音頻功率放大電路實驗實驗報告

深圳大學考試答題紙（以論文、報告等形式考核專用）二。。九?二。一零學年度第一學期課程編號 2316990502 課程名稱 實用電子電路設(shè)計 主講教師 潘飛蹊評分學號2007160173 姓名許春光 專業(yè)年級 電子科學與技術(shù)2007級教師評語：題目： 音頻功率放大電路實驗實驗報告音頻功率放大電路實驗實驗報告一、 刖言本實驗的內(nèi)容是設(shè)計和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，從而了解音頻功率放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時也進一步加深對模擬電路中所學知識的掌握和認識，并通過單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設(shè)計的步驟和組合方法。實驗中重點要求復(fù)習和掌握運算放大器的基本使用方法，即運放同相比例放大和反相比例放大器的結(jié)構(gòu)，計算和運用。同時也要求復(fù)習和掌握有源濾波電路的基本結(jié)構(gòu)和原理。在電路設(shè)計中和實驗中也需要了解對元器件的選擇標準，掌握一些常用元件的性能。另外，在本實驗中還增加了一部分線性直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求通過實驗掌握線性穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及三端集成穩(wěn)壓器的使用方法，同時復(fù)習和加深對橋式整流電路理解。二、 實驗電路原理分析本實驗的內(nèi)容是設(shè)計和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，整體功能框圖如圖1所示，可以分為音頻放大和直流電源兩大部分。

其中音頻放大電路的功能是將其它電子設(shè)備（如MP3,計算機聲卡，VCD機等）的音源信號進行放大，然后再經(jīng)過功率放大，最后去推動揚聲器輸出，簡單來說，就是一個擴音器，但為了提高聲響的品質(zhì)，內(nèi)部要求有能夠?qū)Ω咭艉偷鸵暨M行調(diào)節(jié)的均衡電路（即音調(diào)電路）。直流電源部分則負責將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使用，同時，為了減小電源電壓波動引起的噪聲對放大電路的影響，電源部分要求采用線性直流穩(wěn)壓電源。在音頻放大電路中，左右聲道的放大結(jié)構(gòu)完全相同，因此以下的分析中不對左右聲道單獨區(qū)分。三、直流電源的分析良好的直流電源是提高音頻放大電路品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。一般的多媒體音箱中為了節(jié)約成本，都僅僅采用了全橋整流和電容濾波電路產(chǎn)生直流電源提供給音頻放大電路使用。這時的直流電壓源含有較高的脈動成分，直接用作音頻放大電路的電源時效果欠佳，有可能影響音質(zhì)，因為電源中的脈動成分會作為干擾信號被逐級放大，甚至在揚聲器中產(chǎn)生明顯的交流噪聲，影響音響系統(tǒng)的保真度。為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實驗的設(shè)計中專門增加了兩組線性穩(wěn)壓電路，其中一組設(shè)計為具有較大的輸出功率，由三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成，專門提供給音頻放大電路中的功率放大部分使用；另外一組則是小功率輸出的，由運放、基準源等分立器件構(gòu)成，專門提供給音頻放大電路中的前置放大和均衡電路使用，通過對這一部分電路的學習和了解，可以掌握線性集成穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：其本質(zhì)就是運算放大器的同相比例放大或反相比例放大。1、全橋整流電路從圖1中可以看到，220V的交流電源經(jīng)變壓器降壓后，由全橋整流電路輸出直流，再由穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流，提供給放大電路使用。在設(shè)計中，音頻放大電路部分需要對稱的雙電源，因此必須選擇次級有三端抽頭（雙繞組）的變壓器，如圖2（a）所示，經(jīng)全橋電路整流和電容C1至C4濾波后，輸出對稱的正負電源（圖2中電路節(jié)點標記為DC+和DC—）。9）中橋松諭.申呻采甲二瑞集成稽陣枯的線性直筑循壓電游220VTC沆輸入g29）中橋松諭.申呻采甲二瑞集成稽陣枯的線性直筑循壓電游220VTC沆輸入g2L3MC7912閣2全橋整流電路和三端集成穩(wěn)壓器.構(gòu)成的宜流電源2、 三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的大功率線性直流穩(wěn)壓電源要構(gòu)成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器。這種集成電路塊內(nèi)部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護電路和啟動電路等功能，但是外部引腳只有三個端口，分別接輸入電源（Vin），地（GND），另一個端口輸出，其使用十分簡單，只要將三個端口按規(guī)定接入電路就可以使用。典型和常用的三端集成穩(wěn)壓器有78XX/79XX系列。其中78XX系列用于產(chǎn)生正電源，79XX系列用于產(chǎn)生負電源，標號乂乂則代表輸出電壓。如圖2（b）所示，分別采用一只7812和一只7912集成塊，按規(guī)定連接，就可以產(chǎn)生+12V和一12V的穩(wěn)壓電源輸出。3、 線性直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)

所有線性直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)都可以理解為一個運算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路(或反相比例放大電路)。圖3(a)是一個三端集成穩(wěn)壓器的典型結(jié)構(gòu)框圖，由啟動、偏置和保護等電路共七個部分組成。其中偏置電路為集成電路內(nèi)部所有模塊的工作提供適當?shù)撵o態(tài)偏置；啟動電路則僅僅是在開始工作的時候激勵偏置電路正常工作；保護電路則提供過溫和過流保護，防止工作時溫度太高或輸出電流太大而燒毀電路。其余四個部分：基準電壓，比較放大，調(diào)整電路和采樣反饋放大是理解穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵，其本質(zhì)就是一個運放的同相比例放大器，如圖3(b)所示。其中基準電壓的作用就是產(chǎn)生一個不隨外部電壓，不隨溫度變化的標準電壓，在集成電路中這一電壓通常采用帶隙式基準源，其原理在此不具體介紹。比較放大器本質(zhì)上就是一個運算放大器，基準電壓輸入比較放大器的同相端。而調(diào)整電路的本質(zhì)則是一只晶體管，也叫做調(diào)整管，在集成電路中通常采用復(fù)合管來增強電流輸出能力和。值。在電路中，調(diào)整管和比較放大器復(fù)合在一起可以簡單地看成一只具有大電流輸出能力的運算放大器。電阻R1和R2構(gòu)成的采樣電路，其本質(zhì)就是同相比例放大器中的反饋電阻。這樣，整體電路就可以看成是由一個具有大電流輸出能力的運算放大器構(gòu)成的一個同相比例放大器，有：輸出電壓=(1+尋)X基準電壓V冀f當外部的輸入電壓發(fā)生變化時，只要基準電壓不發(fā)生變化，則輸出的電壓也不會發(fā)生變化，調(diào)整電阻R1和R2的取值，則可以調(diào)整輸出電壓。這就是線性直流穩(wěn)壓電源的基本原理。另外，從以上對于線性直流穩(wěn)壓電源的簡單分析和介紹中，還可以看到這種電路的幾個重要特點：1、 線性直流穩(wěn)壓電源只能實現(xiàn)降壓處理，即輸出電壓一定低于輸入電壓。2、 調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū)，電路才能正常工作。這也是這種電路叫做線性穩(wěn)壓電路的原因。3、 如果不考慮控制部分的電流，調(diào)整管的集電極電流和發(fā)射極電流相等，亦即輸入和輸出電流相等，則：線性直流穩(wěn)壓電源的效率=普捋玉輸入電壓當輸入輸出電壓差值較大時，電源的效率較低，功耗都損失在調(diào)整管的集電極上。因此，在功耗較大時，調(diào)整管應(yīng)該加裝合適的散熱器。(a)線性直淀穩(wěn)壓直流電路的結(jié)杓(b)線性直:荒稿壓電源的簡沌結(jié)杓(a)線性直淀穩(wěn)壓直流電路的結(jié)杓(b)線性直:荒稿壓電源的簡沌結(jié)杓圖3線性直流穩(wěn)壓電源原理4、對電源部分反思假如我們要改變PVCC和PVEE電壓，只要選擇電壓符合的三端穩(wěn)壓管芯片即可。如假如要把PVCC

與PVEE的電壓值變?yōu)檎?8V,那么用7818與7918兩個三端穩(wěn)壓芯片組合在一起就可也。假如我們要把SVCC與SVEE的電壓值改變，由于線性直流穩(wěn)壓電源為一個用輸入電壓為其電源的，其輸輸出端的電壓為電壓的反相或同相放大器（主要利用了運放對電源抑制的特性，把紋波大的輸入電壓，變?yōu)榧y波小的輸出電壓）。所以加入我們要改變SVCC與SVEE的電壓值，我們只要改變其放大倍數(shù)即可。例如圖三所示的電路，只要調(diào)節(jié)心與日2的值就能改變SVCCS與VEE的電壓值。四、音頻放大電路的分析1、 前置放大前置放大器的作用簡單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音源信號進行放大并輸出。外部音源信號由較長的導線輸入，并且信號源可能存在較高的內(nèi)阻，電流輸出能力不強，因此需要“緩沖”來將其轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的信號源，以便驅(qū)動后級電路。所以前置放大電路是個輸入阻抗大，輸出阻抗小的放大電路。其起到了一個阻抗匹配和預(yù)放大作用。均衡電路（音調(diào)電路）均衡電路是由低通、高通、帶通等濾波器組成的，可以對音調(diào)進行控制的電路，聽者可以根據(jù)具體需求，對聲音信號中某些頻率段的增益（放大倍數(shù)）進行調(diào)整。常用的均衡電路只是對高頻段或低頻段的增益進行提升或衰減，而中頻段的增益保持不變。均衡電路可以用無源的RC濾波網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成，也可以用運算放大器組成的有源濾波網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成，圖7（a）是本實驗設(shè)計的電路中采用的均衡電路，由運算放大器構(gòu)成，可以對高頻段和低頻段的增益分別進行提升/衰減。首先對圖7（a）的均衡電路功能和部分元件取值作一簡要說明。RP1和RP2是兩只可調(diào)電位器，其中RP1對低頻音調(diào)進行控制，而RP2則對高頻音調(diào)進行調(diào)節(jié)：當電位器從右滑旋向左時，相應(yīng)的低頻/高頻音量提升；反之，當電位器從左滑旋向右時，相應(yīng)的低度高頻音量衰減。一般來說，均衡電路設(shè)計時要求音調(diào)的提升/衰減量大約為±20DB（分貝），即放大倍數(shù)有0.110倍的調(diào)節(jié)能力。R15.1KRF15QK|—<=—Ci==2tiF'輸入*————一l=F：=“C/_■ T621-FRahh.lKc3±4.7nF~pL.7KR15.1KRF15QK|—<=—Ci==2tiF'輸入*————一l=F：=“C/_■ T621-FRahh.lKc3±4.7nF~pL.7KRP25OK(a)輸出卜的Cl

MH1 M1I乾出 -Ih—Q 1lx輸出P——o 1—I—c：.■I:L：輸入Ri 1—k輸出 1I 1K匕葡1瓶入又1Q—~I R 1I 1 1—I '圖7盆）實驗設(shè)計采用的均衡電路3、功率放大電路:外部音源信號經(jīng)過前置放大、,均衡放大后,，輸入最后的功率放大級，然后就可以輸出去驅(qū)動揚聲器，發(fā)出聲音。本實驗中的功率放大器采用TDA2030集成塊，其本質(zhì)就是一個運算放大器，和其它小信號放大用的運放相比，有較大電流輸出能力，可以輸出較大的功率。

本實驗電路設(shè)計中采用的是雙電源下工作的OCL電路，具體如圖10所示:Ci47uF輸入50>Ci47uF輸入50>▽圖10功率放大電路II下面對其做一簡介。RP3是一只電位器，作用是進行音量（Volume）調(diào)節(jié)。輸入信號（均衡電路的輸出信號）通過耦合電容C1后，再由RP3進行分壓調(diào)節(jié)，連接到TDA2030的同相端。電阻R1、R2組成反饋回路，和TDA2030構(gòu)成了一個同相比例放大電路，這一部分就是整個功率放大電路的核心，本質(zhì)和普通運放完全一致。需要說明的是電容C2同樣是一只耦合電容，作用同樣是“隔直通交”，使功率放大器僅僅對交流信號產(chǎn)生放大作用，而對直流信號不產(chǎn)生任何放大：1、 對于直流信號，電容C2相當于“開路”，此時電阻R2不起作用，功率放大器和電阻R1構(gòu)成的是一個電壓跟隨器。由于電位器RP3是通過電容C1和前級電路耦合，因此RP3上的直流電位一定為零，同時可以保證功率放大器的輸出也一定為零，即有“零輸入，零輸出”的性質(zhì)。2、 對于交流信號，電容C2相當于“短路”，此時電阻R1和R2組成同相比例放大器反饋回路，功率放大器的交流電壓放大倍數(shù)為：D1、D2是兩只起保護作用的二極管，反向并聯(lián)在功率放大器的輸出端和電源之間，雖然對電路的理論分析和理解沒有作用，但在實際電路中則必不可少，原因在于揚聲器。揚聲器并不是簡單的純阻性負載，而是線圈和永磁體復(fù)合組成的，當揚聲器的線圈振動時，切割磁力線會產(chǎn)生感生電動勢，這種感生電動勢反過來加在功率放大器的輸出端口，太大的話有可能造成功率放大器的損壞。二極管。1、D2在電路正常工作時處于反向，是不導通的，對電路工作沒有影響，而如果感生電動勢過大，超過了電源電壓的范圍，則開始導通，將輸出端的感生電動勢進行鉗位，保護功率放大器不會損壞。電阻R3和電容C3串接在電路的輸出端，和揚聲器一起可以看成功率放大器的負載，其作用是對揚聲器的頻響特性進行補償，使功率放大器輸出端的總負載趨近于純阻性。它們的補償作用可以用以下簡單的分析來做一個定性理解。五、數(shù)據(jù)測量和分析輸入阻抗：27.8（歐姆）靜音輸出噪聲電平^）: 3mv由測得的數(shù)據(jù)可知，在沒有信號輸入時，整個電路的輸出噪聲信號非常小，因此該電路在沒信號時非?！办o”。

3.電源電壓記錄:節(jié)點名稱SVCCSVEEPVCCPVEE電壓值（V）10.59-10.6411.92-11.91由測得的數(shù)據(jù)可知，SVCC,SVEE,PVCC,PVEE的電壓值都十分的接近理論電壓值，由此可知電路是正常工作的。4.前級放大電路測試：輸入信號為頻率為1KHz的正弦波.輸入電壓（V）0.51.522.53輸出電壓（V）左聲道1.684.966.648.209.00右聲道1.685.006.608.408.80放大倍數(shù)左聲道3.363.313.313.283.00右聲道3.363.333.303.362.93由測得的數(shù)據(jù)可知：左聲道的放大倍數(shù)Au右聲道的放大倍數(shù)Au3.36+3.31+3.31+左聲道的放大倍數(shù)Au右聲道的放大倍數(shù)Au 5 =3.25；3.36+3.33+3.30+3.36+2.93° 5 =3.26；理論計算左右聲道的放到倍數(shù):AuL=AuL=AuR100k~30k=3.33;有計算表明測量計算值與理論值的差值非常小，由此可知前級放大器正常工作。幅頻特性：（音調(diào)電路的測試）1.輸入信號的電壓均為0.33V,音調(diào)電路的輸入信號的電壓為1V，低頻與高頻最大增益都為20DB（把低頻與高頻的調(diào)節(jié)調(diào)到最大）。輸入信號頻率（Hz）102040506080180輸出信號振幅（V）左聲道8.808.607.606.806.405.403.00右聲道9.209.208.007.206.485.442.88輸入信號頻率（Hz）3604505005506007201.4K輸出信號振幅（V）左聲道1.761.561.481.401.361.281.28右聲道1.671.521.441.401.361.281.28

輸入信號頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K輸出信號振幅（V）左聲道1.361.401.441.481.521.722.80右聲道1.361.401.441.481.521.722.80輸入信號頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K輸出信號振幅（V）左聲道4.726.406.606.806.807.008.60右聲道4.806.406.506.726.887.048.60由測得的數(shù)據(jù)算的左右聲道在此情況下的增益，如下表所示:輸入信號頻率（Hz）102040506080180增益（dB）左聲道18.8818.6817.6116.6516.1214.649.54右聲道19.2719.2718.0617.1416.2314.719.18輸入信號頻率（Hz）3604505005506007201.4K增益（dB）左聲道4.913.863.402.922.672.142.14右聲道4.453.633.162.922.672.142.14輸入信號頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K增益（dB）左聲道2.672.923.163.163.404.508.81右聲道2.672.923.163.403.634.718.94輸入信號頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K增益（dB）左聲道13.4716.1216.3916.6516.6516.9018.68右聲道13.6216.1216.2516.5416.7516.9518.68有上表可得該電路的幅頻特性圖如下圖所示:

2.輸入信號的電壓幅值為2.5V,正弦波，低頻與高頻最大增益都為-20DB（把低頻與高頻的調(diào)節(jié)調(diào)到最大）輸入信號頻率（Hz）102040506080180輸出信號振幅（V）聲左道0.880.941.121.241.361.623.04聲右道0.800.881.081.201.161.281.60輸入信號頻率（Hz）3604505005506007201.4K輸出信號振幅（V）聲左道5.005.606.006.206.406.806.80聲右道4.885.605.806.006.406.806.80輸入信號頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K輸出信號振幅（V）聲左道6.206.206.005.805.605.003.00聲右道6.206.006.005.805.605.002.96輸入信號頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K輸出信號振幅（V）聲左道1.801.361.281.281.241.201.00聲右道1.761.321.281.241.221.201.00由測得的數(shù)據(jù)算的左右聲道在此情況下的增益，如下表所示:輸入信號頻率（Hz）102040506080180增益（dB）左聲道-19.51-18.94-17.42-16.53-15.73-14.21-8.75右聲道-20.34-19.51-17.73-16.82-17.11-16.26-14.32輸入信號頻率（Hz）3604505005506007201.4K增益（dB）左聲道-4.42-3.44-2.84-2.55-2.28-1.75-1.75右聲道-4.63-3.44-3.13-2.84-2.28-1.75-1.75輸入信號頻率（Hz）1.8K1.9K2.0K2.1K2.2K2.8K5.6K增益（dB）左聲道-2.55-2.552.84-3.13-3.44-4.42-8.86右聲道-2.55-2.84-2.84-3.13-3.44-4.42-8.98輸入信號頻率（Hz）11.2K18K19K20K21K22K44K增益（dB）左聲道-13.30-15.73-16.26-16.26-16.53-16.82-18.41右聲道-13.49-15.99-16.26-16.53-16.68-16.82-18.41有上表可得該電路的幅頻特性圖如下圖所示:圖12將圖11與圖12組合起來就可以得到整個電路的頻率特性。其調(diào)節(jié)范圍在上面那條曲線和下面那條曲線之間。302020/Hz圖13理論計算得到的曲線如下:1D.00HzIQOuOHeKODDkHzW.OOkHzWD.DkHz二5■M?r-.i>.-1■■-'Hg箜祈的率點-he—,:11D.00HzIQOuOHeKODDkHzW.OOkHzW