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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用音频功率放大器设计一、 设计任务设计一个有用的音频功率放大器；在输入正弦波幅度5mV,负载电阻等于 8 的条件下,音频功率放大器满意如下要求：1、最大输出不失真功率 POM 8W；2、功率放大器的频带宽度 BW50Hz15KHz ；3、在最大输出功率下非线性失真系数3%；4、输入阻抗 Ri100k；5、具有音调掌握功能：低音 100Hz 处有 12dB 的调剂范畴,高音 10kHz 处有 12dB 的调剂范畴；二、 设计方案分析依据设计课题的要求,该音频功率放大器可由图 所示框图实现；下面主要介绍各部分电路的特点及要求
2、；话筒输入前置放大音调掌握功率放大VoRL图 1 音频功率放大器组成框图1、前置放大器音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大,然后输名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用出驱动扬声器；声音源的种类有多种,如传声器话筒）、电唱机、录音机放音磁头）、CD 唱机及线路传输等,这些声音源的输出信号的电压差别很大,从零点几毫伏到几百毫伏；一般功率放大器的输入灵敏度是肯定 的,这些不同的声音源信号假如直接输入到功率放大器中的话,对 于输入过低的信号,功率放大器输出功率不足,不能充分发挥功放 的作
3、用；假如输入信号的幅值过大,功率放大器的输出信号将严峻 过载失真,这样将失去了音频放大的意义；所以一个有用的音频功 率放大系统必需设置前置放大器,以便使放大器适应不同的的输入 信号,或放大,或衰减,或进行阻抗变换,使其与功率放大器的输 入灵敏度相匹配；另外在各种声音源中,除了信号的幅度差别外,它们的频率特性有的也不同,如电唱机输出信号和磁带放音的输出 信号频率特性曲线呈上翘形,即低音被衰减,高音被提升；对于这 样的输入信号,在进行功率放大器之前,需要进行频率补偿,使其 频率特性曲线复原到接近平整的状态,即加入频率均衡网络放大 器；对于话筒和线路输入信号,一般只需将输入信号进行放大和衰减,使话筒
4、的输出阻 不需要进行频率均衡；前置放大器的主要功能一是 抗与前置放大器的输入阻抗相匹配； 二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配；由于话筒输出信号特别微弱,一般只有 100 V几毫伏,所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大；前置放大器的输入级第一采纳低噪声名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用电路,对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器,第一要选 择低噪声的晶体管,另外仍要设置合适的静态工作点；由于场效应 管的噪声系数一般比晶体管小,而且它几乎与静态工
5、作点无关,在 要求高输入阻抗的前置放大器的情形下,采纳低噪声场效应管组成 放大器是合理的挑选；假如采纳集成运算放大器构成前置放大器,肯定要挑选低噪声、低漂移的集成运算放大器；对于前置放大器的 另外一要求是要有足够宽的频带,以保证音频信号进行不失真的放大ViC1 +R1+15VC3=C4=10 F C5=C6=0.01 F_；Vo1NE5532C3+R5C5+R4话10 F_A15.1k100k筒200k输R3入C2 +47k+A2R2 10kNE5532R6-15V 47 F C4+C65.1k图 9 前置级放大器电路图2、音调掌握电路 音调掌握电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应
6、 曲线的外形进行掌握,从而达到掌握放音音色的目的,以适应不同听众对音色的不同爱 好；此外仍能补偿信号中所欠缺的频率重量,使音质得到改善,从名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用而提高放音系统的放音成效；在高保真放音电路中,一般采纳的是 高、低音分别可调的音调掌握电路；一个良好的音调掌握电路,要 求有足够的高、低音调剂范畴,同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中,中音信号；由于电容 C2对于低音信号容抗大,所以相对地提高了低音信号的放大倍数,起到了对低音提升的作用；图 3a电路的频率响应
7、分析如下：ViR1Rp2R2dB20lgAvf20-6dB/倍频程R3_C2Vo10Lf1Lf2f+A0a 低音提升等效电路图 b 低音提升等效电路幅频响应波特图名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3 低音提升等效电路图及幅频响应曲线图3所示的电压放大倍数表达式为：.A VfZ2R P2jjC22R 2/R 1；化简后得：2Z 1R P21CR P2R 1R 211jCR P2R 2,所以该电路的转折频率为：.A Vf2R P2R 2jC2R P2fL11C2,fL22R P21R 2C
8、221C2；可见当频率f0时,R P2/R 2.A VfR P2R 2；当频率f时,.AVfR 21； 从定性的角度来R 1R 1说,就是在中、高音域,增益仅取决于R2 与 R1 的比值,即等于1；在低音域,增益可以得到提升,最大增益为RP2R 2R 1；低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3b所示；同样当 Rp2 的滑动端调到最右端时,电容C2 被短路,其等效电路如图 4a所示；由于电容 C1 对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数,所以该电路可实现低音衰减；图 4a电路的频率响应分析如下：该电路的电压放大倍数表达式为：.A VfR 1 1jR 2/R P2R 1R 2211j
9、R P2C 1 C 1,其转折频率C 1R PjR P2/R 1为：名师归纳总结 f L1212C 12,f L221/R 121； 可 见 当 频 率f0时 ,第 6 页,共 19 页R PR P2R 1.A VfR 1R 2；当频率f时,.AVfR 21；从定性的角度来R PR 1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用说,就是在中、高音域,增益仅取决于R2 与 R1 的比值,即等于1；在低音域,增益可以得到衰减,最小增益为R 2R 1R P2；低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4b所示； Lf2在电路给定的参数下,fL
10、1f,fL2f2；L 1L Lf1ViR1Rp2R20fC1R3-1020lgAvf+6dB/倍频程_AVo-20+dBa 低音衰减等效电路图 b 低音衰减等效电路幅频响 应波特图 图 4 低音衰减等效电路图及幅频响应曲线同理,图 2 电路对于高音信号来说,电容C1、C2 的容抗很小,可以认为短路；调剂高音调剂电位器 Rp1,即可实现对高音信号的提升或衰减；图 5a）就是工作在高音信号下的简化电路图；为了便于分析,将图 中的 R1、R2、R3 组成的 Y 型网络转换成 连接方式 , 如 图 5 b 图 5 高音等效简化电路 假如音调放大器的输入信号是采纳的内阻微小的电压源,那么通 过 Rc支路
11、的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路,Rc的反馈作用将 忽视不计 所示；此时,该电路的电压放大倍数.A Vf 1j3R bf HR b1jC3R 4R a,其转折频率为：；C 3R 4/R aR a1jC 3R 4fH12C1R a,221R 4；当频率f0时,.A VfR b1R 4C3R a当频率 f时,.A VfR 4R 4R a；从定性的角度上看,对于中、低音区域信号,放大器的增益等于1；对于高音区域的信号,放大器的增益可以提升,最大增益为R 4R 4R a ；高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图 6b所示；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 19 页精选学习资料
12、- - - - - - - - - ViRaRb个人资料整理仅限学习使用20lgAvf20+6dB/ 倍频程R4C3_AVo10Hf1Hf2f+0a 高音提升等效电路 b 高音提升等效电路的幅频响应波特图图 6 高音提升等效电路及幅频响应曲线当 Rp1 电位器滑动到最右端时,高音频信号可以得到衰减,高音衰减的等效电路如图7 高音衰减等效电路 b 高音衰减等效电路的幅频响应波特图图 7 高音衰减等效电路及幅频响应曲线该电路的电压放大倍数表达式为：名师归纳总结 .A VfR 43j1/R bR c11jC 3R 4R b；其转折频率为：R b1；第 9 页,共 19 页C 3R aR ajC 3R
13、 4f12C1, f H221R 4；当频率f0时,.A VfHR4R bC3R a- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 当频率 f时,.A VfR 4R 4R b个人资料整理仅限学习使用；可见该电路对于高音频信号起到衰减作用；该电路的幅频响应曲线的波特图如图27b所示；在电路给定的参数下,fH1f1,fH2f；HH2）音调掌握器的幅频特性曲线 综上所述,负反馈式音调掌握器的完整的幅频特性曲线的波特图 如 8 所示；依据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小,即可 确定出音调掌握器电路的电阻、电容大小；dB 20lgAvf 20 100Lf1Lf2Hf1f
14、H2f-10-20图 8 音调掌握电路的幅频响应波特图3、功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载 所需要的输出功率；一般是扬声器）供应功率放大器的主要性能指标有 最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率； 目前常见的电路结构有OTL 型、 OCL 型、名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用DC 型和 CL 型；有全部采纳分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采纳集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的进展, 全集胜利率放大器应用越来越多；由于集胜利率放大器
15、使用和调试便利、体积小、重量轻、成本低、温度稳固性好,功耗低,电源利用率高,失真小,具有过流爱护、过热爱护、过压爱护及自启动、消噪等功能,所以使用特别广泛；三、 主要单元电路参考设计本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统；第一依据输出功率的确定电源大小和整个系统的增益；由于音频功率放大器的输出功率 POM 8W ； 所 以 音 频 功 率 放 大 器 的 输 出 幅 值V OM 2 P OM R L 2 8 8 11 . 3 V）；当输入信号最小值为 5mV 时,整个放大系统的电压放大倍数为：A V V OM V i 11 . 3 5 10 3 2260 倍）,即 20 lg 2260 67
16、 dB）；依据整个放大系统的电压增益,合理安排各级单元电路的增益；功率放大器级 倍数取 30 倍；音调掌握器放大器在中频取 1；前置放大器的电压放大倍数取 减）；采纳集胜利放）电压放大 1KHz ）处的电压放大倍数80考虑到实际电路中有衰音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑；如上所述,该系统的输出信号幅值为11.3V,从提高效率的角度考虑,电源电压越接近 11.3V 越好,但这样输出信号的失真将增大；从减小失真的角度考虑,可适当的提高电源电压；综合考虑,名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个
17、人资料整理 仅限学习使用音频功率放大器整个系统的电源电压采纳15V 供电；1、前置放大器电路依据音频信号的特点,前置放大器挑选由 器构成的电压放大器完NE5532 集成运算放大成； NE5532 在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具有优异的指标,由它组成的电压放大器可以很好的满意设计要求,电路如图 9所示；前置放大器有两级放大器组成,第一级采纳 NE5532 构成的电压串联负反馈电路,具有输入阻抗高的特点；其次放大器采纳NE5532 组成的电压并联负反馈电路,该电路具有输出电阻小、抗 共 模 干 扰 信 号 强 的 特 点 ； 第 一 级 放 大 器 的 电 压 放 大 倍 数 为 ：1R 3
18、147.5 7；其次级放大器的电压放大倍数为：R 520；R 210R 4电容 C5、C6 的作用是高频滤波,电容C3、C4 是去耦电容,排除低频自激振荡；前置放大器的下限频率由电容C1 和电阻_R1 打算；Vo1ViC1 +R1+15VC3=C4=10 FR5NE5532C3+C5=C6=0.01 FC5+R4话10 F_A15.1k100k筒200k输R3入C2 +47k+A2R2 10kNE5532R6-15V 47 F C4+C65.1k2、音调掌握器电路名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅
19、限学习使用该音频功率放大系统的音调掌握电路的掌握特性要求为：低音在100Hz 时为 12dB,高音在 10kHz 时为 12dB；设计满意要求音调掌握器的一般步骤为：（1）挑选电路结构和放大单元器件 电路结构选用图 2 所示的负反馈式音调掌握器；放大单元器件选 择 集 成 运 算 放 大 器 LF356 ； LF356 的 输 入 阻 抗 非 常 高 , 可 达10 12 ,可以很好地满意掌握特性要求,只需采纳小容量电容器即可；（2）运算低音调剂转折频率和高音调剂转折频率 依据 RP1=RP2=9R1 的条件,该音调掌握放大器电路的最大提升和 衰减量为：依据图20lgRP2R 220dB）,2
20、0lgR PR 1R 220dB）；R 12可知, fL1、fL2、fH1、fH2 为转折频率,且幅频特性是按6dB/倍频程的斜率变化的；已知要求在低音 衰减 12dB,所以低音调剂转折频率：100Hz 处的提升或2012120400Hz）；Lf11002639 . 68Hz）,Lf210026同理,依据高音10kHz 处的提升或衰减12dB,可得高音调剂转折频率：Hf1 10103120.25 kHz ）,Hf2103 102201225 . 2kHz ）；266（3）音调调剂电位器挑选名师归纳总结 由于 LF356 集成运算放大器的输入阻抗很高,电位器RP1、RP2第 13 页,共 19
21、页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用的阻值可适当高一些；现选RP1=RP2=200k ；（4）低、高音调整电容及电阻的挑选C1C22f12239.12001030 .02 F） , 可 采 用 两 个LR P680.01 F电容并联；电阻R 1R 2R 3R P29200922 . 22k ）,选标称值 22k；当 f=fH2=25.2kHz 时,高音提升20dB,即20lgR 4R 4R a20dB）,所以R 4R 4R a10；322/97 3.k ） , 取 标 称 值因 为Ra=3R1 , 所 以R 43R 197.5
22、k ；C32f12R4225.21375.103840pF ）, 取标称 值H10C3=1000pF；最终设计好的音调掌握器电路如图 10 所示；200kR1 Rp2 R222k C1 C2 22k0.02uF R322k 0.02uF+15VV01 C _ LF3561uF 7.5k R4+ A Vo2C31000pF-15VRp1 200k图 10 音调掌握电路图3、功率放大器电路采纳集胜利放设计功率放大器不仅设计简洁,工作稳固,而且组名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用装、调试便利,
23、成本低廉,所以本设计选用集胜利放实现；目前常用的集胜利放型号特别多,本设计选取SGS 公司生产的TDA2030/2030A 集胜利放,该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热爱护,外围电路简单,可以作 OTL 使用,也可作 OCL 使用；TDA2030/2030A 的外引线如图11 所示； 1 脚为同相输入端, 2脚为反相输入端, 4 脚为输出端, 3 脚接负电源, 5 脚接正电源；电 路特点是引脚和外接元件少；其主要特点为：电源电压范畴为1414018V , 静 态 电 流 小 于60A , 频 响 为kHz , 谐 波 失 真 小 于0.5, 在VCC= V,RL=4时,输出功率为1
24、4W ；在 8负载上的输出功率为 9W；1TDA20305V02C1 +R3 22k+15VD1C3=C4=100uF+1N4001C5=C6=0.1uFC3C51+5Rp100k10uF2TDA2030C44VoC6D2_3R41N4001+2341同反-Vs输+VsC2-15VC78R1R2 22k0.22uF680+相相出输输端22uF入入图 11 TDA2030 管脚图 率放大器电路图 12 TDA2030 组成的 OCL 功由 TDA2030/2030A 构成的 OCL 功率放大器电路如图 12所示；该电 路 由 TDA2030组 成 的 负 反 馈 电 路 , 其 交 流 电 压
25、放 大 倍 数名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - AVf1R 112233个人资料整理仅限学习使用倍）,满意设计要求；二极管D1、D2 起保R 20 . 68护作用,一是限制输入信号过大,二是防止电源极性接反；R4、C2组成输出相移校正网络,使负载接近纯电阻；电容 C1是输入耦合电容,其大小打算功率放大器的下限频率；电容 容,电容 C5、C4 是高频旁路电容；电位器四、音频功率放大器的调试C3、C6是低频旁路电 RP 是音量调剂电位器；1、在安装电子电路前,应认真查阅电路所使用的集成电路的管脚排 列图及使用留意事项
26、,同时测量电子元件的好坏；2、画出每个单元电路的电路原理图和连线图；画出整个电子系统的 原理图；3、前置放大器调试；安装电路时留意电解电容的极性不要接反,电源电压的极性不要接反；同时不加入沟通信号时,用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观看每级输出有无自激振荡现象,同时测量前置放大器的噪声输出大小；加入幅值 5mV、频率1000Hz 的沟通正弦波信号 留意 5mV 信号可以通过一个 10k 和100 组成的衰减网络得到）,测量前置放大器的输出大小,验证前 置放大器的电压放大倍数；转变输入正弦波信号的频率,测试前置 放大器的频带宽度；4、音调掌握器调试；1）第一进行静态测试,方法同上
27、；2）中 频特性测试；将一频率等于 1kHz、幅值等于 1V 的正弦信号输入到音调掌握器输入端,测量音调掌握器的输出；3）低音提升和衰减名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用特性测试；将电位器RP1 滑动端分别置于最左端和最右端时,频率从 20Hz1kHz 连续变化 输入信号幅值保持不变）,登记对应输出的电压值,画出其幅频响应特性曲线；4）高音提升和衰减特性测试；将电位器 RP2 滑动端分别置于最左端和最右端时,频率从2kHz30kHz 连续变化 输入信号幅值保持不变）,登记对应输出的电压值
28、,画出其幅频响应特性曲线；并验证是否满意设计要求并修改；5）最终画出音调特性曲线,5、功率放大器测试：1）通电观看；接通电源后,先不要急于测试,第一观看功放电路是否有冒烟、发烫等现象；如有,应快速切断电源,重新检查电路,排除故障；2）静态测试；将功率放大器的输入信号接地,测量输出端对地的电位应为 0V 左右,电源供应的静态电流一般为几十mA 左右；如不符合要求,应认真检查外围元件及接线是否有误；如无误,可考虑更换集胜利放器件；条件下,功率放大器输入端加入频率等于 1kHz 的正弦波信号,调剂 输入信号的大小,观看输出信号的波形；如输出波形变粗或带有毛 刺,就说明电路发生自激振荡,应尝试转变外接
29、电路的分布参数,直至自激振荡排除；然后逐步增大输入电压,观看测量输出电压的 失真及幅值,运算输出最大不失真功率；转变输入信号的频率,测 量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满意设计要求；名师归纳总结 6、整机联调；将每个单元电路相互级联,进行系统调试；1）最第 17 页,共 19 页大不失真功率测量；将频率等于1kHz,幅值等于5mV 的正弦波信- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用号接入音频功率放大器的输入端,观看其输出端的波形有无自激振荡和失真,测量输出最大不失真电压幅度,运算最大不失真输出功率； 2）音频功率放大器频率
30、响应测量；将音调调剂电位器 RP1、RP2 调在中间位置,输入信号保持5mV 不变,转变输入信号的频率,测量音频功率放大器的上、下限频率；3）音频功率放大器噪声电压测量；将音频功率放大器的输入电压接地,音量电位器调剂到最大值,用示波器观测输出负载 小；RL 上的电压波形,并测量其大7、整机视听；用 8/8W 的扬声器代替负载电阻 RL；将一 话筒的输出信号或幅值小于 5mV 的音频信号接入到音频功率放大器,调节音量掌握电位器 RP,应能转变音量的大小；调剂高、低音掌握电位器,应能明显听出高、低音调的变化；敲击电路板应无声音间断和自激现象；五、摸索题1、对一个音频功率放大器的前置级有什么要求？对
31、于功率放大级有什么要求？2、何为 D 类功率放大器？ D 类功率放大器有什么特点？请列举出目前常用的 D 类集成音频功率放大器的芯片型号；3、试画出利用 TDA2030/2030A 实现的 OTL 功率放大器电路？如要输出 8W 的功率,对电源电压有什么要求？如要求进一步提高输出功率, TDA2030/2030A 可接成 BTL 结构,试画出 BTL 电路图,并说明其工作原理；4、什么是自激振荡现象？假如电路一旦显现自激振荡,将如何解决？名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用5、假如一个音源信号的幅值为500mV,就答应该音源信号直接输入到本课题设计的音频功率放大器上吗？直接输入将会显现什么现 象？如何解决？名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 19 页