音频功放设计报告

实验目的：设计并制作一个音频功率放大电路，负载为扬声器，阻抗8。要求直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，电路满足以下基本指标：（1）频带宽度H50z～20kHz，输出波形基本不失真；（2）电路输出功率大于8W；（3）输入阻抗：≥10kΩ；（4）放大倍数：≥40dB；（5）具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz处有±12dB的调节范围；（6）具有一定的抗干扰能力；（7）具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好。（9）尽量提高放大器效率；（10）尽量降低放大器电源电压；（11）采用交流220V，50Hz电源供电。二、实验内容与原理：音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它主要应用于对弱音频信号的放大以及音频信号的传输增强和处理。按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分，如图1所示。图1音频功率放大器的组成框图本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。因为音频功率放大器的输出功率要求POM≥8W。所以音频功率放大器的输出幅值（V）。根据整个放大系统的电压增益，分配各级单元电路的增益。功率放大器级（采用集成功放）电压放大倍数取21倍；音调控制器放大器在中频（1KHz）处的电压放大倍数取1；前置放大器的电压放大倍数取50（考虑到实际电路中有衰减）。音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。如上所述，该系统的输出信号幅值为11.3V，从提高效率的角度考虑，电源电压越接近11.3V越好，但这样输出信号的失真将增大；从减小失真的角度考虑，可适当的提高电源电压。综合考虑，音频功率放大器整个系统的电源电压采用±12V供电。1．前置放大级音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。前置放大器的主要功能：（1）是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；（2）是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。本电路选择集成前置电路。电路图：工作原理：前置放大电路通过集成运放实现信号的第一级放大，放大电路的闭环增益G=RP4/R2决定，设置RP4为变阻使放大倍数在0—50左右之间进行调节。电阻R3平衡输入偏置电流。电容C5对交流信号进行耦合。123.2Hz≤32．音调控制电路音调控制电路的主要功能：通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。本电路选择负反馈型音调控制电路。电路图：工作原理：电路图中电位器RPH1是低音调节电位器，RPL1是高音调节电位器，电容C15是音频信号输入耦合电容，电容C12、C21是低音提升和衰减电容，电容C18、C19起到高音提升和衰减作用。对于低音信号来说，由于C18和C19的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器RPL1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器RPH1滑动端调到最左端时，C12被短路，此时电路图可简化为上图。由于电容C21对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。电路的频率响应分析如下：电压放大倍数表达式为：化简后得：所以该电路的转折频率为：。可见当频率时，；当频率时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R5与R4的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如上图所示。同样当RPH1的滑动端调到最右端时，电容C21被短路，其等效电路如上图所示。由于电容C12对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。电路的频率响应分析如下：该电路的电压放大倍数表达式为：其转折频率为：，可见当频率时，；当频率时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R5与R4的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如上图所示。电路对于高音信号来说，电容C12、C21的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器RPL1，即可实现对高音信号的提升或衰减。右图就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图中的R4、R5、R6组成的Y型网络转换成△连接方式，如右图。其中，，在假设条件R4=R5=R6的条件下，Ra=Rb=Rc=3R4=30kΩ。如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，Rc的反馈作用将忽略不计（Rc可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：其转折频率为：，当频率时，；当频率时，。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图(b)所示。当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图上（a）所示。该电路的电压放大倍数表达式为：其转折频率为：，当频率时，；当频率时，。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频响应曲线的波特图如图(b)所示。3．功率放大电路功率放大电路的作用是给扬声器提供所需要的输出功率。4．电源电路输出VCC=+12V，VEE=-12V。整体电路图：三、实验仪器：SBL型模拟电路实验箱、CDM8045数字式万用表、500HA指针式万用表、SP1631A函数信号发生器、CS-4125双踪示波器、WT2174A交流毫伏表。四、实验步骤：（1）电路设计，根据设计要求和电路原理设计并使用AltiumDesigner画出电路各级电路图。（2）电路仿真，使用Multisim对设计出的电路原理图进行仿真，检验电路是否符合设计要求，并做出相应调整：整体电路仿真（Multisim）1,整体放大倍数：中频1kHz，输入幅值5mV：输出波形。输出5.566V，增益60.92dB。2,频率带宽：由5.566V*0.707=3.935得：输出波形。下限频率fL=16.1Hz。同理：输出波形。上限频率fH=148kHz。仿真得频率带宽：148kHz。选购元件焊接电路，元器件清单：元件型号数量TDA20301NE553217812179121CAP0.01uF，瓷片5CAP47uF，电解6CAP1000uF，电解4RES22K2RES1k4RES100k4RES10k6RES4.7K2RES3.3K2滑线电阻100K3变压器三抽头，13-18V1排针4散热片1CAP10uF,电解2（4）电路调试，根据设计要求对制作出来的电路板适当调试以达到要求。五、实验数据记录和处理：（见附页）六、实验结果与分析：电路基本实现设计要求。测试效果良好。思考题1、对一个音频功率放大器的前置级有什么要求？对于功率放大级有什么要求？对音频功率放大器的前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小。对功率放大级的要求是输出效率高，输出功率大。2、何为D类功率放大器？D类功率放大器有什么特点？请列举出目前常用的D类集成音频功率放大器的芯片型号。D类功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。D类功率放大器的特点：具有很高的效率，通常能够达到85%以上。体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。无裂噪声接通。低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。目前常用的D类集成音频功率放大器的芯片型号：新日本无线公司生产的NJU8721、NJU8725,TI公司的TPA2000D4等.雅玛哈公司的YDA131-E,Tripath公司的TA2021、TI公司的TPA2000D2,ST微电子公司的TDA7480等.路数据表中所推荐使用的MOS-FET.最近,日本三洋电机开发出了专门用于功率级的混合集成电路STK210-030.3、试画出利用TDA2030/2030A实现的OTL功率放大器电路？若要输出8W的功率，对电源电压有什么要求？若要求进一步提高输出功率，TDA2030/2030A可接成BTL结构，试画出BTL电路图，并说明其工作原理。OTL电路图：若要输出功率8W，则要求电源电压正负绝对值不低于11.3V。 BTL电路图：工作原理:用两块TDA2030组成如图1所示的BTL功放电路，TDA2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1进入同相输入端①脚，交流闭环增益为KVC①＝1＋R3/R2≈R3/R2≈30dB。R3同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。TAD2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA2030（1）输出端的U01经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6反馈给反相输入端②脚，它的交流闭环增益KVC②＝R9/R7//R5≈R9/R7≈30dB。由R9＝R5，所以TDA2030（1）与TDA2030（2）的两个输出信号U01和U02应该是幅度相等相位相反的，即：U01≈Uin·R3/R2，U02≈－U01·R9/R5，∵R9＝R5，∴U02＝－U01因此在扬声器上得到的交流电压应为：U01-（-U02）＝2U01＝2U02扬声器得到的功率PY＝4PMONO4、什么是自激振荡现象？如果电路一旦出现自激振荡，将如何解决？自激振荡就是内部等效元件构成正反馈产生的振荡现象，一种是人为的在放大线路中加入移相元件，如L、C，那是想要的产生的