1、音頻功率放大器設計一、設計任務設計一個實用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度W5mV,負載電阻等于8Q的條件下，音頻功率放大器滿足如下要求：1、 最大輸出不失真功率Pom>8W。2、 功率放大器的頻帶寬度BW>50Hz15KHz。3、 在最大輸出功率下非線性失真系數w 3%4、 輸入阻抗Rm00k Qo5、 具有音調控制功能：低音100Hz處有±12dB的調節范圍，高音10kHz處有±12dB的調節范圍。二、設計方案分析根據設計課題的要求，該音頻功率放大器可由圖所示框圖實現。下面主要介紹各部 分電路的特點及要求圖1音頻功率放大器組成框圖1、 前置放大器音頻功率放

2、大器的作用是將聲音源輸入的信號進行放大，然后輸出驅動揚聲器。聲音源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機、錄音機（放音磁頭）、 CD唱機及線路傳輸等，這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大，從 零點幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的， 這 些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器中的話，對于輸入過低的信號，功率放大器輸出功率不足，不能充分發揮功放的作用；假 如輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴重過載失真， 這 樣將失去了音頻放大的意義。所以一個實用的音頻功率放大系統必須 設置前置放大器，以便使放大器適應不同的的輸入信號，或放大，或 衰減，或進行阻抗變換，使其與功率放大

3、器的輸入靈敏度相匹配。另 外在各種聲音源中，除了信號的幅度差別外，它們的頻率特性有的也 不同，如電唱機輸出信號和磁帶放音的輸出信號頻率特性曲線呈上翹 形，即低音被衰減，高音被提升。對于這樣的輸入信號，在進行功率 放大器之前，需要進行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復到接近平坦 的狀態，即加入頻率均衡網絡放大器。對于話筒和線路輸入信號，一般只需將輸入信號進行放大和衰 減，不需要進行頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出 阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是使前置放大器的輸出電壓 幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。 由于話筒輸出信號非常微 弱，一般只有100因幾毫伏，所以前置放大器輸入級的

4、噪聲對整個 放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級首先采用低噪聲電 路，對于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器，首先要選擇低 噪聲的晶體管，另外還要設置合適的靜態工作點。由于場效應管的噪 聲系數一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態工作點無關，在要求高輸 入阻抗的前置放大器的情況下，采用低噪聲場效應管組成放大器是合 理的選擇。如果采用集成運算放大器構成前置放大器， 一定要選擇低 噪聲、低漂移的集成運算放大器。對于前置放大器的另外一要求是要 有足夠寬的頻帶，以保證音頻信號進行不失真的放大。圖9前置級放大器電路圖2、 音調控制電路音調控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內放大器的頻率響應曲線的形狀

5、進行控制，從而達到控制放音音色的目的，以適應不同聽眾對音色的不同愛好。此外還能補償信號中所欠缺的頻率分量，使音質得到改善，從而提高 放音系統的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音分別可調的音調控制電路。一個良好的音調控制電路，要求有足夠的 高、低音調節范圍，同時有要求在高、低音從最強調到最弱的整個過 程中，中音信號(一般指1kHz)不發生明顯的幅值變化，以保證音 量在音調控制過程中不至于有太大的變化。音調控制電路大多由RC元件組成，利用RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段的音頻信 音調控制電路一般可分為衰減式和負反饋式兩大類， 衰減式音調控制 電路的調節范圍可以做得較寬，但由于

6、中音電平也要作很大的衰減， 并且在調節過程中整個電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負反饋式音調控制電路的噪音和失真較小， 并且在調節音調時，其轉 折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變。 下面分析負反 饋型音調控制電路的工作原理。(1)負反饋式音調控制器的工作原理由于集成運算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優點，用它 制作的音調控制電路具有電路結構簡單、工作穩定等優點，典型的電路結構如圖2所示。其中電位器Rp1是高音調節電位器，Rp2是低音調節電位器，電容C 是音頻信號輸入耦合電容，電容 C1、C2是低音提升和衰減電容，一 般選擇C1=C2,電容C3起到高音提升和衰減作用，要求

7、 C3的值遠 遠小于C1。電路中各元件一般要滿足的關系為：Rp1=Rp2 ,R=R2=R3,C尸C2, Rp1=9Ri。圖2負反饋式音調控制電路圖在電路圖2中，對于低音信號來說，由于 C3的容抗很大，相當 于開路，此時高音調節電位器 Rp1在任何位置對低音都不會影響。 當低音調節電位器 Rp2滑動端調到最左端時，Ci被短路，此時電路 圖2可簡化為圖3(a)。由于電容C2對于低音信號容抗大，所以相對 地提高了低音信號的放大倍數，起到了對低音提升的作用。圖 3(a) 電路的頻率響應分析如下：(b)(a)低音提升等效電路圖低音提升等效電路幅頻響應波特圖圖3低音提升等效電路圖及幅頻響應曲線圖 3 所示

8、的電壓放大倍數表達式為AVffL1Z2 Z?RP2R1(RP2 j C2Rp21 j C2R22 RP2 C2R2)/R11“2 人1 j C2 Rp2化簡后,所以該電路的轉折頻率為:f L2 2 (RP2R2)C22 R2C2o可見當頻率f 0時,Af當頻率f時，AVf空1。從定性的角度來說, 就是在中、高音域，增益僅取決于 R2與R1的比值，即等于1;在低 音域，增益可以得到提升，最大增益為(RP2 R2)/R1。低音提升等效電路的幅頻響應特性的波特圖如圖3(b)所示。同樣當Rp2的滑動端調到最右端時，電容 C2被短路，具等效電 路如圖4(a)所示。由于電容C1對輸入音頻信號的低音信號具有

9、較小 的電壓放大倍數，所以該電路可實現低音衰減。圖4(a)電路的頻率響 應分析如下:該電路的電壓放大倍數表達式為:為:。1Avf R1R2(1 j C1 ) / Rp2R1R2RP21 j RP2C1j (RP2/R1)C1,其轉折頻率2 Rp2cl2 (RP2/R1)2 R1。可見當頻率f 0時，R2R1RP2；當頻率f 時,R2R11。從定性的角度來說,就是在中、高音域，增益僅取決于 R2與Ri的比值,即等于1;在低音域，增益可以得到衰減，最小增益為R2/(RRP2)低音衰減等效電路的幅頻響應特性的波特圖如圖4(b)所示。在電路給定的參數下，fL1 fLi , fL2低音衰減等效電路圖Of

10、 L2低音衰減等效電路幅頻響應波特圖圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應曲線同理，圖2電路對于高音信號來說，電容 Ci、C2的容抗很小, 可以認為短路。調節高音調節電位器Rp1 ,即可實現對高音信號的提 升或衰減。圖5 (a)就是工作在高音信號下的簡化電路圖。為了便 于分析，將圖中的Ri、R2、R3組成的Y型網絡轉換成連接方式,如圖 5 ( b )。其中 RaRiR3-RR3,RbR2R3R2-R3,RiR2RcRiR2-RoR2Ri在假設條件Ri=R2=R3的條件下，Ra=Rb=Rc=3R。(b)R1R2圖5高音等效簡化電路如果音調放大器的輸入信號是采用的內阻極小的電壓源，那么通過R支路的反饋電

11、流將被低內阻的信號源所旁路， R的反饋作用將 忽略不計(R可看成開路)。當高音調節電位器滑動到最左端時，高 音提升的等效電路如圖6(a)所示。此時，該電路的電壓放大倍數表達 式為:AVf(jC3R%)R '(ic/r：、其轉折頻率為:fH12 C3(R4 Ra)。當頻率f2 C3 R40 時，AvfRb1；當頻率f 時，Avf 三人。從定性的角度上看，對于中、低音區R4域信號，放大器的增益等于1；對于高音區域的信號，放大器的增益 可以提升,最大增益為中。高音提升電路的幅頻響應曲線的波特 圖如圖6(b)所示(a)高音提升等效電路（b）高音提升等效電路的幅頻響應波特圖圖6高音提升等效電路及

12、幅頻響應曲線當Rp1電位器滑動到最右端時,高音頻信號可以得到衰減,衰減的等效電路如圖7 (a)所示。減等效電路的幅頻響應波特圖圖7高音衰減等效電路及幅頻響應曲線該電路的電壓放大倍數表達式為:AvffH1（R4j C3Ra2 c3（R4 Rb）'1 j C3R4Ra 1 j C3（R4 Rb）fH2o2 C3R4當頻率O其轉折頻率為:f 0 時，AvfRb1當RaAVf占?？梢娫撾娐穼τ诟咭纛l信號起到衰減作用。該電路的幅頻響應曲線的波特圖如圖7(b)所示。在電路給定的參數下，fH1儲1, fH2 fH2 。(2)音調控制器的幅頻特性曲線綜上所述，負反饋式音調控制器的完整的幅頻特性曲線的波

13、特圖如8所示。根據設計要求的放大倍數和各點的轉折頻率大小，即可確 定出音調控制器電路的電阻、電容大小。圖8音調控制電路的幅頻響應波特功率放大器的作用是給音響放大器的負載(一般是揚聲器)提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標有 最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、 頻率響應和效率。目前常見的電路結構有 OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運算放大器和大功率晶體管構成的功率放大器；隨著集成電路的發展，全集成功率放大器應用越來越多。由于集成功率放大器使用和調 試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩定性好，功耗低，電源利 用率高，失真小，具

14、有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消 噪等功能，所以使用非常廣泛。三、主要單元電路參考設計本設計的音頻功率放大器是一個多級放大系統。首先根據輸出功 率的確定電源大小和整個系統的增益。因為音頻功率放大器的輸出功 率Pom A 8W。所以音頻功率放大器的輸出幅值 Vom $2Pom Rl J2 8 8 11.3 （V）。當輸入信號最小值為 5mV時， 整個放大系統的電壓放大倍數為：AV Vom/Y 11.3/5 10 3 2260 （倍）， 即201g 2260 67 （dB）。根據整個放大系統的電壓增益，合理分配各 級單元電路的增益。功率放大器級（采用集成功放）電壓放大倍數取 30倍；音調

15、控制器放大器在中頻（1KHz）處的電壓放大倍數取1; 前置放大器的電壓放大倍數取 80 （考慮到實際電路中有衰減）。音頻功率放大器供電電源的選取主要從效率和輸出失真大小方面 考慮。如上所述，該系統的輸出信號幅值為 11.3V,從提高效率的角 度考慮，電源電壓越接近11.3V越好，但這樣輸出信號的失真將增大； 從減小失真的角度考慮，可適當的提高電源電壓。綜合考慮，音頻功 率放大器整個系統的電源電壓采用士 15V供電。1、前置放大器電路根據音頻信號的特點，前置放大器選擇由NE5532集成運算放大器構成的電壓放大器完成。NE5532在噪聲、轉換速率、增益帶寬積等方面具有優異的指標，由它組成的電壓放大

16、器可以很好的滿足設計要求，電路如圖 9所示。前置放大器有兩級放大器組成，第一級采用NE5532構成的電壓串聯 負反饋電路，具有輸入阻抗高的特點。第二放大器采用NE5532組成 的電壓并聯負反饋電路，該電路具有輸出電阻小、抗共模干擾信號強 的特點。第一級放大器的電壓放大倍數為： 1昆1 47 5.7;第二R210級放大器的電壓放大倍數為：R5 20 ;電容C5、C6的作用是高頻R4濾波，電容C3、C4是去耦電容，消除低頻自激振蕩。前置放大器的下限頻率由電容 C1和電阻 R1決定。2、音調控制器電路該音頻功率放大系統的音調控制電路的控制特性要求為：低音在100Hz 時為 ±12dB,高音

17、在10kHz時為±12dB。設計滿足要求音調控制器的一般步驟為：(1)選擇電路結構和放大單元器件電路結構選用圖2所示的負反饋式音調控制器。放大單元器件選 擇集成運算放大器LF356。LF356的輸入阻抗非常高，可達1012Q, 可以很好地滿足控制特性要求，只需采用小容量電容器即可。(2)計算低音調節轉折頻率和高音調節轉折頻率根據RkRp2=9R的條件，該音調控制放大器電路的最大提升和 衰減量為：20 lgRP2-R2 20 (dB) , 201gR20 (dB)。RiRp2 R2根據圖 可知，fL1、fL2、fH1、fH2為轉折頻率，且幅頻特性是按士 6dB/倍頻程的斜率變化的。已知

18、要求在低音100Hz處的提升或衰減士12dB,所以低音調節轉折頻率：20 1212 0fL1 100/239.68 (Hz) , fL2 100 2k 400 (Hz)。同理，根據高音10kHz處的提升或衰減士 12dB,可得高音調節轉 折頻率：12 020 12fH1 (10 103)/ 2 62.5 (kHz) , fH2 10 103 2 625.2 (kHz)。(3)音調調節電位器選擇因為LF356集成運算放大器的輸入阻抗很高，電位器Rp1、Rp2的阻值可適當高一些?，F選 B1=Rp2=200k Qo(4)低、高音調整電容及電阻的選擇Ci C22 fLiRp2i239.68 200d。

19、必（此,可米用兩個0.01后電容并聯。電阻RiR2R3RP2 9 200 922.22 (kQ),選標稱值 22k Q。當 f=f H2=25.2kHz 時,高音提升20dB,即 201g R4 Ja 20 (dB),所以因為Ra=3Ri,所以R43Ri9 322/9 7.3 (kQ),取標稱值 7.5k QoC C3_3_32 fH2R4225.2 107.5 10840 (pF),取標稱值 C3=1000pF 。R4 Ra-10。R4最后設計好的音調控制器電路如圖10所示。3、200k Q圖10音調控制電路圖功率放大器電路采用集成功放設計功率放大器不僅設計簡單，工作穩定，而且組裝、調試方便

20、，成本低 廉，所以本設計選用集成功放實現。目前常用的集成功放型號非常多, 本設計選取SGS公司生產的TDA2030/2030A 集成功放，該器件具 有輸出功率大、諧波失真小、內部設有過熱保護，外圍電路簡單，可以作OTL使用，也可作OCL使用。TDA2030/2030A的外引線如圖11所示。1腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，4腳為輸出端，3腳接負電源，5腳接正電源。電 路特點是引腳和外接元件少。其主要特點為：電源電壓范圍為6 V 18 V,靜態電流小于 60 A,頻響為10 Hz140 kHz,諧波失真小于 0.5 ，在 Vcc =14 V,TDA20301 2 3 4 5+15V D1R-

21、= 4 時，輸出功率為14 Wo在8負載上的輸出功率為 9W。V - Vs v +Vs同反 輸相相 出輸輸 端入入圖11 TDA2030管腳圖圖12 TDA2030組成的OCL功率放大器電路由TDA2030/2030A 構成的OCL功率放大器電路如圖12所示。該電路由 TDA2030組成的負反饋電路，具交流電壓放大倍數Af 1 R" 1急33（倍），滿足設計要求。二極管D,、D2起保護作用，一是限制輸入信號過大，二是防止電源極性接反。R4、C2組成輸出相移校正網絡，使負載接近純電阻。電容Ci是輸入耦合電容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容C3、G是低頻旁路電容，電容G、。是高頻旁

22、路電容。電位器 B是音量調節電位器四、音頻功率放大器的調試1、在安裝電子電路前，應仔細查閱電路所使用的集成電路的管腳排列圖及使用注意事項，同時測量電子元件的好壞。2、畫出每個單元電路的電路原理圖和連線圖；畫出整個電子系統的 原理圖。3、前置放大器調試。安裝電路時注意 電解電容的極性不要接反，電 源電壓的極性不要接反。同時不加入交流信號時，用萬用表測量每級 放大器的靜態輸出值；然后用示波器觀察每級輸出有無自激振蕩現象，同時測量前置放大器的噪聲輸出大小。加入幅值5mV、頻率1000Hz的交流正弦波信號（注意 5mV信號可以通過一個10k Q和 100 Q組成的衰減網絡得到），測量前置放大器的輸出大

23、小，驗證前 置放大器的電壓放大倍數。改變輸入正弦波信號的頻率，測試前置放 大器的頻帶寬度。4、音調控制器調試。（1）首先進行靜態測試，方法同上。（2）中 頻特性測試。將一頻率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信號輸入到 音調控制器輸入端，測量音調控制器的輸出。（3）低音提升和衰減 特性測試。將電位器 RP1滑動端分別置于最左端和最右端時，頻率從 20Hz1kHz連續變化（輸入信號幅值保持不變），記下對應輸出的 電壓值，畫出具幅頻響應特性曲線。（4）高音提升和衰減特性測試。將電位器RP2滑動端分別置于最左端和最右端時，頻率從2kHz30kHz連續變化（輸入信號幅值保持不變），記下對應輸出的 電壓值

24、，畫出具幅頻響應特性曲線。（5）最后畫出音調特性曲線， 并驗證是否滿足設計要求并修改。5、功率放大器測試：（1）通電觀察。接通電源后，先不要急于測試， 首先觀察功放電路是否有冒煙、發燙等現象。若有，應迅速切斷電源， 重新檢查電路，排除故障。（2）靜態測試。將功率放大器的輸入信 號接地，測量輸出端對地的電位應為 0V左右，電源提供的靜態電流 一般為幾十mA左右。若不符合要求，應仔細檢查外圍元件及接線是 否有誤；若無誤，可考慮更換集成功放器件。（3）動態測試。在功 率放大器的輸出端接額定負載電阻 Rl（代替揚聲器）條件下，功率放大 器輸入端加入頻率等于1kHz的正弦波信號，調節輸入信號的大小， 觀察輸出信號的波形。若輸出波形變粗或帶有毛刺，則說明電路發生 自激振蕩，應嘗試