音频功率放大器设计真正KO4.docx

音频功率放大器设计 1、设计任务： 设计一个音频功率放大器 1、 设计方案分析 21 、前置放大器 22 、音调控制电路 4(1) 负反馈式音调控制器的工作原理 5(2) 音调控制器的幅频特性曲线 103 、功率放大器 11三 、主要单元电路参考设计 111 、前置放大器电路 122 、音调控制器电路 13(1) 、选择电路结构和放大单元器件 13(2) 、计算低音调节转折频率和高音调节转折频率 13(3) 、音调调节电位器选择 14(4) 、低、高音调整电容及电阻的选择 143 、功率放大器电路 15四、音频功率放大器的调试 16音频功率放大器设计一 、设计任务：设计一个音频功率放大器1、 输入信号电压幅度为10~500mv负载电阻8Q2、 功率放大器的频带宽度》20Hz~200KHz3、非线性失真系数w 0.5%.3、 而定输出功率》10w、设计方案分析根据设计课题的要求，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 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 灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果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 发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号 将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义所以一个实用的音 频功率放大系统必须设置前置放大器，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 曲线恢复到接近平坦的状态，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，不需要进行频率均衡 前置放大器的主要功能一是使话筒的输出 阻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。

由于话筒输出信号非常微 弱，一般只有100卩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首先采用低噪声电 路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器， 首先要选择低 噪声的晶体管， 另外还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作点无关， 在要求高输 入阻抗的前置放大器的情况下， 采用低噪声场效应管组成放大器是合 理的选择如果采用集成运算放大器构成前置放大器， 一定要选择低 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 图9前置级放大器电路图2、音调控制电路音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听 众对音色的不同爱好此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量， 使音 质得到改善，从而提高放音系统的放音效果在高保真放音电路中， 一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路一个良好的音调控 制电路，要求有足够的咼、低音调节范围，同时有要求在咼、低音从 最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指 1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。

音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰 减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两 大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽， 但由于中音电 平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化， 所以噪声和失真较大负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小， 并 且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随 之改变下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理 1）负反馈式音调控制器的工作原理由于集成运算放大器具有电压增益高、 输入阻抗高等优点，用它制 作的音调控制电路，具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电 路结构如图2所示其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音 调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容 C1、C2是低音 提升和衰减电容，一般选择 C仁C2电容C3起到高音提升和衰减作 用，要求C3的值远远小于C1电路中各元件一般要满足的关系为： Rp1= Rp2 R=R=R，C=G，Rp1=9R图2负反馈式音调控制电路图在电路图2中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于 开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。

当低 音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C被短路，此时电路图2可 简化为图3(a)由于电容G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 3(a)电路的低音提升等效电路图频率响应分析如下：(b)低音提升等效电路幅频响应波特图图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/f唱「(Rjl "1化简后得Ri1 + jg2 % R21 jJJ，所以该电路的转折频率为:12二Rp2 C2 '1L2 一 2二(Rp2//R2)C2 2二R2C2可见当频率f》o时,＞虽^旦；当频率fRiT旳时，A/f索r在中'高音域’增益仅取决于F2与R的比值，即等于1;在低音域，增益可以得到提升,最大增益为(Rp2 R2) R1低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图 如图3(b)所示同样当Rd2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路 如图4(a)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 4(a)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：Avf为:R2R「（1jS）〃Rp2 R Rp2 1 1.（^）^ '其转折频率R21f L12iRP2C11L22二（Rp2〃 R1）”占。

可见当频率…时,Avf TR2R Rp2；当频率f - 时，Avf TRR1=1从定性的角度来说,就是在中、高音域，增益仅取决于R与R的比值，即等于1;在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为R2 (Ri Rp2)低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4(b)所示在电路给定的参数下，fL2f L2 a)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 以认为短路调节高音调节电位器 Rp1,即可实现对高音信号的提升 或衰减图5（a）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 ）其中 Ra = R1 R3 尺 R‘ ， Rb = R2 R3 R R ，R2 R1r^Ri+Rz+^L色在假设条件R=R=R的条件下，R=R=R=3RR3ViR1 R2Rp1高音Vo（b）图5高音等效简化电路如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过R支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，R的反馈作用将忽略不计（R可看成开路）。

当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6（a）所示此时，该电路的电压放大倍数表达式为:Avf（TTcFrT叫 j严，其转折频率为H12 二C3(R4 Ra)H22 二 C3R4当频率f0 时,Avf频率f T ^时，Avf T 从定性的角度上看，对于中、低音区R4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——R^咼音提升电路的幅频响应曲线的波特R4图如图6(b)所示b)(a)高音提升等效电路图 (b)高音提升等效电路的幅频响应波特图图(6)咼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 (a)所示咼曰(a)高音衰减等效电路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:Avf1(R4 )〃Rbj C Rc 1 j C3R4Ra花15 B其转折频率为:H 12 二 C3(R4 Rb)H22 兀 C3 R4当频率fTO时，AvfRbb=1 ；当Ra频率fT ^时，AvfR4 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 7(b)所示。

在电路给定的参数下，fH1(2)音调控制器的幅频特性曲线综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的 波特图如8所示根据设计要求的放大倍数和各点的转折频 率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小f图8音调控制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 （一般是扬声器）提供所 需要的输出功率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、DC型和CL型有全部采用分立元件晶体管组成的功率 放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大 器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多由于集 成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定 性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、 过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛三、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首先根据输出功 率的确定电源大小和整个系统的增益因为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 VomAJ2PomRl=J2^8>^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 -Vom Vi =11.3. 5 10’ =2260 （倍），即20lg 2260 =67 （ dB）根据整个放大系统的电压增益，合理分配各级 单元电路的增益功率放大器级（采用集成功放）电压放大倍数取 30倍；音调控制器放大器在中频（1KH0处的电压放大倍数取1;前 置放大器的电压放大倍数取80 （考虑到实际电路中有衰减）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。