音频功率放大器的设计与实现.doc

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50Hz～20kHz，输出波形基本不失真；
（2）电路输出功率大于8W；
（3）输入阻抗：≥10kΩ；
（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。

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，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。
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
(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：

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。
(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) (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
，，
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：

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。
常见集成音频放大器如附录二所示。
4．音频放大电路的主要技术指标
(1) 额定输出功率Po
在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内，功率放大器所输出的最大功率。

Vo亦称为输出额定电压。
(2) 静态功耗PQ
指放大器处于静态情况下所消耗的电源功率。
(3) 效率η
放大器在达到额定输出功率时，输出功率Po对消耗电源功率PE的百分比，用η表示

(4) 频率响应（频带宽度）
在输入信号不变的情况下，输出幅度随频率的变化下降至中频时输出幅度的0.707倍时所对应的频率范围。
(5)音调控制范围
为了改善放大器的频率响应，常对高、低频增益进行控制，如提升或衰减若干分贝，而对中频增益不产生影响。若未控制的输出幅度为Vo，而控制后的输出幅度为Vo1，则音调控制范围为 （即）。
(6) 非线性失真
在规定的频带内和额定输出功率状态下，输出信号中谐波电压有效值的总和与基波电压有效值之比：

式中：V1为输出电压基波分量有效值；V2、V3 、… 、Vn分别为2次、3次、…、n次谐波分量有效值。非线性失真可由失真度测量仪测得。
(7) 噪声电压VN
扩音机输入信号为零时，在输出端负载上测得的电压有效值为噪声电压VN，噪声电压是扩音机机内各种噪声经放大后的总和。
(8) 输入灵敏度Vimax
保证音频放大器在额定的输出功率时所需的输入信号。
四、实验内容：
1．电路调试和静态测试。
2．测试各级电压增益和整机增益。
3．测量其它各项指标
4．测量频率特性
5．加负载测量各项整机指标
6．听音试验
五、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）。若输入信号为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60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40（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。
六、电路的调试
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。
七、时间安排
该实验为设计性实验，采用课内为主，课外为辅的方式进行。课内共设20学时，上课时间必须在实验室进行实验任务。具体安排如下：
1．第8周：布置设计任务，讲解设计要求、实施计划、设计报告等要求，完成选题。
2．第9周：完成资料查阅、作品设计。
3．第10-12周，完成模拟仿真，领取元件、实际制作。
4．第13周：制作并调试设计作品。
5．第14周：作品检查、评价、验收，撰写设计报告。
6．第15周：抽选作品答辩，提交设计报告。
八、考核标准
实验的考核分为三个部分：作品、设计报告、平时成绩及答辩。如下表所示。
项目
子项目
满分
得分
1．作品
设计方案
10
50

制作质量
20
完成效果
20
2．设计报告
方案论证
10
40

电路、计算，或仿真
10
调试、测试数据
10
规范性
10
3．其他
平时成绩
5
10

答辩
5
总分
100

九、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？

附录一 设计报告格式
选课时间段：
座位号： 成绩：

杭州电子科技大学实验报告

课程名称：
实验名称：
实验类型：
指导老师：
同组学生姓名：

专业：
姓名：
学号：
班级：
日期：
地点：
一、实验目的

二、实验内容与原理

三、实验仪器

四、实验步骤

五、操作方法

六、实验数据记录和处理（包括仿真实验结果）

七、实验结果与分析

八、实验心得与体会

附录二 常见集成功放