音頻功率放大器設(shè)計

1、音頻功率放大器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個實用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度W5mV,負教電阻等于8Q的條 件下，音頻功率放大器滿足如下要求：1、最大輸出不失真功率P0M28W。2、功率放大器的頻帶寬度BW250Hz15KHz。3、在最大輸出功率下非線性失真系 數(shù)W3%。4、輸入阻抗Ri2100kC。5、具有普調(diào)控制功能：低音100Hz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，高音10kHz處有±12dB 的調(diào)節(jié)范圍。二、設(shè)計方案分析根據(jù)設(shè)計課題的要求，該音頻功率放大器可由圖所示框圖實現(xiàn)。下面主要介紹各部 分電路的特點及要求。話筒輸入前置放大音調(diào)控制功率放大VoRL圖1音頻功率放大器組成框

2、圖1、前置放大器音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進行放大，然后輸出驅(qū)動揚聲器。聲音 源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機、錄音機（放音磁頭）、CD唱機及線路傳 輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大，從零點兒亳伏到幾百亳伏。一般功率放大 器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器中的話，對 于輸入過低的信號，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號 的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴重過我失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所 以一個實用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入信 號，或放大，或衰減，或進行阻

3、抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。另外在 各種聲音源中，除了信號的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機輸出信號 和磁帶放音的輸出信號頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對于這樣的 輸入信號，在進行功率放大器之前，需要進行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復到接近平 坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。對于話筒和線路輸入信號，一般只需將輸入信號進行放大和衰減，不需要進行頻率均 衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是 使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號非常 微弱，一般只有100 UV幾亳伏，所

4、以前置放大器輸入級的噪聲對整個放大器的信噪比影 響很大。前置放大器的輸入級首先采用低噪聲電路，對于由晶體管組成的分立元件組成的 前置放大器，首先要選擇低噪聲的晶體管，另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。由于場效應(yīng) 管的噪聲系數(shù)一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點無關(guān)，在要求高輸入阻抗的前置 放大器的情況下，采用低噪聲場效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運算放大 器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂移的集成運算放大器。對于前置放大器的另 外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶，以保證音頻信號進行不失真的放大。2、音調(diào)控制電路音調(diào)控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進行控制,

5、 從而達到控制放音音色的目的，以適應(yīng)不同聽眾對音色的不同愛好。此外還能補償信號中 所欠缺的頻率分量，使音質(zhì)得到改善，從而提高放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路 中，一般采用的是高、低音分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個良好的音調(diào)控制電路，要求有 足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時有要求在高、低音從最強調(diào)到最弱的整個過程中，中音信 號(一般指1kHz)不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音量在音調(diào)控制過程中不至于有太大的 變化。音調(diào)控制電路大多由RC元件組成，利用RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段 的音頻信號，達到控制音調(diào)的目的。音調(diào)控制電路一般可分為衰減式和負反饋式兩大類， 衰減式音調(diào)控制電路的調(diào)節(jié)范圍可以

6、做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減，并且 在調(diào)節(jié)過程中整個電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負反饋式音調(diào)控制電路的 噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時，其轉(zhuǎn)折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨 之改變。下面分析負反饋型音調(diào)控制電路的工作原理。(1)負反饋式音調(diào)控制器的工作原理由于集成運算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點，用它制作的音調(diào)控制電路 具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，典型的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中電位器Rpl是高 音調(diào)節(jié)電位器，Rp2是低音調(diào)節(jié)電位器，電容C是音頻信號輸入耦合電容，電容Cl、C2是 低音提升和衰減電容，一般選擇C1=C2,電容C3起到高音提升和衰減

7、作用，要求C3的值 遠遠小于C1。電路中各元件一般要滿足的關(guān)系為:Rpl=Rp2, R1=R2=R3, C1=C2, Rpl=9Rl«RI提升ClViCR4+C3提升衰減低音Rp2衰減R3C2_AR2VoRpl高音圖2負反饋式音調(diào)控 制電路圖在電路圖2中，對于低音信號來說，由于C3的容抗很大，相當于開路，此時高音調(diào) 節(jié)電位器Rpl在任何位置對低音都不會影響。當?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動端調(diào)到最左端時, C1被短路，此時電路圖2可簡化為圖3(a) °由于電容C2對于低音信號容抗大，所以相對 地提高了低音信號的放大倍數(shù)，起到了對低音提升的作用。圖3(a)電路的頻率響應(yīng)分析如 下：

8、Rp2dBR220-6dB/倍頻程 R3_A+C210Vo0f201gAvfViRlfLlfL2(a)低音提升等效電路圖(b)低音提升等效電路幅頻響應(yīng)波特圖圖3低音提升等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線圖3所示的電壓放大倍數(shù)表達式為：AVf?. Z2Rj?C2?(P2?R2)/Rl 化簡 ZlRP2?lj?C2 后得：AVf?. RP2?R2?R11?j?C2RP2?R2RP2?R2,所以該電路的轉(zhuǎn)折頻率為：l?j?C2?RP211 o 可見當頻率 f?0 時，?2?(RP2/R2)C22?R2C2fLl?. 12?RP2?C2 , fL2?AVf. RP27R2R：當頻率f?時，AVf?2?lo從定性

9、的角度來說，就是在中、？R1R1高音 域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益 為(RP2?R2)R1.低音提升等效電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖3(b)所示。同樣當Rp2 的滑動端調(diào)到最右端時，電容C2被短路，其等效電路如圖4(a)所示。由于電容C1對輸入音頻信號的低音信號具有較小的電壓放大倍數(shù)，所以該電路可實現(xiàn)低 音衰減。圖4(a)電路的頻率響應(yīng)分析如下：該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：AVf?. R2R21?j?RP2Cl,其轉(zhuǎn)折頻率為：?Rl?(lj?Cl)/RP2Rl?RP21?j?(RP2/Rl)ClfL，1?. Ill* , fL2? 0 可

10、見當頻率 f?0 時，?2?(RP2/R1)2?R12?RP2ClAVf. R2R：當頻率 f?時，AVf?2?K 從定性的角度來說，就 是在中、？R1?RP2R1高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1：在低音域，增益 可以得到衰減，最小增益為R2(R1?RP2)。低音衰減等效電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖 4(b)所示。在電路給定的參數(shù)下,fLl?fLl, fL2?fL2 oRp20' * fL* IfL* 2fViRlR2ClR3_A+Vo- 10+6dB/倍頻程-20dB201gAvf(a)低音衰減等效電路圖(b)低音衰減等效電路幅頻響應(yīng)波特圖圖4低音衰減等效電路圖及幅頻

11、響應(yīng)曲線同理，圖2電路對于高音信號來說，電容Cl、C2的容抗很小，可以認為短路。調(diào)節(jié) 高音調(diào)節(jié)電位器Rpl，即可實現(xiàn)對高音信號的提升或衰減。圖5 (a)就是工作在高音信號 下的簡化電路圖。為了便于分析，將圖中的RI、R2、R3組成的Y型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成連接方 式，如圖 5 (b) , 其中 Ra?Rl?R3?Rl?R3R?R3, Rb?R2?R3?2, R2RlRc?Rl?R2?Rl?R2o 在假 設(shè)條件 R1=R2=R3 的條件下，Ra=Rb=Rc=3Rl0 R3RlR2RcR3ViR4+C3 提升衰減 _AVoViRaRb_R4+AVoC3 提升衰減 Rpl iWj h Rpl i'&l

12、t;j(V(a)(b)圖5高音等效簡化電路如果音調(diào)放大器的輸入信號是采用的內(nèi)阻極小的電壓源，那么通過Rc支路的反饋電 流將被低內(nèi)阻的信號源所旁路，Rc的反饋作用將忽略不計(Rc可看成開路)。當高音調(diào) 節(jié)電位器滑動到最左端時，高音提升的等效電路如圖6(a)所示。此時，該電路的電壓放大 倍數(shù)表達式為：AVf?. RbR?l?j?C3(R4?Ra)?,其轉(zhuǎn)折頻率為：？b(lj?C3?R4)RaRa(l?j?C3R4fHl. R11, fH2?o 當頻率 f?0 時，AVf?b?l：當頻率?2?C3(R4?Ra)2?C3R4Ra.f?時,AVf?R4?Rao 從定 性的角度上看，對于中、低音區(qū)域信號，

13、放大器的增R4R4?Ra。高音提升R4益等于1：對 于高音區(qū)域的信號，放大器的增益可以提升，最大增益為電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特圖如 圖6(b)所示。ViRa201gAvfRb20+6dB/倍頻程 R4c3_A+010Vof圖6高音提升等效電路及幅頻響應(yīng)曲線fHlfH2(a)高音提升等效電路(b)高音提升等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖當Rpl電位器滑動到最右端時，高音頻信號可以得到衰減，高音衰減的等效電路如圖 7 (a)所示。ViRaRbO' fHf fH2fR4_A+C3Vo-10-6dB/倍頻程-20211gAvf(a)高音衰減等效電路(b)高音衰減等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖圖7高音衰減等效電路及幅頻響應(yīng)曲線該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：AVf?. (R4?l)/Rbj?C3Rl?j?C3R40 其轉(zhuǎn)折頻率為：?c?RaRal?j?C3(R4?Rb)f，Hl. Rif , fH2?o 當頻率 f?0 時，AVf?b?