音频功率放大器的设计与实现

姓名班级学号实验日期节次教师签字成绩音频功率放大器的设计与实现1.实验目的设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度≤5mV，负载电阻等于8Ω的条件下，音频功率放大器满足如下要求：1.最大输出不失真功率POM≥8W。2.功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz。3.在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。4.输入阻抗Ri≥100kΩ。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。2.总体设计方案该音频功率放大器可由图1所示框图实现。前置放大级主要实现对输入信号的放大，从而与功率放大器的输入灵敏度进行匹配。音调控制级主要实现对输入信号的提升或衰减，以满足不同听众的需求。功率放大级是此音频功率放大器的核心部分，它决定了输出功率的大小。下面介绍各模块的实现方法。图1音频功率放大器组成框图（1）前置放大器由于输入信号非常微弱且音频宽度过大，需要前置放大器有较高的输入阻抗，较低的输出阻抗，噪声小，频带宽。为达到预期的效果，有两种选择。一是由分立元件搭建的放大电路，二是采用合适的集成放大电路。由于集成放大电路性能稳定，外围电路简单，便于调试，本前级放大电路选择集成放大电路实现。（2）音调调节级由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。图2负反馈式音调控制电路图在电路图2中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图3(a)。由于电容C2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。图3(a)电路的频率响应分析如下：(a)低音提升等效电路图(b)低音提升等效电路幅频响应波特图图3低音提升等效电路图及幅频响应曲线图3所示的电压放大倍数表达式为：化简后得：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R2与R1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图3(b)所示。(a)低音衰减等效电路图(b)低音衰减等效电路幅频响应波特图4低音衰减等效电路图及幅频响应曲线当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图4(a)所示。由于电容C1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。图4(a)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R2与R1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图4(b)所示。同理，图2电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图5（a）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R1、R2、R3组成的Y型连接转换成△型连接方式，如图5（b）。其中，，。在假设条件R1=R2=R3的条件下，Ra=Rb=Rc=3R1。(a)高音信号下的简化电路图(b)△型连接方式图5高音等效简化电路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6(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6(b)所示。(a)高音提升等效电路(b)高音提升等效电路的幅频响应波特图图6高音提升等效电路及幅频响应曲线当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7（a）所示。(a)高音衰减等效电路(b)高音衰减等效电路的幅频响应波特图图7高音衰减等效电路及幅频响应曲线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7(b)所示。在电路给定的参数下，，。综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。图8音调控制电路的幅频响应波特图（3）功率放大级功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。3.实验电路图（1）前置放大电路（2）音调控制器电路（3）功率放大器电路4.仪器设备名称、型号和技术指标仪器名称型号Agilent示波器Agilent信号发生器毫伏表DA-16技术指标：前置放大器的电压放大倍数取80，音调控制器放大器在中频（1KHz）处的电压放大倍数取1，功率放大器级（采用集成功放）电压放大倍数取30。5.仿真分析结果本实验采用Multisim11.0进行仿真，首先对各个模块电路进行仿真，检验是否能完成相应的功能。然后再将各个模块连在一起进行整体仿真。以下为仿真电路及仿真结果：(1)前置放大电路零输入情况下：第一级输出直流电压第二级输出直流电压第一级输出交流电压第一级输出交流电压15KHZ时的波形，此时电压放大倍数为79.8850HZ时的输出电压波形，此时电压放大倍数为79.88由以上仿真可知，前级放大电路的放大倍数为79.88倍，与理论值80接近，满足设计要求。前级放大电路的波特图，最大增益38.05dB下限频率372,759mHz上限截止频率572.485kHz由波特图可知前级放大电路的频带宽度为372,759mHZ到572.485khz，满足设计要求。（2）音调控制器电路中音测试：（3）功率放大器电路输入为400mv时未出现失真6.详细实验步骤及实验测量数据记录按照电路图连接前级放大电路，进行前置放大器调试。安装电路时注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反。同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象，同时测量前置放大器的噪声输出大小。加入幅值5mV、频率1000Hz的交流正弦波信号，测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。改变输入正弦波信号的频率，测试前置放大器的频带宽度。f/Hz2050100200300400500u/V7.65.823.471.991.521.321.22低音提升f/Hz124681015u/V1190147022503045390546256095高音提升最大不失真输出电压/mV最大不失真输出幅度/V最大不失真输出功率/W513.110.727.实验结论在输入音频信号位5mV时，可以得到最大不失真输出电压为13.1V，最大不是真输出功率为：10.72W，满足要求。8.实验中出现的问题及解决对策对电路仿真软件Multisim11.0不熟悉，不清楚如何实现某种功能。通过在网上查资料、问老师，成功完成