音频功率放大器——青枣

1、深圳大学第六届电子设计大赛设计报告题目：音频功率放大器目 录 摘要1关键词11 绪论22 需求分析22.1 设计任务及要求22.1.1 设计任务22.1.2 设计要求32.2 设计思想33 系统方案33.1 方案论证33.1.1 前置放大电路33.1.2 功率放大电路43.2 工作原理44 电路与程序设计54.1 电路设计54.1.1 前置放大电路分析54.1.2 均衡电路分析54.1.3 功率放大电路分析5 4.2 电路仿真.55 测试方案与测试结果55.1 前置放大实验55.2 各级单元电路测试结果实验65.3 总评测试实验65.4 结果分析66 总结76.1 设计成果76.2 设计特点7

2、6.3 存在问题及改进方法7参考文献7致谢7附录A 电路全图8附录B 元器件清单9音频功率放大器摘要:这次的电子设计我们的题目为音频功率放大器，简称音频功放。音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。本文设计了音频功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用Protel 99SE软件设计完成原理图 。本系统有匹配对称三极管完成前置放大级和功率放大级，最后将音频小信号转变成大信号的功能。通过对所设计的音频功率放大器进行实验测试，达到了最大输出功率、放大倍数、失

3、真度等技术指标。具有最大输出功率稳定，工作效率较高，频率响应失真较小，把小信号转变成大信号功能的分立元件功率放大器。图1 电路结构框图在音频放大电路中，左右声道的放大结构完全相同，因此以下的分析中不对左右声道单独区分。关键词：音频功率放大器、前置放大、功率放大1、绪论1.1  引言伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。 如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许

4、多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。1.2  音频功率放大器概述 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，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

5、 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 Capacitor Less）”放大器等。 1.3 本设计的目的功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有数控机床的电机驱动，有应用于新型磁轴承开关，也有在电力电子

6、控制技术种的应用。在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。但所有的功率放大器，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。同时，通过实际设计与制作，进一步了解和学习未知知识，在实践中锻炼自己，在锻炼中提高自己专业水平。2、需求分析2.1设计任务和需求2.1.1设计任务 设计并制作一个音频功率放大器，要求

7、末级功放管采用分立的大功率晶体管, 不得使用MOS集成功率模块。2.1.2设计要求1）基本要求（1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8电阻负载（一端接地）上，输出功率5W，输出波形无明显失真。（2）通频带为20Hz20kHz。（3）输入电阻为10K以上。（4）输出噪声电压有效值V0N5mV。本题输出噪声电压定义为输入端接地时，在负载电阻上测得的输出电压，测量时使用带宽为2MHz的毫伏表。（5）尽可能提高功率放大器的整机效率。本题功率放大电路的整机效率定义为：功率放大器的输出功率与整机的直流电源供给功率之比。电路中应预留测试端子，以便测试直流电源供给功率。2）发挥部分（1）保证通频带内低频

8、功率放大器失真度小于3%。（2）在满足失真度要求、通频带为20Hz20kHz的前提下,尽可能提高整机效率。（3）设计加入一个调音电路，要求在100Hz和1000Hz两个点，能够调整±8dB的音量。2.2 设计思想音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，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。后一级的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。3. 系统方案3.1 方

9、案论证总体设计思路框图：图二 总体设计思路框图3.1.1 前置放大电路 前置放大器的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音源信号进行放大并输出。外部音源信号由较长的导线输入，并且信号源可能存在较高的内阻，电流输出能力不强，因此需要“缓冲”来将其转换为低内阻的信号源，以便驱动后级电路。图三 前置放大电路3.1.2功率放大电路外部音源信号经过前置放大、均衡放大后，输入最后的功率放大级，然后就外部音源信号经过前置放大、均衡放大后，输入最后的功率放大级，然后就块，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。本实验电路设计中采用的是双电源下工作的 O

10、CL 电路，具体如图 10 所示， 图四 功率放大电路3.2 工作原理图五 音频功率放大器总电路图音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。其原理如图3-1所示，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。后一级的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。 =5W,输出电压U =  =6-7V，要使输入为10mv的信号放大到输出的6-7V，所需的总放大倍数为600-70

11、0>100。4 电路与程序设计4.1 电路设计4.1.1 前置放大电路分析 在本设计的实验中选取了反相比例放大器作为前置放大级，具体电路设计和元件参数取值如图 6（可参见附录图 3 和图 4）。图七 前置放大电路电阻 R 30K，R1 100K，故可知放大倍数为 3.3，输入电阻为 30K，针对外部音源的输入信号来说，可以满足输入电阻足够“高”的条件。电容 C（和 C*1）是耦合电容，其容量取值可以按如下规则来考虑：因为运放的反相端相当于“虚地”，故电容 C 和电阻 R 构成一阶高通滤波器，人耳能听到的声音信号最低为 20HZ，故该高通滤波器的截止频率应当低于 20HZ，才能保证音频信号

12、的完整传输，即：R 取 30K，可以求得电容 C 的容量应当大于 0.27F。4.1.2 均衡电路分析均衡电路是由低通、高通、带通等滤波器组成的，可以对音调进行控制的电 路，听者可以根据具体需求，对声音信号中某些频率段的增益（放大倍数）进行 调整。常用的均衡电路只是对高频段或低频段的增益进行提升或衰减，而中频段 的增益保持不变。均衡电路可以用无源的RC滤波网络来构成，也可以用运算放大器组成的有 源滤波网络来构成，另外，现在许多半导体公司都有专用的音调IC (Integrated Circuit)产品可以米用。图7 (a)是本实验设计的电路中采用的均衡电路，由运算放大器构成，可 以对高频段和低频

13、段的增益分别进行提升/衰减。图8 (a)实验设计采用的均衡电路 (b)低频提升简化电路 （c)低频衰减简化电路 (d)高频提升简化电路 （e)高频衰减简化电路对于图7 (a)的电路进行直接解析分析非常困难，可以分别考虑低频、高 频的情况，对电路进行简化以后再分析，关键点在于：电容q = C2 >> C3，在低 频段时，可以将电容C3看成开路；而在高频段时，可以将电容C1、C2看成短路。 这样，在低频段时，当RP1滑至最左端时，电路可以简化为图7 (b)的等效电 路，在RP1滑至最右端时，电路可以简化为图7 (c)的等效电路。同理，在高 频段时，当RP2滑至最左端时，电路可以简化为图

14、7 (d)的等效电路，在RP2 滑至最右端时，电路可以简化为图7 (e)的等效电路。这里需要注意一点，电 位器RP2在上述四种情况下始终并联在输入输出端，本身并没有引入运放的反馈 回路中，因此做电路分析时不需要考虑。4.1.3 功率放大电路分析本实验电路设计中采用的是双电源下工作的OCL电路，具体如图10所示，RP3是一只电位器，作用是进行音量（Volume)调节。输入信号（均衡电路 的输出信号）通过耦合电容C1后，再由RP3进行分压调节，连接到TDA2030的 同相端。电阻R1、R2组成反馈回路，和TDA2030构成了一个同相比例放大电路，这 一部分就是整个功率放大电路的核心，本质和普通运放

15、完全一致。需要说明的是 电容C2同样是一只耦合电容，作用同样是“隔直通交”，使功率放大器仅仅对交 流信号产生放大作用，而对直流信号不产生任何放大：1、对于直流信号，电容C2相当于“开路”，此时电阻R2不起作用，功率放大器和电阻R1构成的是一个电压跟随器。由于电位器RP3是通过电容C1和前级 电路耦合，因此RP3上的直流电位一定为零，同时可以保证功率放大器的输出也 一定为零，即有“零输入，零输出”的性质。2、对于交流信号，电容C2相当于“短路”，此时电阻R1和R2组成同相比 例放大器反馈回路，功率放大器的交流电压放大倍数为：Au = 1 + '(7)R2对于耦合电容C1、C2理论取值的计

16、算，可以参考前面5.1小节中的补充介 绍。另外，电容C*1和C*2同样是设计中预留的无极性电容引脚，在实际电路焊 接时可以根据情况取舍。图九 功率放大电路4.2 电路仿真仿真电路图如下所示：图十 仿真电路 仿真结果如下： 图十一 仿真分析(时域)结果曲线可以看出来,输入是比例为5mV的电压,最大值为7.210，即输入正弦信号电压有效值为5.09mV。经过功率放大之后得到的是6.6-7.1V (最大值)的输出电压. ，输出功率为5.445-6.301W，大于5W，并且输出波形无明显失真。仿真结果符合设计基本要求。 5测试方案与测试结果5.1 前置放大实验 表5-1 前置放大结果（k）（k）（mv

17、）（mv） 实测220202001110.9240204002120.82602060031312802080041405.2 各级单元电路测试实验表5-2 各级单元电路测试结果前置放大级功率放大器（mv） 20400（mv）4004000 实测20.810 5.3 总评测试实验表5-3 总评测试结果 （mv） 20 输入信号频率f（hz）10008002000010040 （mv）400038963765356833214138.536.233.432.15.4 结果分析 在输入频率大于于20khz时出现交越失真.波形如下：在频率输入为1khz时为最大不失真，波形如下： 6 总结6.1 设计

18、成果 在本次课程设计中 ，通过电路设计，仿真，实际焊接测量，基本能满足要求，在输入信号段输入不同的信号，输出端的喇叭会发出不同的响声，当在输入端接上音乐时，输出端会想起悦耳的音乐，说明设计成功。 6.2 设计特点实现非常的简单，电路容易理解，实验容易进行，能够尽少的减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够更好的保护实验器件，减少不必要的损失。 6.3 存在问题及改进方法如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，我们还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。然而这乃是在用高投入成本来获得实际效果增加不多。事实上，当人们把功率放大器的输出功率制做得很巨大时，它也成为

19、中高音单元喇叭的致命杀手！而且使用级后分频方式，在使用到高中低三个单元喇叭的情况下就开始明显表现不佳，级后分频方式仅能在二分频情况下表现得比较良好。只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，我们才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果，本次用功放芯片能基本满足设计要求。参考文献1 康华光电子技术基础（模拟部分）（第四版）武汉：高等教育出版社，2005.72 高吉祥 模拟电子技术电子工业出版社，20042 彭介华 电子技术课程设计指导高等教育出版社，20023 陈大钦电子电路实验、设计、仿真高等教育出版社，2002 4 童诗白、华成英 模拟电子技术基础高等教育出版社，2006.5 致谢感言历时将近50天的音频功率放大器设计结束了，这个我们带来了无法忘却的回忆。作为什么都不懂的大一新生，在这过程中无疑是充满艰辛的。连接设计过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，不能出现实验结果的情况，以及对报告设计的疑惑。经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，小组成员的激烈讨论，才一步步的解决问题，并最终得出实验结果和较好的报告设计。但是，尽管过程很艰辛，我们却从中收获甚多，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个过程是充满