音頻功率放大器——青棗

1、深圳大學(xué)第六屆電子設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)報(bào)告題目：音頻功率放大器摘要錯(cuò)誤！未定義書簽。關(guān)鍵詞緒誤！未定義書簽。1緒論至昔誤！未定義書簽。2需求分析錯(cuò)誤！未定義書簽。2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求錯(cuò)誤！未定義書簽。2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)錯(cuò)誤！未定義書簽。2.1.2 設(shè)計(jì)要求錯(cuò)誤！未定義書簽。2.2 設(shè)計(jì)思想錯(cuò)誤！未定義書簽。3系統(tǒng)方案錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1 方案論證錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1.1 前置放大電路錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1.2 功率放大電路 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2 工作原理錯(cuò)誤！未定義書簽。4電路與程序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書簽。4.1 電路設(shè)計(jì)5.4.1.1 前置放大電路分析 5.4.1.2 均衡電路分析

2、5.4.1.3 功率放大電路分析 5.4.2 電路仿真 .55測試方案與測試結(jié)果 錯(cuò)誤！未定義書簽。5.1 前置放大實(shí)驗(yàn) 1.25.2 各級單元電路測試結(jié)果實(shí)驗(yàn)1.35.3 總評測試實(shí)驗(yàn)1.35.4 結(jié)果分析136 總結(jié)1.46.1 設(shè)計(jì)成果146.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)146.3 存在問題及改進(jìn)方法 14參考文獻(xiàn)3.致謝1.5附錄A 電路全圖錯(cuò)誤！未定義書簽。附錄B元器件清單1.6音頻功率放大器摘要：這次的電子設(shè)計(jì)我們的題目為音頻功率放大器，簡稱音頻功放。音頻功率放大器主要用于推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，凡發(fā)聲的電子產(chǎn)品中都要用到音頻功放， 比如手 機(jī)、MP4播放器、筆記本電腦、電視機(jī)、音響設(shè)備等給我們的生活和學(xué)

3、習(xí)工作 帶來了不可替代的方便享受。本文設(shè)計(jì)了音頻功率放大器，采用了分立元器件制作功率放大器且利用 Protel 99SE軟件設(shè)計(jì)完成原理圖。本系統(tǒng)有匹配對稱三極管完成前置放大級和 功率放大級，最后將音頻小信號轉(zhuǎn)變成大信號的功能。通過對所設(shè)計(jì)的音頻功率 放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，達(dá)到了最大輸出功率、放大倍數(shù)、失真度等技術(shù)指標(biāo)。具 有最大輸出功率穩(wěn)定，工作效率較高，頻率響應(yīng)失真較小，把小信號轉(zhuǎn)變成大信 號功能的分立元件功率放大器。圖1電路結(jié)構(gòu)框圖在音頻放大電路中，左右聲道的放大結(jié)構(gòu)完全相同，因此以下的分析中不對 左右聲道單獨(dú)區(qū)分。關(guān)鍵詞：音頻功率放大器、前置放大、功率放大1、緒論1.1 引言伴隨著科學(xué)技

4、術(shù)的迅速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對音頻功率放大器的要求越來 越高。音頻是多媒體中的一種重要媒體。人能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是60Hz-20kHz其中語音大約分布在 300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布 的。如何通過分析儀器讓音頻功放達(dá)到更高的要求是許多人為之努力的永恒的課題，聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成數(shù)字音頻，音頻分析就是以數(shù)字音頻信號為分析對象以數(shù)字信號處理的各種理論為分析手段，提取信號在時(shí)域，頻域內(nèi)一系列特性的過程。1.2 音頻功率放大器概述音響技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應(yīng)管四個(gè)階段。1906年美國的

5、德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了人類電聲技術(shù)的先河。1927年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了負(fù)反饋 NFB (Negative feedback)技術(shù)后，使音響技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的 時(shí)代，比較有代表性的如威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設(shè)計(jì)Hi-Fi (HighFidelity )放大器的文章中介紹了一種成功運(yùn)用負(fù)反饋技術(shù)，成為了 Hi-Fi史上一個(gè)重要的里 程碑。60年代由于晶體管的出現(xiàn)，使功率放大器步入了一個(gè)更為廣闊的天地。晶體管放大器 細(xì)膩動(dòng)人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，各種電路也相應(yīng)產(chǎn)生，如：“OTL (Output Transformer Less)”無輸出

6、放大器、"OCL(Output Capacitor Less)”放大器等。1.3 本設(shè)計(jì)的目的功率放大器是機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。 功率放大器發(fā)展至今，有許多種類和應(yīng)用，在工業(yè)方面，有數(shù)控機(jī)床的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有應(yīng)用于新型磁軸承開 關(guān)，也有在電力電子控制技術(shù)種的應(yīng)用。在通訊方面，有幾百毫瓦的蜂窩電話發(fā)射機(jī)、有基站幾十瓦的功率放大器、也有上千瓦的電視信號發(fā)射機(jī)。但所有的功率放大器，其設(shè)計(jì)所遵 循的基本規(guī)律幾乎是相同的。而它的設(shè)計(jì)包含了電子電路技術(shù)、模擬控制理論、測試技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)智能化的單片機(jī)控制技術(shù)等。因此以電子管音頻功率放大器設(shè)計(jì)制作作為載體。實(shí)現(xiàn)興趣與理論實(shí)踐

7、相結(jié)合，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程不枯燥無味，從而既實(shí)現(xiàn)了對功率放大器的理論學(xué) 習(xí)，又進(jìn)行一次高性能智能型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過實(shí)際設(shè)計(jì)與制作，進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)未知知識，在實(shí)踐中鍛煉自己，在鍛煉中提高自己專業(yè)水平。2、需求分析1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和需求1.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)音頻功率放大器，要求末級功放管采用分立的大功率晶體管，不得使用MOS1成功率模塊。1.1.2 設(shè)計(jì)要求1)基本要求(1)當(dāng)輸入正弦信號電壓有效值為 5mV寸，在8Q電阻負(fù)載(一端接地)上, 輸出功率5W輸出波形無明顯失真。(2)通頻帶為20Hz20kHz。(3)輸入電阻為10KQ以上。(4)輸出噪聲電壓有效值V)n< 5mV

8、本題輸出噪聲電壓定義為輸入端接地時(shí)， 在負(fù)載電阻上測得的輸出電壓，測量時(shí)使用帶寬為2MHz勺毫伏表。(5)盡可能提高功率放大器的整機(jī)效率。本題功率放大電路的整機(jī)效率定 義為：功率放大器的輸出功率與整機(jī)的直流電源供給功率之比。電路中 應(yīng)預(yù)留測試端子，以便測試直流電源供給功率。2)發(fā)揮部分(1)保證通頻帶內(nèi)低頻功率放大器失真度小于3%(2)在滿足失真度要求、通頻帶為20Hz20kHz的前提下，盡可能提高整機(jī) 效率。(3)設(shè)計(jì)加入一個(gè)調(diào)音電路，要求在100Hz和1000Hz兩個(gè)點(diǎn)，能夠調(diào)整土 8dB的音量。1.2 設(shè)計(jì)思想音頻功率放大器實(shí)際上就是對比較小的音頻信號進(jìn)行放大，使其功率增加， 然后輸出。

9、前置放大主要完成對小信號的放大，使用一個(gè)同向放大電路對輸入的 音頻小信號的電壓進(jìn)行放大，得到后一級所需要的輸入。后一級的主要對音頻進(jìn) 行功率放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)電阻而得到需要的音頻。 設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要 求，對整機(jī)電路做出適當(dāng)安排，確定各級的增益分配，然后對各級電路進(jìn)行具體 的設(shè)計(jì)。3 .系統(tǒng)方案3.1 方案論證總體設(shè)計(jì)思路框圖:3.1.1 前置放大電路前置放大器的作用簡單說來就是緩沖”，將外部輸入的音源信號進(jìn)行放大并 輸出。外部音源信號由較長的導(dǎo)線輸入， 并且信號源可能存在較高的內(nèi)阻，電流 輸出能力不強(qiáng)，因此需要 緩沖”來將其轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的信號源，以便驅(qū)動(dòng)后級電 路。(b)(c)圖三前置

10、放大電路外部音源信號經(jīng)過前置放大、均衡放大后，輸入最后的功率放大級，然后就外部 音源信號經(jīng)過前置放大、均衡放大后，輸入最后的功率放大級，然后就塊，其本 質(zhì)就是一個(gè)運(yùn)算放大器，和其它小信號放大用的運(yùn)放相比，有較大電流輸出能力， 可以輸出較大的功率。本實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)中采用的是雙電源下工作的OCL電路，具體如圖10所示，輸入Di輸出 C高音、Rl?220nF音喑 中低音 Kli 1C2TC*i 22QnFCj <7uFT圖四功率放大電路3.2 工作原理圖五音頻功率放大器總電路圖音頻功率放大器實(shí)際上就是對比較小的音頻信號進(jìn)行放大，使其功率增加，然后輸出。其原理如圖3-1所示，前置放大主要完成對小信

11、號的放大，使用一個(gè)同 向放大電路對輸入的音頻小信號的電壓進(jìn)行放大，得到后一級所需要的輸入。后一級的主要對音頻進(jìn)行功率放大， 使其能夠驅(qū)動(dòng)電阻而得到需要的音頻。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對整機(jī)電路做出適當(dāng)安排，確定各級的增益分配，然后 對各級電路進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。Pomax=5W輸出電壓U = PomaxRL =6-7V,要使輸入為10mv的信號放 大到輸出的6-7V,所需的總放大倍數(shù)為600-700>100。4 電路與程序設(shè)計(jì)4.1 電路設(shè)計(jì)4.1.1 前置放大電路分析在本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中選取了反相比例放大器作為前置放大級，具體電路設(shè)計(jì)和元件參數(shù)取值如圖6 （可參見附錄圖 3和圖4）。C*2

12、 SIpFOl220nF-T- Ri IOOKI+ -Ih » IR3OK_41 1 q-JC V uF 一°畬人輸出圖七前置放大電路電阻R = 30K, R1 = 100K,故可知放大倍數(shù)為 3.3,輸入電阻為 30K,針對外部音源的C （和C*1）是耦合電容，其容 虛地”，故電容C和電阻R構(gòu) 故該高通濾波器的截止頻率應(yīng)當(dāng)輸入信號來說，可以滿足輸入電阻足夠高”的條件。電容量取值可以按如下規(guī)則來考慮：因?yàn)檫\(yùn)放的反相端相當(dāng)于 成一階高通濾波器， 人耳能聽到的聲音信號最低為20HZ低于20HZ,才能保證音頻信號的完整傳輸，即：GiXH-1 M彳20HZ-?救十R取30K,可以求

13、得電容 C的容量應(yīng)當(dāng)大于0.27 西4.1.2 均衡電路分析均衡電路是由低通、高通、帶通等濾波器組成的可以對音調(diào)進(jìn)行控制的電路，聽者可以根據(jù)具體需求，對聲音信號中某些頻率段的增益(放大倍數(shù)) 進(jìn)行 調(diào)整。常用的均衡電路只是對高頻段或低頻段的增益進(jìn)行提升或衰減，而 中頻段 的增益保持不變。均衡電路可以用無源的 RC濾波網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成，也可以用運(yùn)算放大器組成的 有源濾波網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成，另外，現(xiàn)在許多半導(dǎo)體公司都有專用的音調(diào)IC(Integrated Circuit) 產(chǎn)品可以米用。圖7 (a)是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路中采用的均衡電路，由運(yùn)算放大器構(gòu)成，可 以 對高頻段和低頻段的增益分別進(jìn)行提升/衰減。輸入 R|

14、 RP| Rz圖8 (a)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的均衡電路(b)低頻提升簡化電路(c)低頻衰減簡化電路(d)高頻提升簡化電路(e)高頻衰減簡化電路對于圖7 (a)的電路進(jìn)行直接解析分析非常困難，可以分別考慮低頻、高 頻 的情況，對電路進(jìn)行簡化以后再分析,關(guān)鍵點(diǎn)在于：電容q = C2 >> C3,在低 頻 段時(shí)，可以將電容C3看成開路；而在高頻段時(shí),可以將電容C1、C2看成短路。 這樣，在低頻段時(shí)，當(dāng) RP1滑至最左端時(shí)，電路可以簡化為圖 7 (b)的等效電 路，在RP1滑至最右端時(shí)，電路可以簡化為圖7 (c)的等效電路。同理，在高 頻 段時(shí)，當(dāng)RP2滑至最左端時(shí)，電路可以簡化為圖 7 (d)

15、的等效電路，在RP2滑 至最右端時(shí)，電路可以簡化為圖 7 (e)的等效電路。這里需要注意一點(diǎn)，電 位器RP2在上述四種情況下始終并聯(lián)在輸入輸出端，本身并沒有引入運(yùn)放的反饋 回路中，因此做電路分析時(shí)不需要考慮。4.1.3 功率放大電路分析本實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)中采用的是雙電源下工作的OCL電路，具體如圖10所示，RP3是一只電位器，作用是進(jìn)行音量（Volume）調(diào)節(jié)。輸入信號（均衡電路 的輸 出信號）通過耦合電容 C1后，再由RP3進(jìn)行分壓調(diào)節(jié)，連接到 TDA2030的 同 相端。電阻R1、R2組成反饋回路，和 TDA2030構(gòu)成了一個(gè)同相比例放大電路， 這一部分就是整個(gè)功率放大電路的核心，本質(zhì)和普通運(yùn)

16、放完全一致。需要說明的 是電容C2同樣是一只耦合電容，作用同樣是 隔直通交”，使功率放大器僅僅對 交流信號產(chǎn)生放大作用，而對直流信號不產(chǎn)生任何放大：1、對于直流信號，電容 C2相當(dāng)于 開路”，此時(shí)電阻R2不起作用，功率放 大器和電阻R1構(gòu)成的是一個(gè)電壓跟隨器。由于電位器 RP3是通過電容C1和前級電路耦合，因此RP3上的直流電位一定為零，同時(shí)可以保證功率放大器的輸出也 一 定為零，即有 零輸入，零輸出”的性質(zhì)。2、對于交流信號，電容 C2相當(dāng)于 短路”，此時(shí)電阻R1和R2組成同相比 例 版大器反饋回路，功率放大器的交流電壓放大倍數(shù)為：一|Au = 1 +'R2對于耦合電容C1、C2理論

17、取值的計(jì)算，可以參考前面5.1小節(jié)中的補(bǔ)充介 紹。另外，電容C*1和C* 2同樣是設(shè)計(jì)中預(yù)留的無極性電容引腳，在實(shí)際電路焊接時(shí)可以根據(jù)情況取舍。C*i220nF圖九功率放大電路Ct 47 uF1（，liT1-RPj 歸一 50K廠inu 2K R :220nF,1ICa -_C*247uP TPSnF< h4.2電路仿真仿真電路圖如下所示:仿真結(jié)果如下:示波器-XSC1圖十一仿真分析（時(shí)域）結(jié)果曲線可以看出來，輸入是比例為5mV的電壓，最大值為7.210,即輸入正弦信號 電壓有效值為5.09mV。經(jīng)過功率放大之后得到的是6.6-7.1V （最大值）的輸出電 壓.，輸出功率為5.445-6

18、.301W,大于5W并且輸出波形無明顯失真。仿真 結(jié)果符合設(shè)計(jì)基本要求。5測試方案與測試結(jié)果5.1前置放大實(shí)驗(yàn)表5-1前置放大結(jié)果A VoR1 (k)R2 Af = 77R2 (k) Vi (mv) Vo (mv)Avf -1+Vi220202001110.9240204002120.8260206003131R1實(shí)測2802080041405.2 各級單元電路測試實(shí)驗(yàn)表5-2各級單元電路測試結(jié)果前置放大級Vi (mv20400Vo (mv)4004000a VoAf =Vi實(shí)測20.8105.3 總評測試實(shí)驗(yàn)表5-3 總評測試結(jié)果Vi (mv)20輸入信號頻10008002000010040

19、率 f (hz)Vo (mv)4000389637653568332120lg Av4138.536.233.432.15.4 結(jié)果分析6總結(jié)6.1 設(shè)計(jì)成果在本次課程設(shè)計(jì)中 ，通過電路設(shè)計(jì)，仿真，實(shí)際焊接測量，基本能滿足要求，在輸入 信號段輸入不同的信號，輸出端的喇叭會發(fā)出不同的響聲，當(dāng)在輸入端接上音樂時(shí)，輸出端會想起悅耳的音樂，說明設(shè)計(jì)成功。6.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非常的簡單，電路容易理解，實(shí)驗(yàn)容易進(jìn)行，能夠盡少的減小實(shí)驗(yàn)的成本，而 且這種方案的主要器件有自我保護(hù)的措施，能夠更好的保護(hù)實(shí)驗(yàn)器件，減少不必要的損 失。6.3 存在問題及改進(jìn)方法如果僅從對功率放大器性能的完美追求上去考慮，我們還可以

20、把許多只功率放大管 并聯(lián)起來工作獲得更高的性能。然而這乃是在用高投入成本來獲得實(shí)際效果增加不 多。事實(shí)上，當(dāng)人們把功率放大器的輸出功率制做得很巨大時(shí)，它也成為中高音單 元喇叭的致命殺手！而且使用級后分頻方式，在使用到高中低三個(gè)單元喇叭的情況下就開始明顯表現(xiàn)不隹，級后分頻方式僅能在二分頻情況下表現(xiàn)得比較良好。只有改為采用級前分頻方式來設(shè)計(jì)制作音頻功率放大器，我們才能從根本上克服級后分 頻的缺點(diǎn)，并根據(jù)不同工作頻帶范圍要求選用適合的器件，以最少的制造成本獲得最高的效果，本次用功放芯片能基本滿足 設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第四版）.武漢：高等教育出版社，2005.72高吉

21、祥 模擬電子技術(shù)電子工業(yè)出版社，20042彭介華電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)高等教育出版社，20023陳大欽電子電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、仿真高等教育出版社，20024童詩白、華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社，2006.5致謝感言歷時(shí)將近50天的音頻功率放大器設(shè)計(jì)結(jié)束了，這個(gè)我們帶來了無法忘卻的回憶。作為什么都不懂的大一新生，在這過程中無疑是充滿艱辛的。連接設(shè)計(jì)過程中，遇到了不少問題，包括原理的理解，實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)，不能出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況，以及對報(bào)告設(shè)計(jì)的疑惑。經(jīng)過對問題的分析及對線路，對實(shí)驗(yàn)器材的進(jìn)一步調(diào)試，小組成員的激烈討論，才一步步的解決問題，并最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和較好的報(bào)告設(shè)計(jì)。但是，盡管過程很艱辛，我們