带电子分频器的音频功率放大器

1、带电子分频器的音频功率放大器队员：张晓07信工2班吴琼森07信工1班带电子分频器的音频功率放大器电子与信息学院队员：张晓吴琼森扌商要：本功放通过二阶有源滤波电路，把音频信号三分频，然后用三个放大电路分别对 三种信号进行放儿 其中低频分频点为913Hz,高频分分频点为937KHza电路分成三人模 块：电源、前级分频、后级放大。其中，前级对信号进行初步放人后再分频。关键字：冇缘滤波、分频、电源1、设计预期目的对信号进行三分频，低频分频点为913Hz,高频分频点为9 37kHz。放人倍数在50倍左右。 输出功率能达到十瓦以上，失真度在1%以内,电源纹波电压小于lmv.2、方案论证与比较2.1、电源模

2、块的选择与比较方案一：制作两个电源，用LM317和LM337制作个线性电源为前级供电，再另外用 犬电容制作一个纹波较小的普通电源为后级供电。这样能减少两级之间的干扰，减少失真。方案二：只用一个电源，同样用大电容和LM317及LM337制作一个线件电源，同 时为前级及后级供电。因为前级消耗的电流非常小，而根据功率计算公式，后级电流不超过 1A,稳压器足以提供这样的电流。两种方案比较：第一种方案能减少干扰，是高保真功放电路的理想电源，但成本较高， 特别是变压器的价格较高。而且本功放定位不在于高保真系。而第二种方案较为经济实惠, 而且能满足要求，所以，综合考虑各种因素，选择第二种方案。2.2分频模块

3、的选择方案一：采用运放LM324,构建四阶的林克威茨分频电路。LM324是低噪声高输入 阻抗的通用运放，价格便宜，容易买到。四阶的林克威茨威茨分频电路能以24dB/oct速率 对频段以外的信号进行衰减，分频特性较好。方案二：前级分频用运放NE5532,这是非常经晦的运放亦前级用的较多.失頁度低.转换速率远高于LM324,而且价格不高。分频电路釆用二阶的林克威茨分频电路。二阶的分频电路分频特性不如四阶的，但在 Multisim上仿真发现，二阶的失真度比四阶的低很姜, 电路也较为简单。方案选择：由于是第一次做分频电路，为了提高电路的可靠性，宜用二阶分频。为保证前级 的保真度，用专用芯片NE5532

4、更合适。综合考虑各种因素，采用方案二。2.3功放模块的选择与比较。方案一：采用芯片TDA7265构建功放电路。它能输出较大的功率，而且一块芯片集 成了两个运放，能两个功放电路共用一个芯片。失真度低，是理想的功放电路芯片。三诺公 司出了一款带电子分频的音箱，就是用TDA7265做的，获得了一致的好评。缺点是芯片价 格较高。方案二：釆用芯片TDA2O3O.这是一款很经典的芯片，虽然输出功率不然7265,但 失真度非常低，成本低，外围电路简单，被很多功放玩家所采用。方案选择：考虑电路的复杂程度、制作的难度以及成本因素，决定采取第二种方案。3、系统设计3.1总体设计。音频信号先通过前级放大器进行初步放

5、大，然后再用低通滤波器和高通滤波器对信号进行 分频，再利用差动放人器把低频信号及高频信号和原信号进行比较放人，柑当于一个带通滤 波器.从而得到中频信号。系统的原理框图如下：音频信号输二阶低通滤波器后级放人器二阶高通滤波器3.2单元设计321前级电路的设计。电路图如下。3.2.2电源模块的设计本功放电路采用双电源供电。为了减小纹波干扰，故采用线性电源为前级供电。在这里, 采用LM317和LM337,这两个芯片能通过较人的电流，而且在调整端串联一个电位器能实现 输出电压的调节，具有校大的灵活性。首先，变压器的选择。以输出功率18W（在THD=10%的条件卜）、效率为50%來计算， 要使得电路能稳定

6、工作，则应该使用36瓦的变压器，而市场上能买到34W的变压器。再考 虑到电源要提供±12V的电压，所以，决定选用34瓦±12V的变压器。其次，电容的选择。要提供稳定的电压及足够的功率，人容量的电容是必不町少的。 参考有关资料，滤波电容至少在1000UF以上，而II耐压值越人越好。在这里，我用了 330CU/63V和4700u/35v的电容并联。电容并联能增加等效电容值。而且3300u/63v的电容 能储存足够的能量，保证电路的稳定。最后，稳压器及其外闱电路参数计算。为了使得输出电压町调，我们选用了 LM317和LM337o它们的基准电压分别是1.25V和25V接法如下图:3

7、1N4O3IDidZCD)_1CCapPoli-I1C2pcipfMnr-CApFoii470>=r47：Oi?U2LM337Htn则正电源的输出范闱:U+=1.25(l+詈)(1)负电源的输出范闱:U_=-1.25(l+)(2)考虑到稳压器空载时的静态电流，调整端和输出端之间接入的电阻在一百到几百欧左 右较为合适。故选Rl=R2=100欧再由(1) (2)式，计算出RW1.RW2的取值范尿I。在这里取RW1=RW2=1K另外，调整端接了 10u的电容，主要是为了防止稳压器自激以及降低纹波的作用。而 输出端的100u电容则是进一步降低纹波。至于整流管选用1N4004即可满足要求。323分

8、频模块的设计林克威茨分频电路在音响领域用的人还是不少的，相对巴特沃斯滤波电路和切比雪夫滤波 电路.它有结构简单，参数容易计算的特点，而只相频特性比切比雪夫滤波电路要好。因为本功放主要是连着电脑来用的，而电脑耳机插II输出的电压最人值在200mv左右， 为了有足够人的信号驱动后级，需要对信号进行前级放人。电路的总放大倍数设为50时， 能获得足够的功率，所以：前级放大倍数：Al=5后级放人倍数A2=10前级放人釆用同相比例放人器，如图；Al=l+Rll/R10=5由于R11是反馈电阻，阻值太大会引入噪声，一般在10K以内。取Rll=8K,R10=2K,刚好满 足条件。由于手头上没有8K电阻，故取R

9、11=8 2KR4电位器，起到总音量调节作用，为了减少热噪声，在不影响性能的前提卜,阻值尽量 小。故取R4=10KUlb是电压跟随器，主要的作用是起到缓冲的作用，减少对后面分频电路的干扰。分频电路的构思：先用低通滤波器和高通滤波器把提取出低频信号和高频信号，并使 然后利用差动放人器将低频信号、高频信号及原信号进行对比放人，相当于一个带 通滤波器，得到中频信号。低通滤波器电路图如2这足一个阶的林克威茨滤波电路，最人的特点是K1=K2=K>C1=C3=R 设R1和R2之间的节点为M,则有节点电压方程如卜：Up = Un = uo UmR(2)5_Um = %Up UmUo R R SC由(1

10、)(3)式，可以得出:Uo =Uj 1-(WRC )2+2jWRC当f弍时，有：JR (WRC) 2 + (2WRC)2 =V2由(5)得fL0.1024RC当C=22nF fL=900Hz时，算得R=5.172K ,在这里，取标称值R=5.1K则 fL=913Hz所以低通滤波电路如匕图所示。类似于低通滤波器，对节点列出方程，再求解，由于键入公式麻烦所以，不再赘述。最 后応的表达式为：°4.0437 RC当 C=22nF ,命=9kHz 时，R=1.249 K在这里，电阻R取标称值，R=1.2K,则命=9.37kHz 所以，高通滤波电路元件取值如上图所示差动放大器由图中的U"

11、;组成.设低通输出电斥为U1,高通输出电压为U2令R14=R140+R141电压跟随器的输出电压为U3,得到输岀电压的表达式：U0=（l+R丄50）R% ui+（l+R丄50） R7O_U2型U3为了使得低频信号和高频信号被等最提取让R70=R90=10K如果进一步使得R70=R90=R14=R150则上式进一步化简为：UO=U1+U2-U3通过Multisim仿真，低通滤波器、高通滤波器及差动放人器的输出端的AC分'析曲线如下：AC Analysis3 J3.02.52.01.31.0500.0m010100lk10k100k图中的中频曲线比两边高出部分，为了使得三条曲线顶部尽量在同

12、-直线上，得到比较 平的频响曲线，我们对R14进行了修正，当R14=13K时，能得到以卞的曲线：这样就好很多了。加以最终确定的电阻值为:R70=R90=R150=1 OK R14=l 3K3.24功放模块的设计TDA2030是一款很经典的芯片，失真度很小，而11能提供较人的输出功率。它的外闱电 路比较简单，要计算的东西不多。我下载了 TDA2O3O的技术资料，参考了官方测试的电路。 并把放大倍数设定为11 （前级为5倍.整个电路放人55倍）地中频放大电路图如卜图。放人倍数a=1+詈反馈电阻能引入噪声，不易太人，这里取R7=10K JijR4=lK为防1上电源电压过高而烧坏芯片，住芯片的电源端和

13、输出端反接一个一极管1N4001 电位器起到音调调节的作用。上图是三个功放模块中的一个C7、C15、C16、C17是退耦电容。C1是隔直电容。由于负载扬声器是感性负我，所以为了改善相位特性，减少无功功率，应在输出端给负 載并上容性负載，也就是在电路中接入R10和C4高频信号的放大器和低频信号的基本相似，只是在反馈电阻两端并上了一个30pF的小 电容，以减少自激的可能性。电路图如24、系统测试4.1电源纹波测量测试条件：室温卜，用数字交流亳伏表测呈节点纹波电压（mV）+12V0-12V0.101上表数据说明了电源的纹波电压非常低.质最优越，已经完全满足要求。4.2分频器频响曲线测量测试条件：室温

14、下，函数信号发生器提供332mV的信号，用数字交流亳伏表测输出电压, 用示波器监测波形实验数据如卜：低通滤波器：Ui=332mVf(Hz)50100200400500600700800900lkl.lk1.2k1.3kUo(V)1 6581 6541 6311.5511 4951 4231.3481 2701 1931.1171.0430 9710 842f(Hz)1.4k1.5k1.6k1.7k1.8k1.9k2k5k10k15k20kUo(V)0.784078307300 68006320.59105520 1190 03100140 008带通滤波器；Ui=332Mvf(Hz)20501

15、002004006008C0lk2k3k4k5k6kUo(V)0 1860 2060 408041007371 0071 2211 3741 6281 6441 6261 5871 531f(Hz)7k8k9k10k12k14k16k18k20k25k30k50k100kUo(V)1 4641 3921 3201 2491 1201 0109170 8390 7730 6460 5610 3370258高通滤波器f(kHz)0 20 5124689：011121314Uo(V)0 0150.0180 0480 1700 5230.8361.0671.1531 2231.2831.3311 37

16、21 406f(Hz)15161718192050100150Uo(V)1 4361.4601 4821.501 5161.5301.6501.6801.70由于暂时还没描出频响曲线，所以，还没得出梢确的分频点。但通过对测试数据的分析， 得出低频分频点为900Hz左右,高频分频点在9kH10kHz之间。这和理论值 是比较吻合的。考虑到滤波器所用的电阻和电容有1柬左右的误差,而滤波器对电阻及电阻阻值的精度 要求较高,所以.实际分频点可能会稍微偏离理论值。所以,分頻器是成功的。由丁不会用电脑绘图，所以无法在电子版的报告中用曲线來描述，但真实测量值的低频及中频和仿真值非常吻合以卞是在Multisun

17、里仿真出來的曲线。AC Analysis3.02.32.01.510 jOO.Om 010 100ikiok注：横坐标不是取对数的。100k4.3功放模块失真度测试(不接分频模块)测试条件：输入Vpp=lV flkHz的正弦信号放大器THD10.05%90.05%30.05%上表数据说明了芯片的性能是比较优越的，火真度低。同时说明了我们的布线是合理的，人 而积覆铜起到了很好的抗干扰作用。4.4功放模块失真度测试(接分频模块)测试条件：空载。模块正弦信号信号频率(Hz)输出电压(V)THD低通+放大器5006.300.12%带通+放大器3k6.330.1%高通+放大器15k6.310.22%虽然空我时测的失真度不能作为实际使用中的失貞度.但也有很人的借鉴意义。空載时测 得的失真度是令人欣慰的，基本满足高保真音响的要求。同时上表的数据说明,功放能提供1QW以上的功率,并且在UN左右时的失真度也是比 较小的5、结论电路设计介理，布线科学，干扰少，保真程度高。分频效果与理论分析非常吻合，分频是成 功的。电路是成功的。参考文献基于Mutisim的电子电路计算机仿真设计分析2008年版 黄智伟电子工业出版