音頻功率放大器的設計與實現(xiàn)

姓名班級學號實驗日期節(jié)次教師簽字成績音頻功率放大器的設計與實現(xiàn)1.實驗目的設計一個實用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度≤5mV，負載電阻等于8Ω的條件下，音頻功率放大器滿足如下要求：1.最大輸出不失真功率POM≥8W。2.功率放大器的頻帶寬度BW≥50Hz~15KHz。3.在最大輸出功率下非線性失真系數(shù)≤3%。4.輸入阻抗Ri≥100kΩ。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。2.總體設計方案該音頻功率放大器可由圖1所示框圖實現(xiàn)。前置放大級主要實現(xiàn)對輸入信號的放大，從而與功率放大器的輸入靈敏度進行匹配。音調(diào)控制級主要實現(xiàn)對輸入信號的提升或衰減，以滿足不同聽眾的需求。功率放大級是此音頻功率放大器的核心部分，它決定了輸出功率的大小。下面介紹各模塊的實現(xiàn)方法。圖1音頻功率放大器組成框圖（1）前置放大器由于輸入信號非常微弱且音頻寬度過大，需要前置放大器有較高的輸入阻抗，較低的輸出阻抗，噪聲小，頻帶寬。為達到預期的效果，有兩種選擇。一是由分立元件搭建的放大電路，二是采用合適的集成放大電路。由于集成放大電路性能穩(wěn)定，外圍電路簡單，便于調(diào)試，本前級放大電路選擇集成放大電路實現(xiàn)。（2）音調(diào)調(diào)節(jié)級由于集成運算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點，用它制作的音調(diào)控制電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，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，電容C是音頻信號輸入耦合電容，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的值遠遠小于C1。電路中各元件一般要滿足的關系為：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。圖2負反饋式音調(diào)控制電路圖在電路圖2中，對于低音信號來說，由于C3的容抗很大，相當于開路，此時高音調(diào)節(jié)電位器Rp1在任何位置對低音都不會影響。當?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動端調(diào)到最左端時，C1被短路，此時電路圖2可簡化為圖3(a)。由于電容C2對于低音信號容抗大，所以相對地提高了低音信號的放大倍數(shù)，起到了對低音提升的作用。圖3(a)電路的頻率響應分析如下：(a)低音提升等效電路圖(b)低音提升等效電路幅頻響應波特圖圖3低音提升等效電路圖及幅頻響應曲線圖3所示的電壓放大倍數(shù)表達式為：化簡后得：該電路的轉(zhuǎn)折頻率為：，可見當頻率時，；當頻率時，。從定性的角度來說，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波特圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應曲線當Rp2的滑動端調(diào)到最右端時，電容C2被短路，其等效電路如圖4(a)所示。由于電容C1對輸入音頻信號的低音信號具有較小的電壓放大倍數(shù)，所以該電路可實現(xiàn)低音衰減。圖4(a)電路的頻率響應分析如下：該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：，其轉(zhuǎn)折頻率為：，可見當頻率時，；當頻率時，。從定性的角度來說，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特性的波特圖如圖4(b)所示。同理，圖2電路對于高音信號來說，電容C1、C2的容抗很小，可以認為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1，即可實現(xiàn)對高音信號的提升或衰減。圖5（a）就是工作在高音信號下的簡化電路圖。為了便于分析，將圖中的R1、R2、R3組成的Y型連接轉(zhuǎn)換成△型連接方式，如圖5（b）。其中，，。在假設條件R1=R2=R3的條件下，Ra=Rb=Rc=3R1。(a)高音信號下的簡化電路圖(b)△型連接方式圖5高音等效簡化電路如果音調(diào)放大器的輸入信號是采用的內(nèi)阻極小的電壓源，那么通過Rc支路的反饋電流將被低內(nèi)阻的信號源所旁路，Rc的反饋作用將忽略不計（Rc可看成開路）。當高音調(diào)節(jié)電位器滑動到最左端時，高音提升的等效電路如圖6(a)所示。此時，該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：其轉(zhuǎn)折頻率為：當頻率時，；當頻率時，。從定性的角度上看，對于中、低音區(qū)域信號，放大器的增益等于1；對于高音區(qū)域的信號，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曲線的波特圖如圖6(b)所示。(a)高音提升等效電路(b)高音提升等效電路的幅頻響應波特圖圖6高音提升等效電路及幅頻響應曲線當Rp1電位器滑動到最右端時，高音頻信號可以得到衰減，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波特圖圖7高音衰減等效電路及幅頻響應曲線該電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：其轉(zhuǎn)折頻率為：，當頻率時，；當頻率時，?？梢娫撾娐穼τ诟咭纛l信號起到衰減作用。該電路的幅頻響應曲線的波特圖如圖7(b)所示。在電路給定的參數(shù)下，，。綜上所述，負反饋式音調(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)設計要求的放大倍數(shù)和各點的轉(zhuǎn)折頻率大小，即可確定出音調(diào)控制器電路的電阻、電容大小。圖8音調(diào)控制電路的幅頻響應波特圖（3）功率放大級功率放大器的作用是給音響放大器的負載（一般是揚聲器）提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應和效率。目前常見的電路結(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用越來越多。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，具有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消噪等功能，所以使用非常廣泛。3.實驗電路圖（1）前置放大電路（2）音調(diào)控制器電路（3）功率放大器電路4.儀器設備名稱、型號和技術(shù)指標儀器名稱型號Agilent示波器Agilent信號發(fā)生器毫伏表DA-16技術(shù)指標：前置放大器的電壓放大倍數(shù)取80，音調(diào)控制器放大器在中頻（1KHz）處的電壓放大倍數(shù)取1，功率放大器級（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取30。5.仿真分析結(jié)果本實驗采用Multisim11.0進行仿真，首先對各個模塊電路進行仿真，檢驗是否能完成相應的功能。然后再將各個模塊連在一起進行整體仿真。以下為仿真電路及仿真結(jié)果：(1)前置放大電路零輸入情況下：第一級輸出直流電壓第二級輸出直流電壓第一級輸出交流電壓第一級輸出交流電壓15KHZ時的波形，此時電壓放大倍數(shù)為79.8850HZ時的輸出電壓波形，此時電壓放大倍數(shù)為79.88由以上仿真可知，前級放大電路的放大倍數(shù)為79.88倍，與理論值80接近，滿足設計要求。前級放大電路的波特圖，最大增益38.05dB下限頻率372,759mHz上限截止頻率572.485kHz由波特圖可知前級放大電路的頻帶寬度為372,759mHZ到572.485khz，滿足設計要求。（2）音調(diào)控制器電路中音測試：（3）功率放大器電路輸入為400mv時未出現(xiàn)失真6.詳細實驗步驟及實驗測量數(shù)據(jù)記錄按照電路圖連接前級放大電路，進行前置放大器調(diào)試。安裝電路時注意電解電容的極性不要接反，電源電壓的極性不要接反。同時不加入交流信號時，用萬用表測量每級放大器的靜態(tài)輸出值；然后用示波器觀察每級輸出有無自激振蕩現(xiàn)象，同時測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，測量前置放大器的輸出大小，驗證前置放大器的電壓放大倍數(shù)。改變輸入正弦波信號的頻率，測試前置放大器的頻帶寬度。f/Hz2050100200300400500u/V7.65.823.471.991.521.321.22低音提升f/Hz124681015u/V1190147022503045390546256095高音提升最大不失真輸出電壓/mV最大不失真輸出幅度/V最大不失真輸出功率/W513.110.727.實驗結(jié)論在輸入音頻信號位5mV時，可以得到最大不失真輸出電壓為13.1V，最大不是真輸出功率為：10.72W，滿足要求。8.實驗中出現(xiàn)的問題及解決對策對電路仿真軟件Multisim11.0不熟悉，不清楚如何實現(xiàn)某種功能。通過在網(wǎng)上查資料、問老師，成功完成