音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、模擬電子電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)音頻功率放大電路（電路形式不限），負(fù)載為揚(yáng)聲器，阻抗8。要求直流穩(wěn)壓電源供電，多級(jí)電壓、功率放大，所設(shè)計(jì)的電路滿足以下基本指標(biāo)：（1）頻帶寬度50Hz20kHz，輸出波形基本不失真；（2）電路輸出功率大于8W；（3）輸入阻抗：10k；（4）放大倍數(shù)：40dB；（5）具有音調(diào)控制功能：低音100Hz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，高音10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍；（6）所設(shè)計(jì)的電路具有一定的抗干擾能力；（7）具有合適頻響寬度、保真度要好、動(dòng)態(tài)特性好。發(fā)揮部分：（1）增加電路輸出短路保護(hù)功能；（2）盡量

2、提高放大器效率；（3）盡量降低放大器電源電壓；（4）采用交流220V，50Hz電源供電。二、設(shè)計(jì)要求正確理解有關(guān)要求，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體要求如下：（1）畫出電路原理圖；（2）確定元器件及元件參數(shù)；（3）進(jìn)行電路模擬仿真；（4）SCH文件生成與打印輸出；（5）PCB文件生成與打印輸出；（6）PCB版圖制作與焊接；（7）電路調(diào)試及參數(shù)測(cè)量。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求編寫設(shè)計(jì)報(bào)告，寫出設(shè)計(jì)的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙。設(shè)計(jì)報(bào)告格式請(qǐng)參見(jiàn)附錄一。三、實(shí)驗(yàn)原理音頻功率放大器是一種應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)的電子音響設(shè)備，它主要應(yīng)用于對(duì)弱音頻信號(hào)的放大以及音頻信號(hào)的傳輸增強(qiáng)和處理。按其構(gòu)成可分為前置放大級(jí)、音調(diào)控制級(jí)和功率

3、放大級(jí)三部分，如圖1所示。 圖1 音頻功率放大器的組成框圖1前置放大級(jí)音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。聲音源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、CD唱機(jī)及線路傳輸?shù)龋@些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號(hào)如果直接輸入到功率放大器中的話，對(duì)于輸入過(guò)低的信號(hào)，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過(guò)載失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不

4、同的輸入信號(hào)，或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。另外在各種聲音源中，除了信號(hào)的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機(jī)輸出信號(hào)和磁帶放音的輸出信號(hào)頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對(duì)于這樣的輸入信號(hào)，在進(jìn)行功率放大器之前，需要進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。對(duì)于話筒和線路輸入信號(hào)，一般只需將輸入信號(hào)進(jìn)行放大和衰減，不需要進(jìn)行頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號(hào)非常微弱，一般只

5、有100V幾毫伏，所以前置放大器輸入級(jí)的噪聲對(duì)整個(gè)放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級(jí)首先采用低噪聲電路，對(duì)于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器，首先要選擇低噪聲的晶體管，另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點(diǎn)無(wú)關(guān)，在要求高輸入阻抗的前置放大器的情況下，采用低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂移的集成運(yùn)算放大器。對(duì)于前置放大器的另外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶，以保證音頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。常用的前置放大器按結(jié)構(gòu)劃分有五種類型：（1）單管前置放大器（2）雙管阻容耦合前置放大

6、器（3）雙管直接耦合前置放大器（4）集成前置放大器（5）場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器2音調(diào)控制電路音調(diào)控制電路的主要功能是通過(guò)對(duì)放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制放音音色的目的，以適應(yīng)不同聽(tīng)眾對(duì)音色的不同愛(ài)好。此外還能補(bǔ)償信號(hào)中所欠缺的頻率分量，使音質(zhì)得到改善，從而提高放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個(gè)良好的音調(diào)控制電路，要求有足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)有要求在高、低音從最強(qiáng)調(diào)到最弱的整個(gè)過(guò)程中，中音信號(hào)（一般指1kHz）不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音量在音調(diào)控制過(guò)程中不至于有太大的變化。音調(diào)控制電路大多由RC元件組成，利用

7、RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段的音頻信音調(diào)控制電路一般可分為衰減式和負(fù)反饋式兩大類，衰減式音調(diào)控制電路的調(diào)節(jié)范圍可以做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減，并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中整個(gè)電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負(fù)反饋式音調(diào)控制電路的噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時(shí)，其轉(zhuǎn)折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變。下面分析負(fù)反饋型音調(diào)控制電路的工作原理。（1）負(fù)反饋式音調(diào)控制器的工作原理由于集成運(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，用它制作的音調(diào)控制電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，典型的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中電位器Rp1是高音調(diào)節(jié)電位器，Rp2是低音調(diào)節(jié)電位器，

8、電容C是音頻信號(hào)輸入耦合電容，電容C1、C2是低音提升和衰減電容，一般選擇C1=C2，電容C3起到高音提升和衰減作用，要求C3的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1。電路中各元件一般要滿足的關(guān)系為：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。圖2 負(fù)反饋式音調(diào)控制電路圖 (a) 低音提升等效電 (b) 低音提升等效電路幅頻響應(yīng)波特圖圖3 低音提升等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線在電路圖2中，對(duì)于低音信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于C3的容抗很大，相當(dāng)于開(kāi)路，此時(shí)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1在任何位置對(duì)低音都不會(huì)影響。當(dāng)?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動(dòng)端調(diào)到最左端時(shí)，C1被短路，此時(shí)電路圖2可簡(jiǎn)化為圖3(a)。由于電容C2對(duì)于低音信號(hào)容抗大

9、，所以相對(duì)地提高了低音信號(hào)的放大倍數(shù)，起到了對(duì)低音提升的作用。圖3(a)電路的頻率響應(yīng)分析如下：圖3所示的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：化簡(jiǎn)后得：所以該電路的轉(zhuǎn)折頻率為： ，可見(jiàn)當(dāng)頻率時(shí)，；當(dāng)頻率時(shí)，。從定性的角度來(lái)說(shuō)，就是在中、高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益為。低音提升等效電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖3(b)所示。 (a) 低音衰減等效電路圖 (b) 低音衰減等效電路幅頻響應(yīng)波特圖圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線同樣當(dāng)Rp2的滑動(dòng)端調(diào)到最右端時(shí)，電容C2被短路，其等效電路如圖4(a)所示。由于電容C1對(duì)輸入音頻信號(hào)的低音信號(hào)具有較小的電壓放

10、大倍數(shù)，所以該電路可實(shí)現(xiàn)低音衰減。圖4(a)電路的頻率響應(yīng)分析如下：該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：其轉(zhuǎn)折頻率為： ， 可見(jiàn)當(dāng)頻率時(shí)，；當(dāng)頻率時(shí)，。從定性的角度來(lái)說(shuō)，就是在中、高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰減，最小增益為。低音衰減等效電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖4(b)所示。在電路給定的參數(shù)下， 。 (a) (b)圖5 高音等效簡(jiǎn)化電路同理，圖2電路對(duì)于高音信號(hào)來(lái)說(shuō)，電容C1、C2的容抗很小，可以認(rèn)為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高音信號(hào)的提升或衰減。圖5（a）就是工作在高音信號(hào)下的簡(jiǎn)化電路圖。為了便于分析，將圖 中的R1、R2、R3組成的

11、Y型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成連接方式，如圖5（b）。其中，在假設(shè)條件R1=R2=R3的條件下，Ra=Rb=Rc=3R1。如果音調(diào)放大器的輸入信號(hào)是采用的內(nèi)阻極小的電壓源，那么通過(guò)Rc支路的反饋電流將被低內(nèi)阻的信號(hào)源所旁路，Rc的反饋?zhàn)饔脤⒑雎圆挥?jì)（Rc可看成開(kāi)路）。當(dāng)高音調(diào)節(jié)電位器滑動(dòng)到最左端時(shí)，高音提升的等效電路如圖6(a)所示。此時(shí)，該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：其轉(zhuǎn)折頻率為：，當(dāng)頻率時(shí)，；當(dāng)頻率時(shí)，。從定性的角度上看，對(duì)于中、低音區(qū)域信號(hào)，放大器的增益等于1；對(duì)于高音區(qū)域的信號(hào)，放大器的增益可以提升，最大增益為。高音提升電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特圖如圖6(b)所示。 (a) 高音提升等效電路 (b) 高

12、音提升等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖圖6 高音提升等效電路及幅頻響應(yīng)曲線當(dāng)Rp1電位器滑動(dòng)到最右端時(shí)，高音頻信號(hào)可以得到衰減，高音衰減的等效電路如圖7（a）所示。 (a) 高音衰減等效電路 (b) 高音衰減等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖圖7 高音衰減等效電路及幅頻響應(yīng)曲線該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：其轉(zhuǎn)折頻率為：，當(dāng)頻率時(shí)，；當(dāng)頻率時(shí)，?？梢?jiàn)該電路對(duì)于高音頻信號(hào)起到衰減作用。該電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特圖如圖7(b)所示。在電路給定的參數(shù)下， 。（2）音調(diào)控制器的幅頻特性曲線綜上所述，負(fù)反饋式音調(diào)控制器的完整的幅頻特性曲線的波特圖如8所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的放大倍數(shù)和各點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率大小，即可確定出音調(diào)控制器電

13、路的電阻、電容大小。圖8 音調(diào)控制電路的幅頻響應(yīng)波特圖3功率放大器功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載（一般是揚(yáng)聲器）提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應(yīng)和效率。目前常見(jiàn)的電路結(jié)構(gòu)有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運(yùn)算放大器和大功率晶體管構(gòu)成的功率放大器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應(yīng)用越來(lái)越多。由于集成功率放大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電源利用率高，失真小，具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及自啟動(dòng)、消噪等功能，所以使用非常廣泛。常見(jiàn)集

14、成音頻放大器如附錄二所示。4音頻放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)(1) 額定輸出功率Po 在滿足規(guī)定的失真系數(shù)和整機(jī)頻率特性指標(biāo)以內(nèi)，功率放大器所輸出的最大功率。 Vo亦稱為輸出額定電壓。 (2) 靜態(tài)功耗PQ 指放大器處于靜態(tài)情況下所消耗的電源功率。 (3) 效率 放大器在達(dá)到額定輸出功率時(shí)，輸出功率Po對(duì)消耗電源功率PE的百分比，用表示 (4) 頻率響應(yīng)（頻帶寬度） 在輸入信號(hào)不變的情況下，輸出幅度隨頻率的變化下降至中頻時(shí)輸出幅度的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。 (5)音調(diào)控制范圍 為了改善放大器的頻率響應(yīng)，常對(duì)高、低頻增益進(jìn)行控制，如提升或衰減若干分貝，而對(duì)中頻增益不產(chǎn)生影響。若未控制的輸出幅度

15、為Vo，而控制后的輸出幅度為Vo1，則音調(diào)控制范圍為 （即）。 (6) 非線性失真 在規(guī)定的頻帶內(nèi)和額定輸出功率狀態(tài)下，輸出信號(hào)中諧波電壓有效值的總和與基波電壓有效值之比：式中：V1為輸出電壓基波分量有效值；V2、V3 、 、Vn分別為2次、3次、n次諧波分量有效值。非線性失真可由失真度測(cè)量?jī)x測(cè)得。(7) 噪聲電壓VN 擴(kuò)音機(jī)輸入信號(hào)為零時(shí)，在輸出端負(fù)載上測(cè)得的電壓有效值為噪聲電壓VN，噪聲電壓是擴(kuò)音機(jī)機(jī)內(nèi)各種噪聲經(jīng)放大后的總和。 (8) 輸入靈敏度Vimax 保證擴(kuò)音機(jī)在額定的輸出功率時(shí)所需的輸入信號(hào)。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1電路調(diào)試和靜態(tài)測(cè)試。 2測(cè)試各級(jí)電壓增益和整機(jī)增益。 3測(cè)量其它各項(xiàng)指標(biāo)

16、 4測(cè)量頻率特性 5加負(fù)載測(cè)量各項(xiàng)整機(jī)指標(biāo) 6聽(tīng)音試驗(yàn) 五、電路的調(diào)試1在安裝電子電路前，應(yīng)仔細(xì)查閱電路所使用的集成電路的管腳排列圖及使用注意事項(xiàng)，同時(shí)測(cè)量電子元件的好壞。2畫出每個(gè)單元電路的電路原理圖和連線圖；畫出整個(gè)電子系統(tǒng)的原理圖。3前置放大器調(diào)試。安裝電路時(shí)注意電解電容的極性不要接反，電源電壓的極性不要接反。同時(shí)不加入交流信號(hào)時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量每級(jí)放大器的靜態(tài)輸出值；然后用示波器觀察每級(jí)輸出有無(wú)自激振蕩現(xiàn)象，同時(shí)測(cè)量前置放大器的噪聲輸出大小。加入幅值5mV、頻率1000Hz的交流正弦波信號(hào)（注意5mV信號(hào)可以通過(guò)一個(gè)10k和100組成的衰減網(wǎng)絡(luò)得到），測(cè)量前置放大器的輸出大小，驗(yàn)證前置放

17、大器的電壓放大倍數(shù)。改變輸入正弦波信號(hào)的頻率，測(cè)試前置放大器的頻帶寬度。4音調(diào)控制器調(diào)試。（1）首先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，方法同上。（2）中頻特性測(cè)試。將一頻率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信號(hào)輸入到音調(diào)控制器輸入端，測(cè)量音調(diào)控制器的輸出。（3）低音提升和衰減特性測(cè)試。將電位器RP1滑動(dòng)端分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從20Hz1kHz連續(xù)變化（輸入信號(hào)幅值保持不變），記下對(duì)應(yīng)輸出的電壓值，畫出其幅頻響應(yīng)特性曲線。（4）高音提升和衰減特性測(cè)試。將電位器RP2滑動(dòng)端分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從2kHz30kHz連續(xù)變化（輸入信號(hào)幅值保持不變），記下對(duì)應(yīng)輸出的電壓值，畫出其幅頻響應(yīng)特性曲線。（5）最

18、后畫出音調(diào)特性曲線，并驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求并修改。5功率放大器測(cè)試：（1）通電觀察。接通電源后，先不要急于測(cè)試，首先觀察功放電路是否有冒煙、發(fā)燙等現(xiàn)象。若有，應(yīng)迅速切斷電源，重新檢查電路，排除故障。（2）靜態(tài)測(cè)試。將功率放大器的輸入信號(hào)接地，測(cè)量輸出端對(duì)地的電位應(yīng)為0V左右，電源提供的靜態(tài)電流一般為幾十mA左右。若不符合要求，應(yīng)仔細(xì)檢查外圍元件及接線是否有誤；若無(wú)誤，可考慮更換集成功放器件。（3）動(dòng)態(tài)測(cè)試。在功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)條件下，功率放大器輸入端加入頻率等于1kHz的正弦波信號(hào)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的大小，觀察輸出信號(hào)的波形。若輸出波形變粗或帶有毛刺，則說(shuō)明電路發(fā)生

19、自激振蕩，應(yīng)嘗試改變外接電路的分布參數(shù)，直至自激振蕩消除。然后逐漸增大輸入電壓，觀察測(cè)量輸出電壓的失真及幅值，計(jì)算輸出最大不失真功率。改變輸入信號(hào)的頻率，測(cè)量功率放大器在額定輸出功率下的頻帶寬度是否滿足設(shè)計(jì)要求。6整機(jī)聯(lián)調(diào)。將每個(gè)單元電路互相級(jí)聯(lián)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。（1）最大不失真功率測(cè)量。將頻率等于1kHz，幅值等于5mV的正弦波信號(hào)接入音頻功率放大器的輸入端，觀察其輸出端的波形有無(wú)自激振蕩和失真，測(cè)量輸出最大不失真電壓幅度，計(jì)算最大不失真輸出功率。（2）音頻功率放大器頻率響應(yīng)測(cè)量。將音調(diào)調(diào)節(jié)電位器RP1、RP2調(diào)在中間位置，輸入信號(hào)保持5mV不變，改變輸入信號(hào)的頻率，測(cè)量音頻功率放大器的上、下

20、限頻率。（3）音頻功率放大器噪聲電壓測(cè)量。將音頻功率放大器的輸入電壓接地，音量電位器調(diào)節(jié)到最大值，用示波器觀測(cè)輸出負(fù)載RL上的電壓波形，并測(cè)量其大小。7整機(jī)視聽(tīng)。用8/8W的揚(yáng)聲器代替負(fù)載電阻RL。將一話筒的輸出信號(hào)或幅值小于5mV的音頻信號(hào)接入到音頻功率放大器，調(diào)節(jié)音量控制電位器RP，應(yīng)能改變音量的大小。調(diào)節(jié)高、低音控制電位器，應(yīng)能明顯聽(tīng)出高、低音調(diào)的變化。敲擊電路板應(yīng)無(wú)聲音間斷和自激現(xiàn)象。六、時(shí)間安排該實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，采用課內(nèi)為主，課外為輔的方式進(jìn)行。課內(nèi)共設(shè)14學(xué)時(shí)，上課時(shí)間必須在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)。具體安排如下：1第9周：布置設(shè)計(jì)任務(wù)，講解設(shè)計(jì)要求、實(shí)施計(jì)劃、設(shè)計(jì)報(bào)告等要求，完成選題。2第10周：完成資料查閱、作品設(shè)計(jì)。3第11-12周，