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音频功率放大器设计

来 源:  时 间:2019-05-08

一、设计任务
设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度≤5mV,负载电阻等于8Ω的
条件下,音频功率放大器满足如下要求:
1、最大输出不失真功率POM≥8W。
2、功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz。
3、在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。
4、输入阻抗Ri≥100kΩ。
5、具有音调控制功能:低音100Hz处有±12dB的调节范围,高音10kHz处有±12dB的调节范围。
 
二、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100μV~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,要求有足够的高、低音调节范围,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(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C1=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,R1=R2=R3,C1=C2,Rp1=9R1。
 
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,C1被短路,此时电路图2可简化为图3(a)。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3(a)电路的频率响应分析如下:
 
(a) 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
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: 。化简后得:,所以该电路的转折频率为:
 , 。可见当频率时,;当频率时,。从定性的角度来说,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。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Rp2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:
,其转折频率为:
 , 。可见当频率时,;当频率时,。从定性的角度来说,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。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,, 。
 
(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,,。在假设条件R1=R2=R3的条件下,Ra=Rb=Rc=3R1。
                      (a)                                        (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Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路,Rc的反馈作用将忽略不计(Rc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:
,其转折频率为:
,。当频率时,;当频率时,。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。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图6(b)所示。
   
          (a) 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(a)所示。
   
(a) 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:
。其转折频率为:
,。当频率时,;当频率时,。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,, 。
(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。
 
 
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(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:(倍),即(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(1KHz)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;从减小失真的角度考虑,可适当的提高电源电压。综合考虑,音频功率放大器整个系统的电源电压采用±15V供电。
1、前置放大器电路
根据音频信号的特点,前置放大器选择由NE5532集成运算放大器构成的电压放大器完
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足设计要求,电路如图9所示。前置放大器有两级放大器组成,第一级采用NE5532构成的电压串联负反馈电路,具有输入阻抗高的特点。第二放大器采用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:;第二级放大器的电压放大倍数为:;电容C5、C6的作用是高频滤波,电容C3、C4是去耦电容,消除低频自激振荡。前置放大器的下限频率由电容C1和电阻R1决定。
2、音调控制器电路
该音频功率放大系统的音调控制电路的控制特性要求为:低音在100Hz时为±12dB,
高音在10kHz时为±12dB。设计满足要求音调控制器的一般步骤为:
(1)选择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控制器。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1012Ω,可以很好地满足控制特性要求,只需采用小容量电容器即可。
(2)计算低音调节转折频率和高音调节转折频率
     根据RP1=RP2=9R1的条件,该音调控制放大器电路的最大提升和衰减量为:
(dB),(dB)。
根据图  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100Hz处的提升或衰减±12dB,所以低音调节转折频率:
      (Hz),(Hz)。
   同理,根据高音10kHz处的提升或衰减±12dB,可得高音调节转折频率:
   (kHz),(kHz)。
(3)音调调节电位器选择
因为LF356集成运算放大器的输入阻抗很高,电位器RP1、RP2的阻值可适当高一些。现选RP1=RP2=200kΩ。
(4)低、高音调整电容及电阻的选择
(μF),可采用两个0.01μF电容并联。
电阻(kΩ),选标称值22kΩ。
 当f=fH2=25.2kHz时,高音提升20dB,即(dB),所以。
 因为Ra=3R1,所以(kΩ),取标称值7.5kΩ。
(pF),取标称值C3=1000pF。
最后设计好的音调控制器电路如图10所示。
 
图10 音调控制电路图
3、功率放大器电路
采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单,工作稳定,而且组装、调试方便,成本低
廉,所以本设计选用集成功放实现。目前常用的集成功放型号非常多,本设计选取SGS公司生产的TDA2030/2030A集成功放,该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护,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:电源电压范围为6V18V,静态电流小于60A,频响为10Hz 140kHz,谐波失真小于0.5,在VCC = 14V,RL=4时,输出功率为14W。在8负载上的输出功率为9W。
              
图11 TDA2030管脚图                     图12 TDA2030组成的OCL功率放大器电路
   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,其交流电压放大倍数(倍),满足设计要求。二极管D1、D2起保护作用,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,其大小决定功率放大器的下限频率。电容C3、C6是低频旁路电容,电容C5、C4是高频旁路电容。电位器RP是音量调节电位器。
 
四、音频功率放大器的调试
1、在安装电子电路前,应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项,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。安装电路时注意电解电容的极性不要接反,电源电压的极性不要接反。同时不加入交流信号时,用万用表测量每级放大器的静态输出值;然后用示波器观察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的交流正弦波信号(注意5mV信号可以通过一个10kΩ和100Ω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。改变输入正弦波信号的频率,测试前置放大器的频带宽度。
4、音调控制器调试。(1)首先进行静态测试,方法同上。(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控制器输入端,测量音调控制器的输出。(3)低音提升和衰减特性测试。将电位器RP1滑动端分别置于最左端和最右端时,频率从20Hz~1kHz连续变化(输入信号幅值保持不变),记下对应输出的电压值,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2kHz~30kHz连续变化(输入信号幅值保持不变),记下对应输出的电压值,画出其幅频响应特性曲线。(5)最后画出音调特性曲线,并验证是否满足设计要求并修改。
5、功率放大器测试:(1)通电观察。接通电源后,先不要急于测试,首先观察功放电路是否有冒烟、发烫等现象。若有,应迅速切断电源,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,电源提供的静态电流一般为几十mA左右。若不符合要求,应仔细检查外围元件及接线是否有误;若无误,可考虑更换集成功放器件。(3)动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)条件下,功率放大器输入端加入频率等于1kHz的正弦波信号,调节输入信号的大小,观察输出信号的波形。若输出波形变粗或带有毛刺,则说明电路发生自激振荡,应尝试改变外接电路的分布参数,直至自激振荡消除。然后逐渐增大输入电压,观察测量输出电压的失真及幅值,计算输出最大不失真功率。改变输入信号的频率,测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满足设计要求。
6、整机联调。将每个单元电路互相级联,进行系统调试。(1)最大不失真功率测量。将频率等于1kHz,幅值等于5mV的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端,观察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,计算最大不失真输出功率。(2)音频功率放大器频率响应测量。将音调调节电位器RP1、RP2调在中间位置,输入信号保持5mV不变,改变输入信号的频率,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,音量电位器调节到最大值,用示波器观测输出负载RL上的电压波形,并测量其大小。
7、整机视听。用8Ω/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,调节音量控制电位器RP,应能改变音量的大小。调节高、低音控制电位器,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、思考题
1、对一个音频功率放大器的前置级有什么要求?对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?若要输出8W的功率,对电源电压有什么要求?若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?如果电路一旦出现自激振荡,将如何解决?
5、如果一个音源信号的幅值为500mV,则允许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?直接输入将会出现什么现象?如何解决?

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