电路，其功率放大的电压增益为：UoR3RW2Au=1UiR2调整电位器RW2和电阻参数，可以改变放大电路的电压增益Au。3.2音调控制电路衰减式音调控制电路如图3所示。电路中的元件参数满足下列关系：C1和C2容量远小于C3和C4，电位器Rw1和Rw2的阻值远大于R1和R2的阻值。根据放大电路频率特性的分析方法，下面分成3个频段来讨论。5/20音频功率放大电路设计中频区此时C3和C4可视为短路，而 C1和C2可视为开路，简化等效电路如图4所示。此时电路为开路，简化为 。此时电路的传输系数为AM UO=R2Ui R1 R2可见，中频区输入信号是按固定比例有衰减地传输过去。低音区因为信号频率较低，c1和C2仍可看成开路，但C3和c4不能再看成为短路，等效电路如图所示。此时，根据Rw2滑动端所处位置的不同，输出电压Uo也不同。①Rw2滑动端在最上端时，对应的等效电路如图6(a)所示。电路的电压传输系数为RW2R2jC4RW21UOjC4=?L=RW2UiR1R2jC41R2jC4R21RW2jRW2C4R2=R2RW2R11jRW2C4R1R2RW2jRW2C4R2R2R1R2RW2jRW2C4R1R2=1jR2C4(R1R2)C41j1j=L21jL1式中1，1L1L2R2)C4(R1R2C4ＡＬ的幅值为6/20音频功率放大电路设计1 ( )2L2AL1 ( )2L1(a)

(b)图6Rw2动端处于最上端时的等效电路和幅频特性当信号频率较高(接近中频区)，满足L1和L2时，则ＡＬ≈L1/L2=R2即R1R2为上述中频区的电压传输系数。如果信号频率很低，满足L1和L2时，则由于叫/L1和叫/L2均远小于1，使AL≈1，表明此时信号几乎没有衰减地传递到输出端，故在此频率范围的信号电压相对于中频区提高了（R2）（1R1）。R2R1R2当信号频率处于?L1<?<?L2范围时，电路的传输系数随着频率的降低而逐渐增大，其变化的频率近似于一6dB／倍频程。RW2动端在最上端时的低频区电压传输系数和频率的关系(幅频特性)如图6(b)所示，该图是用折线代替曲线的近似画法。由图可看出低音区的电压信号相对于中频区而言得到了提升(增强)的效果，其中频率?L2为低音开始提升的转折频率，?L1为由提升转入平坦时的转折频率，在低频区电压信号提升的最大值为20lgR1R2dBR1②当把电位器RW2滑动端移动到最下端时，其等效电路如图7(a)所示，它构成了低音衰减电路。此时输出电压为UOUi=R2。ＸR1R2(RW2//ＸC3)式中：——电位器ＲＷ２与电容Ｃ并联支路的阻抗。RW2//C33(a) (b)图7Rw2动端处于最下端时的等效电路和幅频特性7/20音频功率放大电路设计当频率?降低时，XC3增大，则RW2∥XC3增大，从而使输出电压减小，即低音受到衰减。同样可以写出该电路的电压传输系数，其值为ALUoR2UiRW2/jC3R1R2RW21jC3R21jRW2C3R1R21RW2jRW2C3R2R1R21jRW2C3R1R2RW2jRW2C3R1R2R21jRW2C3RW21j(R1R2)C3R21j1RW21j2式中1RW2C3,21R2)C31(R1R21(/1)2则AL1(/2)2RW2当信号频率较高(接近中频区)，满足1和2时，则ALR22R2，即为上述中频区的电压传输系数。RW2R11R2当信号频率很低(0时)，ALR2，即20lgAL20lgR2dB，相对于中频RW2RW2区的电压信号衰减了20lgR2R220lgR220lgRW2dB。R1RW2R1R2在信号频率处于?1??2范围时，电路的传输系数随着频率的减小而降低，其幅频特性如图7(b)所示，可见在低音区的电压信号相对于中音区产生了衰减，图中1?22(R1 R2)C3式中，?2——信号开始衰减时的转折频率，而1?12 RW2C3式中，?1——由衰减转变到平坦时的转折频率，衰减段的斜率为 -6dB／倍频程。(3)高音区信号在高频率区， 电容C3和C4都可看成短路，简化电路如图 8所示。此时，根据RW18/20音频功率放大电路设计滑动端的位置即可确定所对位输出电压的大小。①滑动端移至最上端时，由于RW1R2，Rw1和C2支路可视为开路，于是简化电路如图9(a)所示。可得，UoR2UiR2Z1式中，Z1R//1，随着频率?的升高，C1容抗下降，Z1减小，Uo增大，即高频jC1C1可看成短路，Z1≈0，于是Uo≈U,输出达信号被提升。当频率上身到某一频率时，电容i到最大值。该等效电路的传输系数为AHUoR2Ui1R1jC1R2R11jC1R21jR1C1R1R21jR1R2C1R1R2R21jH1R1R21jH2式中1，1C1H1H2R1//R2R1C1所以R21(H1)2HAR1R21(H2)2若信号频率较低(接近中频区)，满足H1和H2时，则和均1，于是H1H2AH≈ R2 为中频区的电压传输系数。R1 R2(a) (b)图9电位器RW1动端在最上面时的等效电路和幅频特性9/20音频功率放大电路设计若信号频率很高，满足H1和H2时，则和均1，于是AH≈H1H2AHR2H2=1，此时几乎全部输入信号都传递到输出端，表明在高音区的电压被R1R2H1提升的最大范围为20lgR1R2dB。R2当信号频率处于?H1??H2范围时，随着频率的增加使电路的传输系数也增大，其幅频特性如图9(b)所示。可见，高音电压信号得到提升。图中?H1=1为高音开始提2R1C1升的频率，?H216dB／倍频程。=为由提升进入平坦的频率，提升段斜率为2(R1//R2)C1②当电位器Rw1。滑动端移至最下端时，简化的等效电路如图10(a)所示，输出电压为UoZ2Z21Z2R2//R1jC2(a)图10R(b)动端移到最下端时的等效电路和幅频特性w1随着电压信号频率?的增加，电容C2容抗减小，则Z2减小，于是输出电压Uo减小，使高频信号被衰减。对应的电压传输系数为AHUo=R21R2C2UiR1R21+jR1R1R2R21R1 R21jH1式中1H1(R1//R2)C2所以R2 1R1 R2 1 ( )2H1同样可以画出电路传输系数的幅频特性，见图 10(b)。可见，随着信号频率的增大，输10/20音频功率放大电路设计出信号衰减量愈来愈大，获得高音衰减的效果，图中为?H112(R1高音开始衰减//R2)C2的转折频率。综合上述高、低音的提升和衰减特性，并使电路参数选择合适(H1H1,L22,L11)，就形成了如图11所示的高低音提升和衰减曲线，图中的两条曲线是在Rw1和Rw2滑动端处于某个极限端的情况，当调节Rw1或Rw2时，幅频特性将在两条线之间变化。图11高低音提升衰减曲线3.3其他电路和元器件的说明（1）集成运算放大器 uA741的内部结构由输入级（采用差分放大电路来抑制温漂） 、中间级（采用复合管组成的共射放大电路来提高信号的电压放大倍数） 、输出级（互补功率放大）和偏置电路组成 .该设计中利用集成运算放大器提高电路的驱动能力 .（2）通过，，Q1和Q3发射极的内电场，使得D1D2,RW3上的导通压降来抵消晶体管静态情况下这两个晶体管处于临界导通状态，消除交越失真.（3）晶体管构Q1和Q3成了乙类互补功率放大电路Q1,Q2和Q3，Q4构成了复合管（也称达林顿管），提高晶体管的电流放大倍数，加大输出推动功率.在正弦交流信号的一个周期内Q1和Q3各导通半个周期，即信号的正半周内Q1导通而Q3截止；在信号的负半周内Q3导通而Q1截止，进行信号的放大。（4）R6，R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性。R8，R9为直流负反馈电阻，改善功率放大电路的性能。R10，R11为平衡电阻，使Q1,Q3的输出对称.R12,C3构成消振网络，可使输出等效负载呈阻性，消除输出负载端的高频自激。元件参数计算说明4.1衰减式音调控制电路的计算（1）确定转折频率因为通频带为 fL～fH，所以两个转折频率分别为fL2fLfH2fH又因为在fL1～fL2和fH1～fH2之间，高低音提升，衰减曲线按±6dB／倍频程的斜率11/20音频功率放大电路设计变化，所以根据低频 fLX处和高频 fHX处的提升量，即可求出所需要的另外两个转折频率 fL1和fH1。fL1 fLX 2提升量/6fHXfH1 2提升量/6（2）确定电位器RW2和RW3的数值因为运放的输入阻抗很高 (一般大于500k?)，又要求RW3和Rw2的阻值远大于 R1和R2的阻值，同时还要满足提升和衰减量的要求，所以电位器 RW1、Rw2的阻值应选取得较大，通常为100～500k?范围。（3）计算阻容元件值由前面分析得到的各转折频率的表达式可计算出音调控制电路中的阻容元件值。C512RW2fL1C6fL2C3fL1R1412C4fL2R131R142C4fL1C312R1fL1C412(R1//R2)fH1由以上公式在通频带20Hz～20KHz范围下取R14＝3k?，R13＝30ｋ?，C40.001F，C3220PF，C50.01F，C60.1F。4.2整机电压增益整机电压增益为Aum Uo/Ui式中，输入电压Ui由技术指标给出，输出电压要根据额定输出功率 Po和负载电阻RL求出Ro=Uo2/RL(Uo为有效值)所以输出电压为Uo=PoRL于是可以求得整机的总电压增益Aum。设音调控制电路电压增益和功率放大电路电压增益分别为Au,Aum2，则Aum=AuAum2式中Aum2为音调控制电路的衰减量，Aum2R14R3RW2。=。Au=1R2R13R1412/20音频功率放大电路设计本设计中Aum10时，在输入电压幅值为1V的情况下输出功率Po远大于1W。因此取R3=10k?，R2=1k?。在模拟电路中乙类互补功率放大电路的效率约为 78.5%，本设计中负载电阻为 8?，为以较小的理想值，因此满足功率放大电路效率大于 50%的要求。仿真分析利用multisim计算机辅助分析软件，对音频功率放大电路进行仿真，确定该方案的正确性和可行性.通过仿真结果和理论推导，反复调整电路的参数，使信号的输出达到最佳效果.再通过现场试验，最后确定各元器件的具体参数和型号。图12没加音调控制电路的音频放大电路仿真电路13/20音频功率放大电路设计图13没加音调控制电路的音频放大电路仿真电路输入输出波形31从输入输出波形可看出 Aum =17.2。14/20音频功率放大电路设计图14没加音调控制电路的音频放大电路仿真电路幅频特性曲线图15没加音调控制电路的音频放大电路仿真电路相频特性曲线图16没加音调控制电路的音频放大电路 PCB图15/20音频功率放大电路设计图17 音频放大电路完整电路仿真图从输入输出波形可看出加入音调控制电路后 Aum显著增加。从相频特性曲线和幅频特性曲线看出加入音调控制电路后Aum幅值在同样频率时显著增加，并且在较大频率范围内输入输出信号相位偏差趋近于0。16/20音频功率放大电路设计图17音频放大电路完整电路仿真图输入输出波形图18音频放大电路完整电路仿真图幅频相频特性曲线17/20音频功率放大电路设计6.元器件的焊接和系统调试6.１元器件的焊接根据原理图和各功能模块布置好印刷电路板，摆放好元器件，焊好各元器件的管脚.特别要注意集成运算放大器、晶体管、整流桥、集成稳压器等各元器件管脚的正确连接，系统调试如下：（1）用万用表测试直流电源正、负两端的输出电压，确认达到±12V时，方可作为音频功率放大电路和音频信号发生模块的输入电压；（2）安装电路时，首先将音频功率放大电路中的电位器阻值调为零.当调整输出级RW3，静态工作电流或输出波形出现交越失真时，逐渐增大其阻值.否则静态时，因阻值较RW3，大造成通过复合管的电流过大损坏晶体管；（3）音频功率放大电路的静态工作点主要由电阻R4的电流Io来决定.如果Io过小，会使晶体管Q2,Q4工作在乙类状态，输出信号出现交越失真；如果Io过大，会增加静态功耗，使音频功率放大电路的效率降低。multisim仿真时,用数字万用表测R4得电流发现Io为1~3mA时，Q2,Q4工作在甲乙类工作状态。6.２调试要点整机装配完毕以后，要进行如下的检查和调试工作。1．电路检查检查电路元件焊接是否正确、可靠，注意检查元件连接是否有虚焊和短路，查看运放和晶体管引脚是否接对，注意电解电容极性不能接反。检查电源电压是否符合要求，正负电源方向要正确，数值要对称。2．检查静态(1)负载(RL)开路，接通电源，粗测各级静态情况。①用万用表直流电压挡检查正负电源电压是否加上。②逐级检查各级状态：测量各晶体管UBE和UCE，UBE=0和UCE=0均为不正常，对运算放大器要测量各引脚电压是否正常(输人和输出端电压为零)。③检查输出级电位。输出端电位应为 0V。(2)接假负载(8?、8Ｗ电阻)，测量上述静态电压。输出端电位仍为0V，不应有太大的偏移，否则表明互补对称管不对称。3动态测试。①测量最大输出功率。音频信号频率f＝1kHz，逐渐增大输人信号电压Ui并使示波器显示的波形刚好不产生失真，测出此时输出电压的有效值Uo，则输出功率Po=Uo2应大于RL指标要求。②测量输入灵敏度。接线同上，当输出功率为额定值时，测得输入电压Ui其值应低于指标要求，否则应改变电阻值，以增大电压放大倍数。18/20音频功率放大电路设计③测试幅频特性。保持输入电压Ui幅值不变，只改变频率f(从fL～fH)，测出对应输出电压幅度，测试过程输出波形不应失真，可先在低压下测试(使输出电压约为50％的额定值)，然后，再在额定值输出下测试。④失真度测量。输人信号在100Hz、1kHz、5kHz时，输出均达到额定输出功率，分别测出对应的失真度数值，应符合规定要求。⑤测试整机的高低音控制特性。音量电位器RＷ１置最大位置，输入电压Ui=50mV固定不变，改变信号频率，从fL～fH按下述RW4