學(xué)年論文李福

1、本科學(xué)年論文.題目：音頻放大器的設(shè)計(jì)院系 電子信息工程學(xué)院專業(yè)名稱 自 動(dòng) 化年 級(jí) 2008 級(jí)學(xué)生姓名 胡冰冰學(xué) 號(hào) 00829013指導(dǎo)教師 周潤(rùn)景日 期 2010-9-05音頻放大器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)摘要：音頻功率放大器是音響設(shè)備的重要組成部分，其作用是將傳聲器件獲得的微弱信號(hào)放大到足夠的強(qiáng)度去推動(dòng)放聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器或其他電聲器件，使得原聲重現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)在仿真軟件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的音頻放大器，將小的音頻信號(hào)放大，并在一定的范圍內(nèi)將信號(hào)輸出。電路的設(shè)計(jì)包括直流穩(wěn)壓源，前置放大器，主放大器，揚(yáng)聲器幾個(gè)部分組成，其中直流穩(wěn)壓源輸出為±15V的穩(wěn)定電壓，為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的能量，功率放大

2、電路的前級(jí)部分是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理、起前置放大作用、并執(zhí)行音色調(diào)控工作的電路，其中的輸入級(jí)基本上都用運(yùn)放作前置單元，音調(diào)控制部分則有負(fù)反饋式和衰減式之分。從音色調(diào)控的效果上看，均衡器的控制范圍和補(bǔ)償效果都是最佳的，因此，功率放大器的前級(jí)電路最好采用均衡器電路形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。所有的電路設(shè)計(jì)，調(diào)試及完成都在仿真軟件上進(jìn)行，最后完成電路板的焊接。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓源 放大器 功率放大器 Title: Audio Amplifier DesignAuthor ：胡冰冰Tutor :周潤(rùn)景Design Summary:Audio power amplifier is an important compone

3、nt of audio equipment, its role is to get the microphone pieces of the weak signal amplification sufficient strength to drive speakers burst into the system, or other electro-acoustic devices, making acoustic reproduce. The design based on the simulation software to design a simple audio amplifier,

4、the small audio signal amplification, and within a certain range of signal output. Circuit design including DC source, pre-amplifier, main amplifier, speakers of several components, including DC source output stable voltage of ± 15V for the entire circuit to provide a stable energy level before

5、 the power amplifier circuit part is to coordinate the input signal processing, from pre-amplification and the implementation of sound regulation and control circuit, in which the input stage are basically used for pre-op-amp unit, tone control section there are negative feedback type and attenuatio

6、n type of points. From the sound effects of regulation and control perspective, the EQ control range and compensation effects are the best, so the first stage power amplifier circuit preferably in the form of a balanced circuit design. All the circuit design, commissioning and completion of all the

7、simulation software with the final completion of the circuit board welding.Keywords:regulators source， amplifier ，power amplifier目錄第一章 緒論1.1設(shè)計(jì)目的及意義·························

8、83;·41.2音頻放大器的發(fā)展歷程···························41.3音頻放大器的分類(lèi)·················&

9、#183;·········51.4設(shè)計(jì)的思路及方法···························61.5音頻放大器設(shè)計(jì)的前后級(jí)問(wèn)題········&#

10、183;··················7第二章 音頻放大器設(shè)計(jì)及仿真2.1前置放大器···························8原理

11、圖設(shè)計(jì)···························8前置放大器的仿真分析····················

12、3;······102.2二級(jí)放大電路原理圖設(shè)計(jì)···························15音頻放大器二級(jí)放大電路分析···········

13、83;···············162.3音頻放大器的分析原理圖設(shè)計(jì)···························19音頻放大器的仿真分析··

14、83;························20第三章 直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì) 3.1原理圖設(shè)計(jì)·····················

15、3;·····223.2對(duì)穩(wěn)壓源的輸入、輸出進(jìn)行仿真分析···························23結(jié)論及致謝·············

16、··············24參考文獻(xiàn)···························25附錄A·······&

17、#183;···················26第一章 緒論11設(shè)計(jì)目的及意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)電子產(chǎn)品及音響越來(lái)越重視聲音的效果。在日常生活中，我們可以通過(guò)無(wú)線電廣播、唱片或錄音帶等方式來(lái)欣賞音樂(lè)。隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，我們欣賞音樂(lè)的方式也在不斷變化中，但隨之而來(lái)的是對(duì)音響效果的要求提高了。這就要求要有更好的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)人們的需求。音頻放大器是音響系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其作用是將傳聲元器件獲得的

18、微弱信號(hào)放大到足夠的強(qiáng)度去推動(dòng)放聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器或其他電聲元器件，使原聲響重現(xiàn)。通過(guò)音頻放大電路的設(shè)計(jì)，一方面鞏固和加強(qiáng)了自己在電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，從而為以后的學(xué)習(xí)和工作做好鋪墊。另一方面，我們可以進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，以及學(xué)習(xí)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)處理一些與其相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程將有益于我們學(xué)習(xí)其它理論知識(shí)和提高我們利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。12音頻放大器的發(fā)展歷程音響技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場(chǎng)效應(yīng)管四個(gè)階段。1906年美國(guó)的德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)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

19、，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（High Fidelity）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(wú)輸出放大器、“OCL（Output CapacitorLess）”放大器等。直至70年代，晶體管放大技術(shù)的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，各種新型電路不斷出現(xiàn)，如：較成

20、功地解決了負(fù)反饋電路的瞬態(tài)失真和高頻相位反轉(zhuǎn)問(wèn)題的無(wú)負(fù)反饋放大電路；成功地將甲、乙放大器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起的超甲類(lèi)放大電路；具有輸出功率大、失真小的電流傾注式放大電路等等。從而使晶體管放大器成為音響技術(shù)發(fā)展中的主流。 在60年代初，美國(guó)首先推出音響技術(shù)中的新成員集成電路，到了70年代初，集成電路以其質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、體積小、功能多等特點(diǎn)，逐步被音響界所認(rèn)識(shí)。發(fā)展至今，厚膜音響集成電路、運(yùn)算放大集成電路被廣泛用于音響電路。13音頻放大器的分類(lèi)傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過(guò)程：（1）數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬語(yǔ)音信號(hào)的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實(shí)現(xiàn)；（2）利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大，如A類(lèi)、B

21、類(lèi)和AB類(lèi)放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類(lèi)放大器。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。音頻放大器分類(lèi)如下：A類(lèi)放大器A類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25，且有較大的非線性失真。B類(lèi)放大器B類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜

22、態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi在負(fù)半周期內(nèi)輸出負(fù)半周正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是"交越失真"較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V0.6V之間時(shí)，Q1,Q2都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。所以這類(lèi)放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。AB類(lèi)放大器AB類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д妗＝惶媸д孑^大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。D類(lèi)放大器D類(lèi)(數(shù)字音頻

23、功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖亮度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字音頻功率放大器也看上去是一個(gè)一比特的功率數(shù)模變換器。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路來(lái)放大音頻信號(hào)。A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)放大器是模擬放大器，D類(lèi)放大器是數(shù)字放大器。B類(lèi)和AB類(lèi)推挽放大器比A類(lèi)放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類(lèi)放大器在晶體管

24、導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)因其開(kāi)關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類(lèi)放大器具有效率高低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類(lèi)放大器和D類(lèi)放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。14本設(shè)計(jì)思路及方法 設(shè)計(jì)主要由兩大塊組成，即直流穩(wěn)壓源和音頻放大器。音頻放大器又包括：前置放大電路、二級(jí)放大電路和功率放大電路。為了滿足輸出功率POR2W的要求，需要電路有較高的放大倍數(shù)。本設(shè)計(jì)前置放大電路放大倍數(shù)約為20倍，二級(jí)放大電路放大倍數(shù)為30倍，即在功率放大器的輸入端，電壓被放大了600倍左右，這是保證輸出功率大于2W的前提條件。第三級(jí)功率放大電路主要是對(duì)功率進(jìn)行放大。電路設(shè)計(jì)時(shí)使

25、用了兩個(gè)電位器，它們的作用是用來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的。設(shè)計(jì)過(guò)程中利用Proteus對(duì)沒(méi)一級(jí)放大電路進(jìn)行仿真，包括：輸入輸出分析、頻率特性分析、噪聲分析、失真分析和傅立葉分析等。此外本設(shè)計(jì)采用了OP07型集成運(yùn)放，它是一種高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路，用于微弱信號(hào)的放大。直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)要求提供15V的穩(wěn)定電壓，設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，并采用集成穩(wěn)壓塊L7815和L7915，分別用于穩(wěn)定正15V電壓和負(fù)15V電壓。1.5音頻放大器設(shè)計(jì)的前后級(jí)問(wèn)題：前級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題：功率放大電路的前級(jí)部分是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理、起前置放大作用、并執(zhí)行音色調(diào)控工作的電路，縱觀現(xiàn)在功放的前級(jí)電路，其中的輸入級(jí)基本上都用運(yùn)

26、放作前置單元，音調(diào)控制部分則有負(fù)反饋式和衰減式之分。從音色調(diào)控的效果上看，均衡器的控制范圍和補(bǔ)償效果都是最佳的，因此，功率放大器的前級(jí)電路最好采用均衡器電路形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于各種信號(hào)源的強(qiáng)度不一，所以必須在功能轉(zhuǎn)換之前協(xié)調(diào)處理好各種信號(hào)的強(qiáng)度輸入，對(duì)過(guò)強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，對(duì)太弱的信號(hào)采取必要的放大措施。后級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題：從功率放大電路發(fā)展的歷史來(lái)看，先有了電子管放大器，再有晶體管放大器，最后出現(xiàn)了集成電路放大器，從功率放大器這個(gè)特定的適用范圍來(lái)講，集成電路功率放大器是比較適合家庭放音需要的功放設(shè)計(jì)模式，這也是未來(lái)功率放大器發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)如何設(shè)計(jì)一個(gè)好的功率放大電路是非常重要的。

27、集成運(yùn)算放大器的選擇問(wèn)題：集成運(yùn)放的選擇主要由以下技術(shù)指標(biāo)決定：信號(hào)源的性質(zhì)、負(fù)載的性質(zhì)、精度要求、以及環(huán)境條件等。從性能價(jià)格比方面考慮，應(yīng)盡量采用通用型運(yùn)放，本設(shè)計(jì)根據(jù)需要選擇的是OP07型集成運(yùn)放，OP07是高精度第失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路，用于微弱信號(hào)的放大，如果用雙電源則能達(dá)到最好的放大效果。其主要是由于它的性能指標(biāo)較好。在最后的PCB制版過(guò)程中，我們選用了LF347。LF347是一種場(chǎng)效應(yīng)管與雙極性管兼容的單片四運(yùn)放,具有高輸入阻抗,高速的性能,具有內(nèi)部失調(diào)電壓調(diào)節(jié),低失調(diào)電流、低諧波失真、低噪聲等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于高速積分、快速D/A轉(zhuǎn)換、采樣/保持電路及一般放大電路中。第二章

28、音頻放大器的設(shè)計(jì)與仿真音頻放大器的設(shè)計(jì)音頻放大器是音響系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其作用是將傳聲器件獲得的微弱信號(hào)放大到足夠的強(qiáng)度去推動(dòng)放聲系統(tǒng)中揚(yáng)聲器或其他電聲器件，使原聲響重現(xiàn)。一個(gè)音頻放大器一般包括以下幾部分：信號(hào)源前置放大器主放大器放聲器 聲頻放大器 圖2.1設(shè)計(jì)要求：在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為（510mv），等效負(fù)載電阻RL為8歐姆的條件下，放大通道需滿足：l 額定輸出功率POR2W；l 帶寬BW(5010000Hz);l 在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)3%；l 在POR下的效率55%;l 在前置放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8歐姆上的交流聲功率10mW。2.1前置放大器2.1

29、.1原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)要求，前置級(jí)輸入阻抗應(yīng)當(dāng)較高，輸出阻抗應(yīng)當(dāng)較低，由較高的共模抑制比，較低的漂移。原理圖如下：由圖可知道該前置放大電路的放大倍數(shù)為AV1=R3/R1=20。C1為隔直流電容。C1為隔直流電容，由虛斷虛斷得到前置放大電路的放大倍數(shù)為A=R3/R1=20倍2.1.2前置放大器的仿真分析將正弦信號(hào)源（10mv，50Hz）與前置放大電路輸入端相連，圖如上。（1） 電路的輸入與輸出分析從圖形可以看出當(dāng)系統(tǒng)的信號(hào)電壓值為-9.97mv時(shí)，輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)電壓值為209mv,即系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為20，與理論值接近，而統(tǒng)為反向放大電路。（2） 電路的頻率響應(yīng)分析從圖形可以看出來(lái)系統(tǒng)的最大頻率曾

30、以為26.0dB，可得截止頻率增益26*0.70718.4Db。看出來(lái)系統(tǒng)的高頻帶范圍為1062.9kHz。（3） 系統(tǒng)的噪聲分析可以看出來(lái)系統(tǒng)在1k10khz范圍內(nèi)的噪聲范圍為512542nV/Hz。而我們知道放大器的噪聲一般來(lái)自高頻自激振蕩，要消除電路中的噪聲，我們可以阻止器件間產(chǎn)生自激振蕩。（4） 電路失真分析從上圖知50Hz二次諧波增益-148 ,10kHz三次諧波增益-16.9。.（5） 電路的傅里葉分析二次三次失真度D約為0.1%。修改后三次由以上的數(shù)字知道改變后系統(tǒng)的失真度約為0.1%。2.2二級(jí)放大電路原理圖設(shè)計(jì)：音頻放大器二級(jí)放大電路用于進(jìn)一步對(duì)輸入信號(hào)節(jié)能型放大，并進(jìn)行適當(dāng)

31、的音色處理，根據(jù)要求，原理圖設(shè)計(jì)如下：音頻放大器二級(jí)放大電路分析由圖可知，放大倍數(shù)為R6/R5=30。設(shè)置輸入信號(hào)幅值為200mv，頻率為100Hz，并添加輸出電壓探針。（1） 電路的輸入輸出分析由上圖知放大倍數(shù)為A=6.00/200m=30，從圖表中可以看到，輸入信號(hào)為100Hz時(shí)電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了反向放大，并且輸出發(fā)生了相位偏移。（2）電路頻率響應(yīng)特性分析對(duì)電路進(jìn)行頻響分析得下圖由圖知電路最大增益為29.5db，從而可得截止頻率增益為29.5×0.707=20.86db。在圖上找到20.86db的兩點(diǎn)可以得到通頻帶。從圖上可以得到通頻帶為15.048.9kHz（3）噪聲分析對(duì)系

32、統(tǒng)進(jìn)行噪聲分析得下圖由以上的分析得到統(tǒng)在50-10kHz范圍內(nèi)噪聲范圍是648n-667n。（4）電路失真分析對(duì)電路進(jìn)行失真分析得下圖從上圖知50Hz二次諧波增益-142,10kHz二次諧波增益-38.5。從上圖知50Hz三次諧波增益-109, 10kHz三次諧波增益26.9（6） 電路傅里葉分析從上圖知基波幅度5.59v進(jìn)行二次三次諧波測(cè)量得下圖從上圖知二次諧波幅度19.9m，三次諧波幅度2.49v。由此可知失真度為D=0.22.3音頻放大器的分析：將設(shè)計(jì)好的前置放大電路、二級(jí)放大電路、功率放大電路連接在一起，得到完整的音頻放大器原理圖。2.3.1原理圖如下輸入信號(hào)5mv，1kHz進(jìn)行以下分

33、析1. 電路輸入輸出特性分析2.由上圖知輸入為5mv時(shí)輸出為4.01v，可得電壓放大倍數(shù) Au=4.01/5m=800倍。2.功率分析對(duì)電路輸入輸出功率進(jìn)行分析得下圖由分析知道當(dāng)輸入為5mv時(shí)候，輸出時(shí)候的功率為3.44w，滿足所要求的輸出功率大于2W。3頻率分析對(duì)電路進(jìn)行頻率分析得到下圖：由上圖知最大輸出為60.4，因此截止頻率處的輸出值為60.4*0.70742.7所以可得到下限截止頻率為10Hz上限截止頻率61.6kHz，所以得到通頻帶10-61.6kHz。3. 噪聲分析對(duì)電路進(jìn)行噪聲分析得到下面圖形從上圖知道10.1khz噪聲15.8u 49.8khz時(shí)噪聲18.9u第三章：直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中需要正、負(fù)15V的穩(wěn)壓電源以滿足負(fù)載的需求。在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一能量來(lái)源，穩(wěn)壓