音频功放的设计与要点.docx

模拟电子电路试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种音频功率放大电路（电路形式不限），负载为扬声器，阻抗8o规定直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，所设计B¾电路满足如下基本指标：（1）频带宽度50HZ20kHz,输出波形基本不失真；（2）电路输出功率不不大于8W；（3）输入阻抗：10k;（4）放大倍数：40dB;（5）具有音调控制功能：低音IOoHZ处有±12dB的）调整范围，高音IokHZ处有±12dBB调整范围；（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）增长电路输出短路保护功能；（2）尽量提高放大器效率；（3）尽量减少放大器电源电压；（4）采用交流220V,50HZ电源供电。二、设计规定对0理解有关规定，完毕系统设计，详细规定如下：（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4） SCH文献生成与打印输出；（5） PCB文献生成与打印输出；（6） PCB版图制作与焊接；（7）电路调试及参数测量。根据以上设计规定编写设计汇报，写出设计0¾全过程，附上有关资料和图纸。设计汇报格式请参见附录一。三、试验原理音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强B电子音响设备，它重要应用于对弱音频信号B¾放大以及音频信号的传播增强和处理。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音频功率放大器的构成框图1 .前置放大级音频功率放大器B作用是将声音源输入B信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源B种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传播等，这些声音源0输出信号0电压差异很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入敏捷度是一定0¾,这些不同样0声音源信号假如直接输入到功率放大器中B¾话，对于输入过低B¾信号，功率放大器输出功率局限性，不能充足发挥功放B作用；假如输入信号H¾幅值过大，功率放大器0¾输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。因此一种实用0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样日勺输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器B¾输入敏捷度相匹配。此外在多种声音源中，除了信号的幅度差异外，它们B¾频率特性有B¾也不同样，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，高音被提高。对于这样的!输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率赔偿，使其频率特性曲线恢复到靠近平坦B¾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。前置放大器的重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；二是使前置放大器时输出电压幅度与功率放大器的输入敏捷度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100UV几亳伏，所此前置放大器输入级的噪声对整个放大器B¾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，对于由晶体管构成的分立元件构成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，此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，并且它几乎与静态工作点无关,在规定高输入阻抗的前置放大器的状况下,采用低噪声场效应管构成放大器是合理的选择。假如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。对于前置放大器的此外一规定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构造划分有五种类型：（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日勺重要功能是通过对放音频带内放大器0频率响应曲线0形状进行控制，从而抵达控制放音音色的目0¾,以适应不同样听众对音色的不同样爱好。此外还能赔偿信号中所欠缺B频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统B¾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。一种良好的音调控制电路，规定有足够B¾高、低音调整范围，同步有规定在高、低音从最强调到最弱B整个过程中，中音信号（一般指IkHZ）不发生明显0¾幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大B变化。音调控制电路大多由RC元件构成，运用RC电路的传播特性，提高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整范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调整过程中整个电路的阻抗也在变化，因此噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调整音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之变化。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、输入阻抗高等长处，用它制作的音调控制电路具有电路构造简朴、工作稳定等长处，经典的电路构造如图2所示。其中电位器RPl是高音调整电位器，Rp2是低音调整电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容CLC2是低音提高和衰减电容，一般选择Cl=C2,电容C3起到高音提高和衰减作用，规定C3H值远远不不不大于C1。电路中各元件一般要满足0关系为：Rpl=Rp2,R1=R2=R3,C1=C2,Rpl=9Rlo图2负反馈式音调控制电路图图3低音提高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，相称于开路，此时高音调整电位器Rpl在任何位置对低音都不会影响。当低音调整电位器Rp2滑动端调到最左端时，Cl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，因此相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提高的作用。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体现式为:=一空ZRp2jc2Rp2 +1/ jC2化简后得:1.9Ry2，氏21+jC7_Rp2+R?Rp2+21.R-1+jC2Rp2因此该电路的转折频率为fl,=“ItvRp2C2,l(Rp2HR2)C2IttR2C2可见当频率/ O时，AvfRl;当频率f 8时，Avj.从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与RI的比值，即等于1;在低音域，增益可以得到提高，最大增益为(Rp2+R2)R。低音提高等效电路时幅频响应特性的波特图如图3(b)所示。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Cl对输入音频信号时低音信号具有较小的电压放大倍数，因此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体现式为:Al，.=&_X1+jRpzC'.一凡+QjCJI/Rpz-+Rp?1+j(Rp2/Rl)Ci其转折频率为：fi1f一11l,2Rp2C.,22(Rp2IRJ2Rl可见当频率FTo时，Avf=-;当频率/T8时，A=10A1+Ip2A1从定性0¾角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与Rl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(R+Rp2).低音衰减等效电路时幅频响应特性的波特图如图4(b)所示。在电路给定B¾参数下，九=九，fc=%。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Cl、C20容抗很小，可以认为短路。调整高音调整电位器RP1,即可实现对高音信号0提高或衰减。图5(a)就是工作在高音信号下0简化电路图。为了便于分析，将图中0¾RI、R2、R3构成B¾Y型网络转换成连接方式，如图5(b)0其中R,RZ凡&RlR,RU=R"Rn6yJf在假设条件R1=R2=R30¾条件下，Ra=Rb=Rc=SRl0假如音调放大器0输入信号是采用0内阻极小0¾电压源，那么通过Rc支路0¾反馈电流将被低内阻0¾信号源所旁路，Rc0反馈作用将忽视不计(RC可当作开路)。当高音调整电位器滑动到最左端时，高音提高时等效电路如图6(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数体现式为：4二一凡1+/吟(凡+()vf(jCR4)Ra-Ra+jC3R4其转折频率为：力=2元式&+(),=2CRRR+R当频率/一0时，4一法=1；当频率/一8时，4“一上L。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L对于高音区域的信号，放大器日勺增益可以提高，最大增益为与普。高音提高电路B幅频响应曲线的波特图如图6(b)所示。(a)高音提高等效电路(b)高音提高等效电路的幅频响应波特图图6高音提高等效电路及幅频响应曲线当Rpl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。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体现式为：(氏+二一)Rb的叫、，1+加Q&Avf=XRaRal+jC3g+Rb)其转折频率为：f1fi12C3(R4+Rb),22C3R4当频率/一0时，Ayr一察=1；当频率/-8时，AT弁三。可Ka(+Kb见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路时幅频响应曲线的波特图如图7(b)所示。在电路给定B¾参数下，1=H2=20(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0¾完整0幅频特性曲线的波特图如8所示。根据设计规定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0电阻、电容大小。3 .功率放大器功率放大器B¾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B¾重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。目前常见的电路构造有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有所有采用分立元件晶体管构成B¾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B¾功率放大器;伴随集成电路的发展,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以便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好,功耗低，电源运用率高，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，因此使用非常广泛。常见集成音频放大器如附录二所示。4 .音频放大电路的重要技术指标(1)额定输出功率P。在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内，功率放大器所输出时最大功率。VO亦称为输出额定电压。(2)静态功耗PQ指放大器处在静态状况下所消耗的电源功率。(3)效率放大器在抵达额定输出功率时，输出功率Po对消耗电源功率PE0比例，用体现%=JLxIO0%(4)频率响应(频带宽度)在输入信号不变的状况下，输出幅度随频率的变化下降至中频时输出幅度00.707倍时所对应0¾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，如提高或衰减若干分贝，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Vol,则音调控制范围为201g%(即20IgAL)。*<,A>(6)非线性失真在规定B¾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：J2÷v?÷-÷K2式中：VI为输出电压基波分量有效值；V2、V3、.、Vn分别为2次、3次次谐波分量有效值。非线性失真可由失真度测量仪测得。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多种噪声经放大后的总和。(8)输入敏捷度Vimax保证扩音机在额定时输出功率时所需的输入信号。四、试验内容：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 .测量其他各项指标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、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，同步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。同步不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观测每级输出有无自激振荡现象，同步测量前置放大器时噪声输出大小。加入幅值5mV、频率IoOOHZ日勺交流正弦波信号(注意5mV信号可以通过一种10k和IooQ构成0衰减网络得到)，测量前置放大器0¾输出大小，验频带宽度。4 .音调控制器调试。（1）首先进行静态测试，措施同上。（2）中频特性测试。将一频率等于IkHz、幅值等于IV日勺正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器时输出。（3）低音提高和衰减特性测试。将电位器RPl滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从20Hz-lkHz持续变化（输入信号幅值保持不变）,记下对应输出B¾电压值，画出其幅频响应特性曲线。（4）高音提高和衰减特性测试。将电位器RP2滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从2kHz30kHz持续变化（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）最终画出音调特性曲线，并验证与否满足设计规定并修改。5 .功率放大器测试：（1）通电观测。接通电源后，先不要急于测试，首先观测功放电路与否有冒烟、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B¾电位应为OV左右，电源提供B¾静态电流一般为几十mA左右。若不符合规定，应仔细检查外围元件及接线与否有误；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（替代扬声器）条件下，功率放大器输入端加入频率等于IkHz的正弦波信号，调整输入信号的大小，观测输出信号的波形。若输出波形变粗或带有毛刺，则阐明电路发生自激振荡，应尝试变化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，观测测量输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。变化输入信号的频率，测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度与否满足设计规定。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IkHz,幅值等于5mV的正弦波信号接入音频功率放大器0¾输入端，观测其输出端0¾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。将音调调整电位器RP1、RP2调在中间位置，输入信号保持5mV不变，变化输入信号0¾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，音量电位器调整到最大值，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8Q出W0扬声器替代负载电阻RL。将一话筒0¾输出信号或幅值不不不大于5mV的音频信号接入到音频功率放大器，调整音量控制电位器RP,应能变化音量的大小。调整高、低音控制电位器，应能明显听出高、低音调B¾变化。敲击电路板应无声音间断和自激现象。六、时间安排8 试验为设计性试验，采用课内为主，课外为辅的方式进行。课内共设14课时，上课时间必须在试验室进行试验任务。详细安排如下：1 .第9周：布置设计任务，讲解设计规定、实行计划、设计汇报等规定，完毕选题。2 .第10周：完毕资料查阅、作品设计。3 .第11-12周，完毕模拟仿真，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，撰写设计汇报。6 .第15周：抽选作品答辩，提交设计汇报。七、考核原则试验0考核分为三个部分：作品、设计汇报、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1050制作质量20完毕效果202.设计汇报方案论证1040电路、计算，或仿真10调试、测试数据10规范性103.其他平时成绩510答辩5总分100八、思索题1、对一种音频功率放大器的前置级有什么规定？对于功率放大级有什么规定？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0¾芯片型号。3、试画出运用TDA2030/2030A实现时OTL功率放大器电路？若要输出8W的功率，对电源电压有什么规定？若规定深入提高输出功率，TDA2030/2030A可接成BTL构造，试画出BTL电路图，并阐明其工作原理。4、什么是自激振荡现象？假如电路一旦出现自激振荡，将怎样处理？5、假如一种音源信号B幅值为500mV,则容许该音源信号直接输入到本课题设计0音频功率放大器上吗？直接输入将会出现什么现象？怎样处理?附录一设计汇报格式选课时间段：座位号：成绩:杭州电子科技大学试验汇报课程名称：试验名称：试验类型：指导老师：_同组学生姓名:专业:姓名:学号:班级:日期:地点:一、试验目的二、试验内容与原理三、试验仪器四、试验环节五、操作措施六、试验数据记录和处理七、试验成果与分析八、试验心得与体会附录二常见集成功放型号箱出功率1出功率2ttft封装工作电A输出电IKTDA735O22W1MWll18V5ATDA736O22W1MWll18V5ATDA73656»9MWl5ISV4ATDA737O6.5<20W4MWl518V4.5ATDA73726T不支持BTL4MWl518V4ATDA737421WnMW1518V4.5ATDA737535W2MW1518V4.5ATDA7376B35W2MWl518V4.5ATDA73776&30W4MWl518V4.5ATDA737913W3814MW1522V5ATDA738125W4FW2518V4ATDA738222W4FW2518V5.5ATDA738330W4FW2518V5.5ATDA738435W4FW2518V5.5ATDA738530W4FW2518V5.5ATDA738640W4FW2518V5.5ATDA73884IW4FW2518V5.5ATDA7388A42W4FW2718V5.5ATDA738945W4FW2518V5.5ATDA739135W1MWil18V6ATDA739332WnMW1518V5.5ATDA739430W9MWl518V5.5ATDA73%45W1JfWll18V7ATDA7451TJ22W4FW2518V4ATDA745435W4FW2518V8ATDA748OIOWD类)1DIP-20±20V5ATDA7481ISW(D类)1MW15±25V5ATDA748225W(D类;1Mfl5±28V5ATDA749O25W(D类)50WnFW25±30V5ATDA7494IOW1MW1535V1.9ATDA7495IlW2MWl535V2.4ATDA74965<2MWl535V1.3ATDA7497SST*8W*15W3MWI535V2A+2.5ATDA74996W2MWll±20V2.5ATDA756O45WMoS)4FW2518VIOATDA756135W(DMOS)4FW25ISVSATDA756235W(DMOS)4FW2718VSATDA756340V(DMDS)4FW2718VSATDA75&445W(DMOS)4FW2518V8ATDA756640W(DMDS)4FW2518VSATDA757540W(DMOS)nPrerSO3618VSATDA785050V(DMOS)4FW25ISVIOATDA7S50LV50W(DMOS)4FW25MIN6VIOATDA7S51A45WIDMOS)4FW2718VIOATDA7S51F45WDM0S)4FW2518VIOATDA785447WsMOS)4FW2518VIOATDA2009AIOWISI2MWll28V4.5ATDA2030AISW3411T0220-5±22V3.5ATDA204020W30W1T0220-5±20V4ATDA205032W1TO22O-5±25V5ATDA20514OW1T0220-5±25V6ATDA205260W1T0220-7±25VGATDA726425WnifW3ll±20V4.5ATDA726525WnMWIl±25V4.5ATDA7269IOWnMWll±22V3ATDA72924OW9MWll±35V5ATDA7293100W200W(HE)1MWl5±50VIOATDA7294100W170W(HE)1MWl5±40VIOATDA7295SOW100WBTL1MWl5±40V6ATDA7296GOW601BTL1MWl5±35V5ATDA729720WBILnMfl520V2ATDA74965KnMWl535V1.3ALM3876GOW4511MWll±42VGALM187623W20WnMWl5±32V3.5ADe87645W8欧751Peak1MWll±35V4ADC387545W5611MWIl+42VGALM187520W25W1T0220-5±30V4ALM38S668W63W1MWll±42V11.5ALM476522W30WnMWl5±32V3.5ADH76642W2612MWl5±37V4ALM4780GOW5512FW27±42V11.5ALM478135W2513FW27±35V4ALM478232W2513FW27±32V3.5A注：1卷里的“输出功率厂对jTDA系列是指EIAJ标准的输出JLM系列是指4攻够负戮.THD=1%时的愉出功率.”扬出功率2”对jTDA系列是指BTL输出的功率.对ILM系列是指8欧姆负装.THD=I炳的出功率.2TDA729372X的”出功率2”中的（HE）是指HighEffiCieF连接电扁的MA率.详细见TDA7294的官方PDF资料的第十面和TDA7293官方PDF施料的第七面的石下角到第八面.3.“工作电乐”栏中指的是有低弓时的最高工作电乐.