卡拉OK仿真系统音频功率放大的设计说明.doc

交通职业技术学院毕 业 论 文（设 计）题目： 卡拉OK仿真系统 系 别： 电子系 专 业： 电子信息工程技术 姓 名： 林汉坤 学 号： 1113232138 指导教师： 邬志峰 日 期： 2013年12月 32 / 33卡拉OK仿真系统摘要这是一个科学技术极度发展的的时代，这是一个人们生活节奏极度快速的时代在这个极速的时代人们对音乐的播放和演绎都有了更高的要求，一、希望声音的放大倍数尽可能的大；二、希望播放音乐的失真度尽可能的小；三、要求声源的输入越来越多例如：一台普通的功放机至少会有5到7个音频的输入接口；四、随着社会发展的要求，节能环保的提倡，人们对机体本身的功耗要求越来越高，希望功耗尽可能的小；五、为了节省材料，体积越小越好，耗材越少越好 由于条件的限制我们设计一个两路音频的功放，一个供MP3的音频输入，还有一个用来供话筒的声音输入。

这样就可以做成一个小型的卡拉OK机了关键词：音频功率放大器；Proteus目 录一、引言 4二、音频放大器的概述 52.1音频放大电路的回顾52.2音频功率放大器的介绍62.2.1 A类(甲类)功率放大器62.2.2 B类(乙类)功率放大器62.2.3 AB类(甲乙类)功率放大器62.2.4 C类(丙类)功率放大器72.2.5 D类(丁类)功率放大器72.3放大器的技术指标7三、音频功率放大器的设计103.1设计方案分析103.2前置放大电路设计103.3二级放大电路设计123.3.1 低通滤波器设计123.3.2 高通滤波器设计143.3.3 二级放大电路电路设计163.4功率放大器设计173.5 直流稳压电源设计18四、Protues的仿真操作简介204.1 protues的工作界面204.2 protues的仿真工具21五、电路的仿真235.1 前置电路的仿真235.1.1 输入与输出分析235.1.2 电路频率响应特性分析245.2二级放大电路仿真255.2.1电路输入与输出分析255.2.2电路频率响应特性分析265.3 功率放大电路功率仿真275.4 直流稳压电源仿真285.5音频功率放大电路仿真和分析295.5.1 电路输入与输出分析305.5.2电路频率响应特性分析31参考文献32附 图 33一、引言进入大学后生活条件和周围的环境都发生了极大的变化，以前在家你可以开着音响大声的放歌，打开麦克风大声唱自己喜欢的歌谣。

只要自己愿意就可以了，一般不会受限制的真的是想唱就唱，想听你就大声的听，让音乐不断的醉吧！上学后呢？我们依然想听着被大声播放的音乐，想对着MV唱自己喜欢唱歌曲但是条件实在是不允许，我们没有一个播放设备给我们大声放歌，我们也没有一个可以支持话筒输入的设备来供我们唱歌现在我们都会有一种感觉，没有音乐的社会就像在地狱一样，音乐已经是生活的一部分我们又不可能去买那些很奢侈的东西吧——很贵，没有买的必要当然我们是学生学习也很重要，听音乐和唱歌只是一个业余爱好而已怎样才能两全其美呢？那就用自己所学的东西来设计一个卡拉OK机吧！这样既可以学以致用，又能满足我们自己的喜好二、音频放大器的概述2.1音频放大电路的回顾音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计hi-fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了hi-fi史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响与动态围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8Ω，完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块USP3；可对1~2000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构美国Tripass司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。

2.2音频功率放大器的介绍按照电流导通角的大小可分为A类(甲类)、AB类(甲乙类)、 B类(乙类)、C类(丙类)和D类(丁类)功率放大器2.2.1 A类(甲类)功率放大器A类(甲类)功率放大器电流导通角θ=180°，理想效率为50%，一般适用于小信号电压放大器A类功率放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期均导通由于放大器工作在特性曲线的线性围，所以瞬态失真和交替失真较小电路简单，调试方便有较大的非线性失真，由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用2.2.2 B类(乙类)功率放大器B类(乙类)功率放大器电流导通角θ=90°，理想效率为78.5%B类功率放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率在Vi的正半周期，一管导通另一管截止，输出端为正半周正弦波；同理，当Vi为负半周期，输出端为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作其特点是效率较高(78.5%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域，故其缺点是"交越失真"较大即当信号在-0.6V～ 0.6V之间时，两管都无法导通而引起的2.2.3 AB类(甲乙类)功率放大器AB类(甲乙类)功率放大器电流导通角90°<θ<180°，理想效率为50%<η<78.5%。

AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)AB类功率放大器的好处是：可以避免交越失真有效率较高，晶体管功耗较小的特点2.2.4 C类(丙类)功率放大器C类(丙类)功率放大器电流导通角θ<90°，理想效率η>78.5%C类功率放大器的主要特点是：处在C类状态时，放大器的电流波形有较大的失真，因此只能用调谐回路作为负载，以滤除谐波分量，选出信号基波，从而消除失真2.2.5 D类(丁类)功率放大器D类(丁类)功率放大器功率管处于开关状态，理想效率为90%～100%D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号变换成脉冲信号,然后用脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器具有效率高的突出优点放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器等四部分组成它有以下好处：1． 具有很高的效率，通常能够达到85%以上2． 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间3． 低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少，便于设计调试2.3放大器的技术指标评价一个功放系统或设备是否符合高保真要求，一般应采用主观听音评价和客观指标测试相结合的方式来进行，并以客观测试指标为主要依据因为采用仪器测试设备的性能指标．能得到很直观的可供参考比较的定量结果，无疑是最科学而值得信赖的音频功放的技术指标，主要包括输出功率、频率特性、信噪比、瞬态响应以与非线性失真等其中，输出功率、频率特性等，通常称为静态特性指标，它们是用稳态信号测量的而瞬态特性和非线性失真等，则称为动态特性指标，它们是用非稳态信号测量确定的1、 额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值(r<1%)的最大功率称为额定功率，表达式；Po= Uo2/RL (2-1)U0为负载两端的最大不失真电压，RL为额定负载阻抗测量条件如下：信号发生器输出频率为1kHz，电压U1=20mV正弦信号功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)，输入端接U1，逐渐增大输入电压U1；直到U0的波形刚好不出现谐波失真(r<1%)，此时对应的输出电压为最大输出电压测量后应迅速减小U1，以免损坏功率放大器2、 频率响应音频功放的频率特性，是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。

通常采用输出电平随频率变化的关系曲线来描述指的是振幅频率特性，习惯上称为幅频特性或频率响应(简称为频响)在说明音频功放的频率特性时，有两点必须明确给出即：一是有效频率围频率围，20Hz～20kHz全面反映出该功放的频率特性指标对于音频功放的频率特性指标而言，其有效频率围越宽，且在该频率围相对参考电平的不均匀度越小则说明该音频功放的频率特性指标就越好放大器的电压增益相对于中音频fo (1kHz)的电压增益下降3dB 时所对应的低音频率f L和高音频率f h称为放大器的频率响应3、谐波失真谐波失真是指信号通过音频设备后，新增加的谐波成分它是原信号波形中没有的波形变化，是不希望发生的其值以新增加的谐波成分的均方根值与原信号电压的均方根值的百分比来表示即： （2-2）式中 U1— 正弦波基波电压有效值;U2 ,U s. ⋯Un— 2次、3次、n次谐波电压有效值谐波失真是电路或器件工作时的非线性引起的高保真放大器的谐波失真一般应控制在0.05％以下，目前许多优秀的放大器失真度均可达到＜0.01％降低放大器谐波失真度的措施有：①施加适量的电压或电流负反馈②选用ft较高、线性好的放大器件③尽可能提高各级对管参数的一致性或对称性。

④采用甲类放大，选用优秀的电路，如双差分放大、全互补输出或全对称等 4、信号噪声比信号噪声比 (S/N)指信号通过音频设备后增加的各种噪声(如低频呼声、感应交流声、嘀嘀声等)与指定信号电平的dB差值，或信号幅度与噪声幅度之比，其值常用分贝表示，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，这时标为噪声电平现代高保真后级功放的S/N一般能达到90dB以上，问题不会很突出我们知道，多级放大器的S/N主要取决于第一级，故在系统中，我们要着重提高前级或前置放大器的S/N由于影响S/N的因素很多，提高S/N便显得很棘手，有时费了九牛二虎之力，能使之提高两三个dB已届战果辉煌而人耳对噪声又很敏感，所以提高S/N往往成为设计与制作的主攻目标虽然因素很多，但也不是无。