音頻功率放大電路設(shè)計(jì)

1、音頻功率放大電路設(shè)計(jì) 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 音頻功率放大電路設(shè)計(jì) 專 業(yè)： xxxxxxxxxxxxxxxxxx 學(xué)生姓名: xx 學(xué) 號(hào): 起止日期: 2012年1月1日2012年1月12日指導(dǎo)教師: x x 音頻功率放大電路設(shè)計(jì)摘要：結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)了一種音頻功率放大電路。該電路由前置放大電路、衰減式音調(diào)控制電路、功率放大電路組成。為了驗(yàn)證電路的可行性利用Multisim 軟件進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了系統(tǒng)的安裝。該電路用來把微弱的聲音電信號(hào)進(jìn)行放大，以獲得足夠大的輸出功率推動(dòng)揚(yáng)聲器。關(guān)鍵詞：音頻功率放大；衰減式音調(diào)控制電路；MultisimAudio power amplifier circ

2、uit designAbstract: combined with the actual design of an audio power amplifying circuit. The circuit composed of a pre-amplifier circuit, attenuation type tone control circuit, a power amplifying circuit. In order to verify the feasibility of the use of Multisim software of circuit simulation, and

3、the installation of the system. The circuit used to bring the faint sound electrical signal is amplified, to obtain enough output power to drive a loudspeaker.Key words: audio power amplifier; attenuation type tone control circuit; Multisim目錄1.設(shè)計(jì)課題的要求和實(shí)現(xiàn)方法42.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案43.電路的工作原理5 3.1音頻功率放大電路5 3.2音調(diào)控制電路

4、53.3 其他電路和元器件的說明114.元件參數(shù)計(jì)算說明11 4.1衰減式音調(diào)控制電路的計(jì)算114.2整機(jī)電壓增益125.仿真分析136.元器件的焊接和系統(tǒng)調(diào)試186.元器件的焊接186.調(diào)試要點(diǎn)187. 元器件選擇表198心得體會(huì)209參考書目201.設(shè)計(jì)課題的要求和實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)并制作一音頻功率放大電路，具體要求如下：（） 功率放大電路能夠提供10倍的電壓增益；（） 功率放大電路的下限頻率小于100Hz，上限頻率大于10KHz;（） 在負(fù)載電阻為8的情況下，輸出功率1W； （） 功率放大電路效率大于50%；（） 輸出信號(hào)無明顯失真；（） 輸入電阻：600。音頻放大器主要用來對(duì)音頻信號(hào)(頻率范

5、圍大約為數(shù)十赫茲至數(shù)十千赫茲)進(jìn)行放大，是一種通用性較強(qiáng)的應(yīng)用電路，它廣泛用于收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)和擴(kuò)音機(jī)等整機(jī)產(chǎn)品中，用來把微弱的聲音電信號(hào)進(jìn)行放大，以獲得足夠大的輸出功率推動(dòng)揚(yáng)聲器。它也是音響裝置重要的組成部分，通常把它叫做擴(kuò)音機(jī)。它應(yīng)具有以下幾方面功能。 (1)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行電壓放大和功率放大，能輸出大的交流功率。 (2)具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，負(fù)載能力強(qiáng)。 (3)非線性失真和頻率失真要小(高保真)。(4)能對(duì)輸入信號(hào)中的高頻和低頻部分(高低音)分別進(jìn)行調(diào)節(jié)(增強(qiáng)或減弱)，即具有音調(diào)控制能力。2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案制定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)注重安全性、穩(wěn)定性、性價(jià)比、集成和分立元

6、件相結(jié)合、設(shè)計(jì)中用到的元器件易購(gòu)買等問題。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖一所示，主要由前置放大電路、衰減式音調(diào)控制電路、功率放大電路組成。輸 出聲 音音 頻功 放前 級(jí)電 路功放 圖1 設(shè)計(jì)流程圖音頻功率放大器實(shí)際上就是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，使其功率增加，然后輸出。前置放大主要完成對(duì)小信號(hào)的放大，使用一個(gè)同向放大電路對(duì)輸入的音頻小信號(hào)的電壓進(jìn)行放大，得到后一級(jí)所需要的輸入。后一級(jí)主要對(duì)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(duì)整機(jī)電路做出適當(dāng)安排，確定各級(jí)的增益分配，然后對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。 圖2 音頻放大器完整電路圖2為由集成運(yùn)算放大器、晶體管、衰減式音調(diào)

7、控制電路及外圍元件組成的音頻功率放大電路。該電路由12V雙電源供電，屬于功率放大電路。3.電路的工作原理3.1音頻功率放大電路音頻功率放大電路的輸入信號(hào)電壓，易產(chǎn)生輸出信號(hào)失真。所以，音頻信號(hào)經(jīng)過電位器分壓后引入到集成運(yùn)算放大器的同相輸入端，進(jìn)行電壓信號(hào)的放大和抑制零點(diǎn)漂移。之后經(jīng)組成的復(fù)合式互補(bǔ)對(duì)稱電路，進(jìn)行信號(hào)的調(diào)整和放大電流，最終推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。同時(shí)，將部分信號(hào)經(jīng)電位器和電阻引入到運(yùn)算放大器的反相輸入端。該電路扮演雙重角色：一方面夠成了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，起到穩(wěn)定輸出電壓、提高輸入電阻的作用；另一方面與集成運(yùn)算放大器相結(jié)合構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路，其功率放大的電壓增益為： 調(diào)整電位器和電阻參

8、數(shù)，可以改變放大電路的電壓增益。3.2音調(diào)控制電路衰減式音調(diào)控制電路如圖3所示。電路中的元件參數(shù)滿足下列關(guān)系：C1和C2容量遠(yuǎn)小于C3和C4，電位器Rw1和Rw2的阻值遠(yuǎn)大于R1和R2的阻值。根據(jù)放大電路頻率特性的分析方法，下面分成3個(gè)頻段來討論。 (1) 中頻區(qū)此時(shí)C3和C4可視為短路，而C1和C2可視為開路，簡(jiǎn)化等效電路如圖4所示。此時(shí)電路為開路，簡(jiǎn)化為 。此時(shí)電路的傳輸系數(shù)為 可見，中頻區(qū)輸入信號(hào)是按固定比例有衰減地傳輸過去。 (2) 低音區(qū) 因?yàn)樾盘?hào)頻率較低，c1和C2仍可看成開路，但C3和c4不能再看成為短路，等效電路如圖所示。此時(shí)，根據(jù)Rw2滑動(dòng)端所處位置的不同，輸出電壓Uo 也不

9、同。 Rw2 滑動(dòng)端在最上端時(shí)，對(duì)應(yīng)的等效電路如圖6(a)所示。電路的電壓傳輸系數(shù)為L(zhǎng)= = = =式中 ，的幅值為 (a) (b)圖6 Rw2動(dòng)端處于最上端時(shí)的等效電路和幅頻特性當(dāng)信號(hào)頻率較高(接近中頻區(qū))，滿足 L1和 L2時(shí)，則L1/L2=即為上述中頻區(qū)的電壓傳輸系數(shù)。如果信號(hào)頻率很低，滿足L1和 L2時(shí)，則由于叫/L1和叫/L2均遠(yuǎn)小于1，使1，表明此時(shí)信號(hào)幾乎沒有衰減地傳遞到輸出端，故在此頻率范圍的信號(hào)電壓相對(duì)于中頻區(qū)提高了。當(dāng)信號(hào)頻率處于L1<<L2范圍時(shí)，電路的傳輸系數(shù)隨著頻率的降低而逐漸增大，其變化的頻率近似于一6dB倍頻程。 RW2動(dòng)端在最上端時(shí)的低頻區(qū)電壓傳輸系

10、數(shù)和頻率的關(guān)系(幅頻特性)如圖6(b)所示，該圖是用折線代替曲線的近似畫法。由圖可看出低音區(qū)的電壓信號(hào)相對(duì)于中頻區(qū)而言得到了提升(增強(qiáng))的效果，其中頻率L2為低音開始提升的轉(zhuǎn)折頻率，L1為由提升轉(zhuǎn)入平坦時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率，在低頻區(qū)電壓信號(hào)提升的最大值為當(dāng)把電位器RW2滑動(dòng)端移動(dòng)到最下端時(shí)，其等效電路如圖7(a)所示，它構(gòu)成了低音衰減電路。此時(shí)輸出電壓為。式中：電位器與電容3并聯(lián)支路的阻抗。 (a) (b)圖7動(dòng)端處于最下端時(shí)的等效電路和幅頻特性當(dāng)頻率降低時(shí)，XC3增大，則RW2XC3增大，從而使輸出電壓減小，即低音受到衰減。 同樣可以寫出該電路的電壓傳輸系數(shù)，其值為 式中則 當(dāng)信號(hào)頻率較高(接近中頻

11、區(qū))，滿足時(shí)，則，即為上述中頻區(qū)的電壓傳輸系數(shù)。當(dāng)信號(hào)頻率很低(時(shí))，即，相對(duì)于中頻區(qū)的電壓信號(hào)衰減了。 在信號(hào)頻率處于范圍時(shí)，電路的傳輸系數(shù)隨著頻率的減小而降低，其幅頻特性如圖7(b)所示，可見在低音區(qū)的電壓信號(hào)相對(duì)于中音區(qū)產(chǎn)生了衰減，圖中式中， 信號(hào)開始衰減時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率，而式中，由衰減轉(zhuǎn)變到平坦時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率，衰減段的斜率為-6dB倍頻程。(3)高音區(qū)信號(hào)在高頻率區(qū)，電容C3和C4都可看成短路，簡(jiǎn)化電路如圖8所示。此時(shí)，根據(jù)RW1滑動(dòng)端的位置即可確定所對(duì)位輸出電壓的大小?；瑒?dòng)端移至最上端時(shí)，由于RW1R2，Rw1和C2支路可視為開路，于是簡(jiǎn)化電路如圖9(a)所示。可得， 式中， ，隨著頻率的

12、升高，C1容抗下降，Z1減小，Uo增大，即高頻信號(hào)被提升。當(dāng)頻率上身到某一頻率時(shí)，電容C1可看成短路，Z10，于是UoUi,輸出達(dá)到最大值。該等效電路的傳輸系數(shù)為式中 ，所以若信號(hào)頻率較低(接近中頻區(qū))，滿足時(shí)，則和均1，于是為中頻區(qū)的電壓傳輸系數(shù)。 (a) (b)圖9電位器RW1動(dòng)端在最上面時(shí)的等效電路和幅頻特性 若信號(hào)頻率很高，滿足時(shí)，則和均1，于是，此時(shí)幾乎全部輸入信號(hào)都傳遞到輸出端，表明在高音區(qū)的電壓被提升的最大范圍為。 當(dāng)信號(hào)頻率處于范圍時(shí)，隨著頻率的增加使電路的傳輸系數(shù)也增大，其幅頻特性如圖9(b)所示?？梢姡咭綦妷盒盘?hào)得到提升。圖中為高音開始提升的頻率，為由提升進(jìn)入平坦的頻率，

13、提升段斜率為6dB倍頻程。當(dāng)電位器Rw1?；瑒?dòng)端移至最下端時(shí)，簡(jiǎn)化的等效電路如圖10(a)所示，輸出電壓為 (a) (b)圖10動(dòng)端移到最下端時(shí)的等效電路和幅頻特性 隨著電壓信號(hào)頻率的增加，電容C2容抗減小，則Z2減小，于是輸出電壓Uo減小，使高頻信號(hào)被衰減。 對(duì)應(yīng)的電壓傳輸系數(shù)為 式中 所以 同樣可以畫出電路傳輸系數(shù)的幅頻特性，見圖10(b)?？梢姡S著信號(hào)頻率的增大，輸出信號(hào)衰減量愈來愈大，獲得高音衰減的效果，圖中為高音開始衰減的轉(zhuǎn)折頻率。綜合上述高、低音的提升和衰減特性，并使電路參數(shù)選擇合適()，就形成了如圖11所示的高低音提升和衰減曲線，圖中的兩條曲線是在Rw1和Rw2滑動(dòng)端處于某個(gè)極

14、限端的情況，當(dāng)調(diào)節(jié)Rw1或Rw2時(shí)，幅頻特性將在兩條線之間變化。 圖11高低音提升衰減曲線3.3 其他電路和元器件的說明（1）集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由輸入級(jí)（采用差分放大電路來抑制溫漂）、 中間級(jí)（采用復(fù)合管組成的共射放大電路來提高信號(hào)的電壓放大倍數(shù)）、 輸出級(jí)（互補(bǔ)功率放大）和偏置電路組成.該設(shè)計(jì)中利用集成運(yùn)算放大器提高電路的驅(qū)動(dòng)能力.（2）通過上的導(dǎo)通壓降來抵消晶體管 發(fā)射極的內(nèi)電場(chǎng)， 使得靜態(tài)情況下這兩個(gè)晶體管處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)， 消除交越失真.（3）晶體管構(gòu)成了乙類互補(bǔ)功率放大電路構(gòu)成了復(fù)合管（也稱達(dá)林頓管）， 提高晶體管的電流放大倍數(shù)， 加大輸出推動(dòng)功率.在正弦交流信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)

15、各導(dǎo)通半個(gè)周期， 即信號(hào)的正半周內(nèi)導(dǎo)通而截止； 在信號(hào)的負(fù)半周內(nèi) 導(dǎo)通而截止，進(jìn)行信號(hào)的放大。（4）用于減小復(fù)合管的穿透電流， 提高電路的穩(wěn)定性。為直流負(fù)反饋電阻， 改善功率放大電路的性能。為平衡電阻， 使的輸出對(duì)稱.構(gòu)成消振網(wǎng)絡(luò)， 可使輸出等效負(fù)載呈阻性， 消除輸出負(fù)載端的高頻自激。4.元件參數(shù)計(jì)算說明4.1衰減式音調(diào)控制電路的計(jì)算（1）確定轉(zhuǎn)折頻率因?yàn)橥l帶為，所以兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為 又因?yàn)樵诤椭g，高低音提升，衰減曲線按±6dB倍頻程的斜率變化，所以根據(jù)低頻處和高頻處的提升量，即可求出所需要的另外兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率和。 （2）確定電位器RW2和RW3的數(shù)值因?yàn)檫\(yùn)放的輸入阻抗很高(一般

16、大于500k)，又要求RW3和Rw2的阻值遠(yuǎn)大于R1和R2的阻值，同時(shí)還要滿足提升和衰減量的要求，所以電位器RW1、Rw2的阻值應(yīng)選取得較大，通常為100500k范圍。（3）計(jì)算阻容元件值由前面分析得到的各轉(zhuǎn)折頻率的表達(dá)式可計(jì)算出音調(diào)控制電路中的阻容元件值。 由以上公式在通頻帶20Hz20KHz范圍下取3k，30，。4.2整機(jī)電壓增益整機(jī)電壓增益為式中，輸入電壓由技術(shù)指標(biāo)給出，輸出電壓要根據(jù)額定輸出功率和負(fù)載電阻求出 (為有效值)所以輸出電壓為 于是可以求得整機(jī)的總電壓增益。設(shè)音調(diào)控制電路電壓增益和功率放大電路電壓增益分別為，則式中為音調(diào)控制電路的衰減量，。 。本設(shè)計(jì)中時(shí)，在輸入電壓幅值為1V

17、的情況下輸出功率遠(yuǎn)大于1W。因此取=10k，=1k。 在模擬電路中乙類互補(bǔ)功率放大電路的效率約為78.5%，本設(shè)計(jì)中負(fù)載電阻為8，為以較小的理想值，因此滿足功率放大電路效率大于50%的要求。5.仿真分析利用multisim計(jì)算機(jī)輔助分析軟件， 對(duì)音頻功率放大電路進(jìn)行仿真， 確定該方案的正確性和可行性.通過仿真結(jié)果和理論推導(dǎo)，反復(fù)調(diào)整電路的參數(shù)，使信號(hào)的輸出達(dá)到最佳效果.再通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最后確定各元器件的具體參數(shù)和型號(hào)。圖12 沒加音調(diào)控制電路的音頻放大電路仿真電路圖13沒加音調(diào)控制電路的音頻放大電路仿真電路輸入輸出波形 從輸入輸出波形可看出。圖14沒加音調(diào)控制電路的音頻放大電路仿真電路幅頻特性

18、曲線圖15沒加音調(diào)控制電路的音頻放大電路仿真電路相頻特性曲線圖16沒加音調(diào)控制電路的音頻放大電路PCB圖圖17 音頻放大電路完整電路仿真圖從輸入輸出波形可看出加入音調(diào)控制電路后顯著增加。從相頻特性曲線和幅頻特性曲線看出加入音調(diào)控制電路后幅值在同樣頻率時(shí)顯著增加，并且在較大頻率范圍內(nèi)輸入輸出信號(hào)相位偏差趨近于0。 圖17 音頻放大電路完整電路仿真圖輸入輸出波形圖18 音頻放大電路完整電路仿真圖幅頻相頻特性曲線6.元器件的焊接和系統(tǒng)調(diào)試6.元器件的焊接根據(jù)原理圖和各功能模塊布置好印刷電路板， 擺放好元器件， 焊好各元器件的管腳.特別要注意集成運(yùn)算放大器、 晶體管、 整流橋、 集成穩(wěn)壓器等各元器件管

19、腳的正確連接， 系統(tǒng)調(diào)試如下：（1）用萬用表測(cè)試直流電源正、 負(fù)兩端的輸出電壓， 確認(rèn)達(dá)到±12V時(shí)， 方可作為音頻功率放大電路和音頻信號(hào)發(fā)生模塊的輸入電壓；（2）安裝電路時(shí)， 首先將音頻功率放大電路中的電位器阻值調(diào)為零.當(dāng)調(diào)整輸出級(jí)靜態(tài)工作電流或輸出波形出現(xiàn)交越失真時(shí)， 逐漸增大其阻值.否則靜態(tài)時(shí)， 因阻值較大造成通過復(fù)合管的電流過大損壞晶體管；（3）音頻功率放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由電阻的電流來決定.如果過小， 會(huì)使晶體管工作在乙類狀態(tài)， 輸出信號(hào)出現(xiàn)交越失真； 如果過大， 會(huì)增加靜態(tài)功耗， 使音頻功率放大電路的效率降低。multisim仿真時(shí),用數(shù)字萬用表測(cè)得電流發(fā)現(xiàn)為時(shí)，工作

20、在甲乙類工作狀態(tài)。6.調(diào)試要點(diǎn)整機(jī)裝配完畢以后，要進(jìn)行如下的檢查和調(diào)試工作。1電路檢查 檢查電路元件焊接是否正確、可靠，注意檢查元件連接是否有虛焊和短路，查看運(yùn)放和晶體管引腳是否接對(duì)，注意電解電容極性不能接反。檢查電源電壓是否符合要求，正負(fù)電源方向要正確，數(shù)值要對(duì)稱。2檢查靜態(tài)(1)負(fù)載(RL)開路，接通電源，粗測(cè)各級(jí)靜態(tài)情況。用萬用表直流電壓擋檢查正負(fù)電源電壓是否加上。 逐級(jí)檢查各級(jí)狀態(tài)：測(cè)量各晶體管UBE和UCE，UBE=0和UCE=0均為不正常，對(duì)運(yùn)算放大器要測(cè)量各引腳電壓是否正常(輸人和輸出端電壓為零)。檢查輸出級(jí)電位。輸出端電位應(yīng)為0V。 (2)接假負(fù)載(8、8電阻)，測(cè)量上述靜態(tài)電

21、壓。輸出端電位仍為0V，不應(yīng)有太大的偏移，否則表明互補(bǔ)對(duì)稱管不對(duì)稱。3動(dòng)態(tài)測(cè)試。 測(cè)量最大輸出功率。音頻信號(hào)頻率1kHz，逐漸增大輸人信號(hào)電壓并使示波器顯示的波形剛好不產(chǎn)生失真，測(cè)出此時(shí)輸出電壓的有效值，則輸出功率應(yīng)大于指標(biāo)要求。 測(cè)量輸入靈敏度。接線同上，當(dāng)輸出功率為額定值時(shí)，測(cè)得輸入電壓其值應(yīng)低于指標(biāo)要求，否則應(yīng)改變電阻值，以增大電壓放大倍數(shù)。測(cè)試幅頻特性。保持輸入電壓幅值不變，只改變頻率 ( 從)，測(cè)出對(duì)應(yīng)輸出電壓幅度，測(cè)試過程輸出波形不應(yīng)失真，可先在低壓下測(cè)試(使輸出電壓約為50的額定值)，然后，再在額定值輸出下測(cè)試。 失真度測(cè)量。輸人信號(hào)在100Hz、1kHz、5kHz時(shí)，輸出均達(dá)到額定輸出功率，分別測(cè)出對(duì)應(yīng)的失真度數(shù)值，應(yīng)符合規(guī)定要求。 測(cè)試整機(jī)的高低音控制特性。音量電位器R置最大位置，輸入電壓=50mV固定不變，改變信號(hào)頻率，從按下述和的不同位置進(jìn)行測(cè)試。 a)和動(dòng)端置于最上端。測(cè)得對(duì)應(yīng)的輸出電