#音頻功率放大器的設計與實現(xiàn)

1、模擬電子電路實驗課程設計音頻功率放大器的設計與實現(xiàn)一、設計任務設計并制作一個音頻功率放大電路(電路形式不限)，負載為揚聲器，阻抗 8“。要求直流穩(wěn)壓電源供電，多級電壓、功率放大，所設計的電路滿足以下基 本指標：(1) 頻帶寬度50Hz20kHz,輸出波形基本不失真；(2) 電路輸出功率大于8W;(3) 輸入阻抗： 10k鋁(4) 放大倍數(shù)：羽0dB;(5) 具有音調控制功能：低音100Hz處有土 12dB的調節(jié)范圍，高音10kHz 處有土 12dB的調節(jié)范圍；(6) 所設計的電路具有一定的抗干擾能力；(7) 具有合適頻響寬度、保真度要好、動態(tài)特性好。發(fā)揮部分：(1) 增加電路輸出短路保護功能；

2、(2) 盡量提高放大器效率；(3) 盡量降低放大器電源電壓；(4) 采用交流220V, 50Hz電源供電。二、設計要求正確理解有關要求，完成系統(tǒng)設計，具體要求如下：(1) 畫出電路原理圖；(2) 確定元器件及元件參數(shù)；(3) 進行電路模擬仿真；(4) SCH文件生成與打印輸出；(5) PCB文件生成與打印輸出；(6) PCB版圖制作與焊接；(7) 電路調試及參數(shù)測量。根據(jù)以上設計要求編寫設計報告，寫出設計的全過程，附上有關資料和圖紙。 設計報告格式請參見附錄一。三、實驗原理音頻功率放大器是一種應用廣泛、實用性強的電子音響設備，它主要應用于對弱音頻信號的放大以及音頻信號的傳輸增強和處理。按其構成

3、可分為前置放大 級、音調控制級和功率放大級三部分，如圖 1所示。Vi百一前置放大級f音調控制放大級 f功率放大級土圖1音頻功率放大器的組成框圖1 前置放大級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， 從零點幾毫伏到幾 百毫伏。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 嚴重過載

4、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)必須設置前置放大器，以便使放大器適應不同的輸入信號，或放大，或衰減， 或進行阻抗變換，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

5、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卩v幾毫伏，所以前置放大器輸 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，另外還要設置合適的靜態(tài)工作點。由于場效應管的噪聲系數(shù)一般比晶體 管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點無關，在要求高輸入阻抗的前置放大器的情況下， 采用低噪聲場效應管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運算放大器構成前 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

6、一要求是要有 足夠寬的頻帶，以保證音頻信號進行不失真的放大。常用的前置放大器按結構劃分有五種類型：(1) 單管前置放大器(2) 雙管阻容耦合前置放大器(3) 雙管直接耦合前置放大器(4) 集成前置放大器(5) 場效應管前置放大器2 音調控制電路音調控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內放大器的頻率響應曲線的形 狀進行控制，從而達到控制放音音色的目的，以適應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、低音分別可調的音調控制電 路。一個良好的音調控制電路，要求有足夠的高、低音調節(jié)范圍，同時有要求在

7、 高、低音從最強調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，以保證音量在音調控制過程中不至于有太大的變化。音調控制電路大多由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 音調控制電路一般可分為衰減式和負反饋式兩大類， 衰減式音調控制電路的調節(jié) 范圍可以做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減， 并且在調節(jié)過程中整個 電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負反饋式音調控制電路的噪音和失 真較小，并且在調節(jié)音調時，其轉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控制電路的工作原理。(1) 負反饋式音調控制器的工作原理由于集成

8、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 控制電路具有電路結構簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，典型的電路結構如圖2所示。其 中電位器Rp1是高音調節(jié)電位器，Rp2是低音調節(jié)電位器，電容C是音頻信號輸 入耦合電容，電容C1、C2是低音提升和衰減電容，一般選擇 C仁C2電容C3起 到高音提升和衰減作用，要求 C3的值遠遠小于C1。電路中各元件一般要滿足的 關系為：Rp仁Rp2 R1=R2=R3 3= C2 Rp1=9R1。圖2負反饋式音調控制電路圖(a)低音提升等效電(b)低音提升等效電路幅頻響應波特圖圖3低音提升等效電路圖及幅頻響應曲線在電路圖2中，對于低音信號來說，由于 C3的容抗很大

9、，相當于開路，此時高音調節(jié)電位器Rp1在任何位置對低音都不會影響。當?shù)鸵粽{節(jié)電位器Rp2滑動端調到最左端時，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)電路的頻率響應分析如下:圖3所示的電壓放大倍數(shù)表達式為:Rp2 j C2RP2 1 j C2r2）/r化簡后得:RP2 R21 + j時c2-RP2 R2 RP2 R21 + j«C2 rP2Ri所以該電路的轉折頻率為：12 RP2 C2L21R52 二（Rp2 R2）C22二R2C2可見當頻率f f 0時，AVfRi從定性的角度

10、來說，就是在中、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) Ri。低音提升等效電 路的幅頻響應特性的波特圖如圖 3(b)所示。(a)低音衰減等效電路圖(b)低音衰減等效電路幅頻響應波特圖圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應曲線同樣當Rp2的滑動端調到最右端時，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)電路的頻率響應分析如下：該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：R2R21 亠 p. RP2C!AvfR"i +(1 j C1)

11、 / Rp 2R<|+Rp2 1 + 血(Rp2 R1 )C1其轉折頻率為:2RP2C112二(RP2 R1)12R1可見當頻率f f0時,Avf2;當頻率fR1 + RP2f g時,fRR1(b)R1R3Ra = R1 + R3 + R2R = R2 + R3 +R2R3R1Rc = R1 + R2 +R3從定性的角度來說，就是在中、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 路的幅頻響應特性的波特圖如圖 4(b)所示。在電路給定的參數(shù)下，fL1 = fL1， fL2 = fL2 o(a)圖5高音等

12、效簡化電路同理，圖2電路對于高音信號來說，電容 C1、C2的容抗很小，可以認為短 路。調節(jié)高音調節(jié)電位器Rp1，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R1、R2、R3組成的丫型網(wǎng)絡轉換成連接方式，如圖5 (b)o其中在假設條件R仁R2=R3勺條件下，Ra=Rb=Rc=3R1如果音調放大器的輸入信號是采用的內阻極小的電壓源，那么通過 Rc支路 的反饋電流將被低內阻的信號源所旁路， 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:

13、Rb(1 j C3 R4)/Ra其轉折頻率為：, 1AvfRb 1 jC3（ R4Ra ） 1Ra（1 jC3R4H12記3(民Ra)12 二C3R4當頻率f f 0時，Avf=1 ;當頻率f f X時,Ra口f邑沁。從R4定性的角度上看，對于中、低音區(qū)域信號，放大器的增益等于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R4 + Ra。R4咼音提升電路的幅頻響應曲線的波特圖如圖6(b)所示。圖6高音提升等效電路及幅頻響應曲線(b)高音提升等效電路的幅頻響應波特圖當Rp1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。(a)高音衰減等效電路(b)

14、高音衰減等效電路的幅頻響應波特圖圖7咼音衰減等效電路及幅頻響應曲線該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：Avf(R4j C3)/RbRc1 j C3R4Ra 1 j -C3(R4 Rb)其轉折頻率為：f' - 1 1 -C3(R4 +Rb)12 二C3R4當頻率f f 0時,f空=1 ；當頻率fRaR4R4 + Rb見該電路對于高音頻信號起到衰減作用。該電路的幅頻響應曲線的波特圖如圖 7(b)所示。在電路給定的參數(shù)下，和1 = fH1， fH2 = fH2 。(2) 音調控制器的幅頻特性曲線綜上所述，負反饋式音調控制器的完整的幅頻特性曲線的波特圖如 8所示 根據(jù)設計要求的放大倍數(shù)和各點的轉折頻

15、率大小，即可確定出音調控制器電路的 電阻、電容大小。圖8音調控制電路的幅頻響應波特圖3. 功率放大器功率放大器的作用是給音響放大器的負載 (一般是揚聲器)提供所需要的輸 出功率。功率放大器的主要性能指標有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、 頻率響應和效率。目前常見的電路結構有 OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全 部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運算放大器和大功率晶 體管構成的功率放大器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應用越來越多。 由于集成功率放大器使用和調試方便、 體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好， 功耗低，電源利用率高，失真小，具有過流保護、過熱保護、過

16、壓保護及自啟動、 消噪等功能，所以使用非常廣泛。常見集成音頻放大器如附錄二所示。4. 音頻放大電路的主要技術指標(1)額定輸出功率Po在滿足規(guī)定的失真系數(shù)和整機頻率特性指標以內，功率放大器所輸出的最大 功率。哄RlVo亦稱為輸出額定電壓。(2) 靜態(tài)功耗PQ指放大器處于靜態(tài)情況下所消耗的電源功率。(3) 效率n放大器在達到額定輸出功率時，輸出功率Po對消耗電源功率PE的百分比， 用n表示。丄 100%Pe頻率響應(頻帶寬度)在輸入信號不變的情況下，輸出幅度隨頻率的變化下降至中頻時輸出幅度的 0.707倍時所對應的頻率范圍。(5) 音調控制范圍為了改善放大器的頻率響應，常對高、低頻增益進行控制，

17、如提升或衰減若 干分貝，而對中頻增益不產(chǎn)生影響。若未控制的輸出幅度為 Vo,而控制后的輸 出幅度為Vol,則音調控制范圍為 201口也(即20lgA1 )。Voa Av(6) 非線性失真在規(guī)定的頻帶內和額定輸出功率狀態(tài)下，輸出信號中諧波電壓有效值的總和 與基波電壓有效值之比：花2 + V32 + + V；丫=y式中：V1為輸出電壓基波分量有效值；V2、V3、Vn分別為2次、3 次、n次諧波分量有效值。非線性失真可由失真度測量儀測得。(7) 噪聲電壓Vn擴音機輸入信號為零時，在輸出端負載上測得的電壓有效值為噪聲電壓 Vn， 噪聲電壓是擴音機機內各種噪聲經(jīng)放大后的總和。(8) 輸入靈敏度Vimax

18、保證音頻放大器在額定的輸出功率時所需的輸入信號。四、實驗內容：1 電路調試和靜態(tài)測試。2 測試各級電壓增益和整機增益。3 測量其它各項指標4.測量頻率特性5加負載測量各項整機指標6. 聽音試驗五、參考設計本設計的音頻功率放大器是一個多級放大系統(tǒng)。 首先根據(jù)輸出功率的確定電 源大小和整個系統(tǒng)的增益。因為音頻功率放大器的輸出功率 Pom > 8W所以音頻 功率放大器的輸出幅值 Vom zJ2P°mRl =J2x8x8=11.3 （V）。若輸入信號為 5mV時，整個放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：A =Vom Vi =11.3 5 10 = 2260（倍），即20lg 2260 =67 （

19、dB）。根據(jù)整個放大系統(tǒng)的電壓增益，合理分配各級 單元電路的增益。功率放大器級（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取60倍；音調控制器放大器在中頻（1KHz）處的電壓放大倍數(shù)取1;前置放大器的電壓放大 倍數(shù)取40 （考慮到實際電路中有衰減）。音頻功率放大器供電電源的選取主要從效率和輸出失真大小方面考慮。如上所述，該系統(tǒng)的輸出信號幅值為11.3V,從提高效率的角度考慮，電源電壓越接 近11.3V越好，但這樣輸出信號的失真將增大；從減小失真的角度考慮，可適當 的提高電源電壓。綜合考慮，音頻功率放大器整個系統(tǒng)的電源電壓采用±5V供電。六、電路的調試1. 在安裝電子電路前，應仔細查閱電路所使用的集成

20、電路的管腳排列圖及 使用注意事項，同時測量電子元件的好壞。2. 畫出每個單元電路的電路原理圖和連線圖； 畫出整個電子系統(tǒng)的原理圖。3. 前置放大器調試。安裝電路時注意電解電容的極性不要接反，電源電壓的極性不要接反。同時不加入交流信號時，用萬用表測量每級放大器的靜態(tài)輸出 值；然后用示波器觀察每級輸出有無自激振蕩現(xiàn)象，同時測量前置放大器的噪聲輸出大小。加入幅值5mV、頻率1000Hz的交流正弦波信號（注意5mV信號可以 通過一個10k Q和100 Q組成的衰減網(wǎng)絡得到），測量前置放大器的輸出大小，驗 證前置放大器的電壓放大倍數(shù)。改變輸入正弦波信號的頻率，測試前置放大器的 頻帶寬度。4. 音調控制器

21、調試。（1）首先進行靜態(tài)測試，方法同上。（2）中頻特性測 試。將一頻率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信號輸入到音調控制器輸入端，測 量音調控制器的輸出。（3）低音提升和衰減特性測試。將電位器RP1滑動端分別 置于最左端和最右端時，頻率從20Hz1kHz連續(xù)變化（輸入信號幅值保持不變）， 記下對應輸出的電壓值， 畫出其幅頻響應特性曲線。 （4）高音提升和衰減特性測 試。將電位器RP2滑動端分別置于最左端和最右端時，頻率從 2kHz30kHz連續(xù) 變化（輸入信號幅值保持不變） ，記下對應輸出的電壓值，畫出其幅頻響應特性 曲線。（5）最后畫出音調特性曲線，并驗證是否滿足設計要求并修改。5功率放大器

22、測試：（1）通電觀察。接通電源后，先不要急于測試，首先 觀察功放電路是否有冒煙、 發(fā)燙等現(xiàn)象。 若有，應迅速切斷電源， 重新檢查電路， 排除故障。（2）靜態(tài)測試。將功率放大器的輸入信號接地，測量輸出端對地的電 位應為0V左右，電源提供的靜態(tài)電流一般為幾十 mA左右。若不符合要求，應 仔細檢查外圍元件及接線是否有誤；若無誤，可考慮更換集成功放器件。（3）動態(tài)測試。在功率放大器的輸出端接額定負載電阻 RL代替揚聲器）條件下，功率放 大器輸入端加入頻率等于1kHz的正弦波信號，調節(jié)輸入信號的大小，觀察輸出 信號的波形。 若輸出波形變粗或帶有毛刺， 則說明電路發(fā)生自激振蕩， 應嘗試改 變外接電路的分布

23、參數(shù)， 直至自激振蕩消除。 然后逐漸增大輸入電壓， 觀察測量 輸出電壓的失真及幅值， 計算輸出最大不失真功率。 改變輸入信號的頻率， 測量 功率放大器在額定輸出功率下的頻帶寬度是否滿足設計要求。6整機聯(lián)調。將每個單元電路互相級聯(lián)，進行系統(tǒng)調試。 （1）最大不失真 功率測量。將頻率等于1kHz,幅值等于5mV的正弦波信號接入音頻功率放大器 的輸入端， 觀察其輸出端的波形有無自激振蕩和失真， 測量輸出最大不失真電壓 幅度，計算最大不失真輸出功率。 （2）音頻功率放大器頻率響應測量。將音調調 節(jié)電位器RP1、RP2調在中間位置，輸入信號保持5mV不變，改變輸入信號的頻 率，測量音頻功率放大器的上、下

24、限頻率。 （3）音頻功率放大器噪聲電壓測量。 將音頻功率放大器的輸入電壓接地， 音量電位器調節(jié)到最大值， 用示波器觀測輸 出負載RL上的電壓波形，并測量其大小。7. 整機視聽。用8財8W的揚聲器代替負載電阻RL將一話筒的輸出信號或 幅值小于5mV的音頻信號接入到音頻功率放大器，調節(jié)音量控制電位器RP,應能改變音量的大小。 調節(jié)高、低音控制電位器， 應能明顯聽出高、 低音調的變化。 敲擊電路板應無聲音間斷和自激現(xiàn)象。七、時間安排該實驗為設計性實驗，采用課內為主，課外為輔的方式進行。課內共設 20 學時，上課時間必須在實驗室進行實驗任務。具體安排如下：1. 第 8 周：布置設計任務，講解設計要求、

25、實施計劃、設計報告等要求， 完成選題。2. 第 9 周：完成資料查閱、作品設計。3. 第 10-12周，完成模擬仿真，領取元件、實際制作。4第13周：制作并調試設計作品。5第14周：作品檢查、評價、驗收，撰寫設計報告6.第15周：抽選作品答辯，提交設計報告。八、考核標準實驗的考核分為三個部分：作品、設計報告、平時成績及答辯。如下表所示項目子項目滿分得分1 .作品設計方案1050制作質量20完成效果202.設計報告方案論證1040電路、計算，或仿真10調試、測試數(shù)據(jù)10規(guī)范性103 其他平時成績510答辯5總分100九、思考題1、對一個音頻功率放大器的前置級有什么要求？對于功率放大級有什么要 求

26、？2、何為D類功率放大器？ D類功率放大器有什么特點？請列舉出目前常用 的D類集成音頻功率放大器的芯片型號。3、試畫出利用TDA20302030A實現(xiàn)的OTL功率放大器電路？若要輸出 8W 的功率，對電源電壓有什么要求？若要求進一步提高輸出功率， TDA20302030A 可接成BTL結構，試畫出BTL電路圖，并說明其工作原理。4、什么是自激振蕩現(xiàn)象？如果電路一旦出現(xiàn)自激振蕩，將如何解決？5、如果一個音源信號的幅值為500mV，則允許該音源信號直接輸入到本課 題設計的音頻功率放大器上嗎？直接輸入將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？如何解決？ 附錄一設計報告格式選課時間段：座位號： 成績：杭州電子科技大學實驗報告

27、課程名稱：實驗名稱：實驗類型：指導老師：同組學生姓名：專業(yè)：姓名：學號：班級：日期：地點：一、實驗目的二、實驗內容與原理三、實驗儀器四、實驗步驟五、操作方法六、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理（包括仿真實驗結果）七、實驗結果與分析八、實驗心得與體會附錄二常見集成功放型號: 1I . ； 2-封裝丄1:TDA735O22W1MW1118V5ATDA736O22W1MW1118V5ATDA73656WnMW1518V4ATDA73706.5<2014MW1518V4. 5ATDA73726W/支持BTL4MW1518V4ATDA737421WnMW1518V4. 5ATDA737535W9MW1518V4

28、. 5ATDA7376B35W2MW1518V4.5ATDA73776W3014MW1518V4. 5ATDA737913W3814MW1522V5ATDA738125W4FW2518V4ATDA738222W1FW2518V5. 5ATDA738330W4FW2518V5. 5ATDA738435W4FW2518V5. 5ATDA738530W4FW2518V5.5ATDA738640W4FW2518V5. 5ATDA738841W4FW2518V5. 5ATDA7388A42W4FW2718V5.5ATDA738945W4FW2518V5. 5ATDA739135W1MW1118V6ATD

29、A739332WnMW1518V5. 5ATDA739430WnMW1518V5. 5ATDA739645W1MW1118V7ATDA74517<2214FW2518V4ATDA745435W4FW2518V&ATDA748O10W (D 類)1DIP-20±20V5ATDA748113W (D 類)1MW15±25V5ATDA748225W (D類1MW15±28V5ATDA749O25W (D類501nFW25±30V5ATDA749410W1MW1535V1.9ATDA749511WnMW1535V2.4ATDA74965WnMW15

30、35V1. 3ATDA7497SSV*8W-15W3MW1535V2A乜 5ATDA74996W2MW11±20V2. 5ATDA756O45WIDM0S)4FW2518V1OATDA756135WIDM0S)4FW2518VSATDA756235WIDM0S)4FW2718VSATDA756340WIDM0S)4FW2718V&ATDA756445WIDMOS)4FW2518VSATDA756640WIDMOS)4FW2518V&ATDA75754CW（DM0S）PorerS03618VSATDA785O50W （DMOS）4FW2518V10ATDA785OLV50W （DMOS）4FW25MIN 6V10ATDA7851A45W（DM0S）4FW2718V10ATDA7851F45W（DMDS）4FW2518V10ATDA785447W（DM0S）4FW2518V10ATDA2009A10W181MW1128V4.5ATDA203