音频功率放大器的设计与实现要点.pdf
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1、模拟电子电路实验课程设计 音频功率放大器的设计与实现 一、设计任务 设计并制作一个音频功率放大电路(电路形式不限),负载为扬声器,阻抗 8。要求直流稳压电源供电,多级电压、功率放大,所设计的电路满足以下基 本指标: (1)频带宽度 50Hz20kHz,输出波形基本不失真; (2)电路输出功率大于8W; (3)输入阻抗: 10k; (4)放大倍数: 40dB; (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; (6)所设计的电路具有一定的抗干扰能力; (7)具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好。 发挥部分: (1)增加电路输出短路保
2、护功能; (2)尽量提高放大器效率; (3)尽量降低放大器电源电压; (4)采用交流 220V ,50Hz电源供电。 二、设计要求 正确理解有关要求,完成系统设计,具体要求如下: (1)画出电路原理图; (2)确定元器件及元件参数; (3)进行电路模拟仿真; (4)SCH文件生成与打印输出; (5)PCB文件生成与打印输出; (6)PCB版图制作与焊接; (7)电路调试及参数测量。 根据以上设计要求编写设计报告, 写出设计的全过程,附上有关资料和图纸。 设计报告格式请参见附录一。 三、实验原理 音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备, 它主要应用于 对弱音频信号的放大以及音频信号
3、的传输增强和处理。按其构成可分为前置放大 级、音调控制级和功率放大级三部分,如图1 所示。 前置放大级音调控制放大级功率放大级vi vo 图 1 音频功率放大器的组成框图 1前置放大级 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
4、, 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
5、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100V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
6、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。 常用的前置放大器按结构划分有五种类型: (1)单管前置放大器 (2)双管阻容耦合前置放大器 (3)双管直接耦合前置放大器 (4)集成前置放大器 (5)场效应管前置放大器 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
7、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。
8、 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 。 + _ A 低音 高音 提升衰减 提升衰减
9、 Rp1 Rp2 C1C2 R1R2 R3 R4 C3 C Vi Vo 图 2 负反馈式音调控制电路图 20lgAvfdB 0 10 20 f 2Lf 1L f + _ A Rp2 C2 R1R2 R3 Vi Vo -6dB/倍频程 (a) 低音提升等效电(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 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
10、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: 图 3 所示的电压放大倍数表达式为: 12 22 22 1 2 . / ) 1 (RR CjR CjR Z Z A P P Vf 化简后得: 22 22 22 2 1 22 . 1 1 P P P P Vf RCj RR RR Cj R RR A 所以该电路的转折频率为: 22 1 2 1 CR f P L , 22222 2 2 1 )/(2 1 CRCRR f P L 可见当频率0f时, 1 22 . R RR A P Vf + ;当频率f时,1 1 2 . = R R AVf。 从定性的角度来说
11、, 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 122 )(RRRP+。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。 + _ A Rp2 C1 R1R2 R3 Vi Vo 20lgAvfdB 0 -10 -20 f 1L f 2L f +6dB/倍频程 (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
12、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: 112 12 21 2 211 2 . )/(1 1 /)1 (CRRj CRj RR R RCjR R A P P PP Vf 其转折频率为: 12 1 2 1 CR f P L , 112 2 2 1 )/(2 1 RRR f P L 可见当频率0f时, 21 2 . P Vf RR R A + ;当频率f时,1 1 2 . = R R AVf 。 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 )( 212P RRR 。低音衰减等效电 路的幅频
13、响应特性的波特图如图4(b)所示。 在电路给定的参数下, 11LL ff=, 22LL ff=。 + _ A 高音 提升衰减 Rp1 R1R2 R3 R4 C3 Vi Vo + _ A 高音 提升衰减 Rp1 Ra Rb Rc R4 C3 Vi Vo (a) (b) 图 5 高音等效简化电路 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 2 31 31 R RR
14、 RRRa+=, 1 32 32 R RR RRRb+=, 3 21 21 R RR RRRc+= 在假设条件 R1=R2=R3 的条件下, Ra=Rb=Rc=3R1。 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: 43 43 43 . 1( )(1 /)1(RCjR RRCjR RRCj R A a ab a b Vf 其转折频率为: )(2 1 43 1 a H RRC f ,
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