功率放大器原理与设计

1、音响功率放大器原理功率放大器，顾名思义，是将“功率”放大的放大器。把微弱的信号，如话筒、VCD、CD机等送到 前置放大器，放大成足以推动功率放大器的信号幅度，最后后级功率放大电路推动喇叭（或其它设备）， 它最大的功用，是当成“输出级”（Output Stage）使用。从另一个角度来看，它是在做大信号的电流放大, 以达到功率放大的目的。一、音响放大器的基本组成音响放大器的基本组成框图如图 1所示。各部分电路的作用如下。低频功率放大器低频功率放大器图 1 音响放大器的基本组成框图前置放大器是各种音源设备（包括普通音源如CD机、调谐器、卡座、MP3播放器等，特 殊音源如报警器以及各种话筒音源）和功率

2、放大器之间的连接设备。因为如CD机、调谐器以 及话筒等音源设备的输出信号电平都比较低，不能推动功率放大器正常工作，而前置放大器 正是起到了信号放大的作用。音源信号在经过前置放大器的放大后，就可以直接送入功率放 大器，使功率放大器能正常工作。此外，除了有信号放大作用外，前置放大器还有音质控制 的作用，如通过其音调控制电路或等响控制电路，对信号的频率特性进行调节和控制，起到 修饰和美化声音的作用，使功率放大器放出来的声音能满足聆听者的喜好要求。所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某 种气氛、达到某种效果、或补偿扬声器系统及放音场所的音响不足。这个控制过程其实并

3、没 有改变节目里各种声音的音调（频率），所谓音调控制只是个习惯叫法，实际上是“高、低 音控制”或“音色调节”。然而，从保证信号传送质量来考虑，音调控制倒不是必须的。一个 良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从最强到最弱 的整个调节过程里，中音信号（通常指1000 赫）不发生明显的幅度变化，以保证音量大致不 变。低频功率放大器是把从前级来的信号放大给杨声器用的，后级必须有足够的功率输出才 能推动扬声器发音。二、音调控制器音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图 2 中折线所 示。图中，f0（等于1kHz ）表示中音频率，要求增益Av0=0

4、dB； fl1表示低音频转折或截止 频率，一般为几十赫兹；fL2（等于lOfL 1）表示低音频区的中音频转折频率；Fh2（等于lOFhl） 第 1页共 8页表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。图 2音调控制曲线由图可见，音调控制器只对低音颇与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持OdB 不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤彼器构成。由运算放大器构成的音调控制器，如图 3 所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般音响放大器中应用较多。下面分析该电路的工作原理。设电容在低音频区，可视为开路， 在高音颁区，可视为短路。音调调节的基本原理就是调节负反馈的强弱来改变放大电路的增、

5、人益。nr,rTnr,rT图 3 运算放大器构成的音调控制器原理图在低音频区时，音调控制器的低频等效电路如图 4所示。其中，左图为 RP1 的滑臂在最 左端，对应于低频提升最大的情况；右图为RP2滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，电路实际是一个一阶有源低通滤波器。图 4 音调控制器的低音频等效电路图在高音频区时，音调控制器的高频等效电路如图 5 所示，左图为 RP2 的滑臂在最左端时对应于咼频提升最大的情况；右图为RP；的滑臂在最右端时，对应于咼频衰减最大的情况。分析表明，电路实际是一个一阶有源高通滤波器。R,(a)(b)图5 音调控制器的高音频等效电路图三、实训功率放大器原理

6、解说实训功率放大器的电路原理全图，请参看实训指导资料中的附录部分。 前置放大电路和 NE5532图6是前置放大电路原理图。电路由NE5532的第一组运放和C310、C311、R302、R303、 R304组成，其中，R303引入负反馈，实现本级增益的控制。运放采用5V的双电源供电。图 6 前置放大电路原理图NE5532 是高性能低噪声运放，与很多标准运放(如 1458)相似，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽，其内部有两个同功能的运放。图 7 是运 放 NE5532 引脚图。7 L运放NE5532引月脚NE5532 的主要参数1)小信号带宽：10MHz；1)2)

7、3)4)输出驱动能力：600?, 10V2)3)4)输出驱动能力：600?, 10V； 输入噪声电压：5nV/ VHZ (典型值);DC 电压增益： 50000；5)AC电压增益：lOKHz时2200；7)电源带宽： 7)电源带宽： l40KHz；转换速率：9V/“S；大电源电压范围：3土 20V。NE5532的极限参数：电源电压NE5532的极限参数：电源电压Vs：22V；输入电压VIN：V13电源V；差分输入电压VDIFF：5V；工作温度范围TA：0C70C；存贮温度TSTG： -65C150C ；结温Tj： 15 0C；功耗(VDIFF：5V；工作温度范围TA：0C70C； NE5532

8、 构成的双音调控制电路图8是音调控制器原理图。音调控制器也可看成是第二级前置放大电路，电路由NE5532 的第二组运放和 C302、C303、C304、R305、R305、R307、R308、R309 及电位器 W201B、W202B组成，其中，W201B实现高音调节，而W202B则对低音进行控制。图 8NE5532 构成的双音调控制电路 TDA2030 集成功放图 9 是低频功率放大原理图。电路由 TDA2030 集成功放块实现音频功率放大。其中， W2 03B音量调节电位器，实现音量控制，C305是输入耦合电容，R311是TDA2030同相输入端偏 置电阻。R312、R313决定了该电路交

9、流负反馈的强弱及闭环增益，C306起隔直流作用，以使 电路直流为 100%负反馈，静态工作点稳定性好。 C312、 C313 为电源高频旁路电容，防止电路 产生自激振荡。 R314、 C307 消振电路，用以接有感性负载扬声器时，保证高频稳定性。 D301、 D302 是保护二极管，防止输出电压峰值损坏集成块 TDA2030。MlMlTDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互 调失真小，另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的 单片集成电路中，输出功率最大的不过20W,而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两

10、块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、 输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中，设计了较为完 善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保 护。 TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电 路中，它的管脚属于最少的一类，总共才 5 端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不 少方便。TDA2030在电源电压土 14V，负载电阻为4Q时输出14瓦功率（失真度W0. 5%）；在电 源电压16V,负载电阻为4Q时输出18瓦功率（失真度W0.

11、 5%）。该电路由于价廉质优, 使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供 低频课程设计选用。表 1TDA2030 极限参数参量符号参数数值单位Vs最大供电电压22VVi输入VsVi差分输入15VIo最大输出电流3。5APTOT最大功耗20WTstg ， TJ存储和结点的温度-40 to +150CTDA2030 管脚功能：1 。脚是正相输入端2。脚是反向输入端3。脚是负电源输入端4。脚是功率输出端5。脚是正电源输入端。图 10 TDA四、功率放大器的性能指功率放大器的性能指标很多，有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻 尼系数等，其中以输出功

12、率、频率响应、失真度三项指标为主。（一）、输出功率 输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法 很不统一，使用时请注意。1、额定功率（RMS）它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经 常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功 率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。2、最大输出功率 当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提 条件的输出功率3、音乐输出

13、功率（MPO）音乐输出功率MPO是英文Music Power Out pur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号 时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出 功率。音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现 了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不 完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用 音乐输出功率来量度。4、峰值音乐输出功率（PMPO）它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输 出的最大音乐功率就是峰值音

14、乐输出功率。通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐 输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出 功率是额定输出功率的5-8倍。（二）、频率响应频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应 不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为 20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16 kHzl。5dB。（三）、失真失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐 波失真、互调失真、瞬态失真等。（四）、动态范围放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用 时，该比值使用 dB 来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于 90 dB。自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差 很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强