音频功率放大器设计.docx

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音频功率放大器设计

目     录

引言…………………………………………………………………………………2

第一章　电源电路………………………………………………………………………3

第一节、电路组成及各部分电路作用……………………………………………3

第二节、各部分电路工作原理……………………………………………………3

第二章　前置放大电路…………………………………………………………………6

第一节、前置放大器的功能………………………………………………………6

第二节、前置放大器的技术要求…………………………………………………6

第三节、集成电路前置放大电路…………………………………………………7

第三章　分频器电路…………………………………………………………………13

第四章　功率放大电路………………………………………………………………14

第一节、　功率放大器的设计…………………………………………………14

第二节、TDA系列的集成功率放大电路 ………………………………………15

第五章系统调试结果分析…………………………………………………………19

结论……………………………………………………………………………………19

致 谢…………………………………………………………………………………20

参考文献………………………………………………………………………………20

附　录…………………………………………………………………………………21

音频功率放大器

摘要：

随着人们的生活水平的进一步提高，音响设备系统已经步入了人们的家庭，为此对音响装置的原理，性能进行了研究。

本文主要介绍了音响装置的组成和电路工作原理，内容涉及输入前置放大电路，功率放大电路，分频器电路，电源电路。

音响装置中主要构成部分之一的功放电路，它的保真度指标之一是频率响应。

几乎所有的功率放大器的频响特性并不是完全平直的，也就是说它对音源信号中的各频率成分并不能给予同样程度的放大，尤其在高，低频两端较大的衰减，为了调整和校正这种不平衡，在音响系统中设置了分频器，实现了高，低频率可调的音响系统，让其接近现场演奏，演唱的效果。

关键词：

电源分频器前置放大器功率放大器

引言

 我国音响装置的发展历史是悠久的。

五十年代从收音机、电唱机等单个音响装置发展起来的。

六十年代，随着生产技术的发展，出现了落地式收音机，以及把收音和电唱组合起来。

如我国在五十年代末六十年代初曾生产过的熊猫牌和美多牌高级落地式多用音响“装置”。

这一类机器虽然还不能称之为音响装置，但已经开始向音响装置的领域迈进了一大步。

真正的音响装置是伴随着立体声唱的应用以及后来的立体声录音机和调频立体声广播的出现而发展起来的。

七十年代，音响技术和音响装置已趋于成熟阶段。

在此阶段音响装置作为家用电器的一个重要成员而被投入大批量的工业生产。

八十年代，音响装置开始向性能更加完美、使用操作更加完善可靠的方向发展，生产出了高级的大型音响组合、薄形和超薄形性等形形色色的音响装置以及微型音响装置、便携式音响装置以及所谓"音乐中心"的音响装置。

到了现在，音响技术上就有更多新的突破，如将数字技术和激光技术引入音响技术领域。

尤其是数字编码技术已广泛用于音响装置、视听装置，使视听装置发生了革命性的变化，对今后视听装置的发展产生了巨大的影响，如现在的MP3，MP4，MP5等。

随着社会不断的发展，人们的生活水平也在不断的提高，许许多多的人都已经喜爱电子产品。

音响装置的核心部分是功率放大器，无论是调谐器输出的信号，还是录音机，VCD，MP3等输出的信号，都必须经过放大以后，才能推动扬声器放出声音。

在音响装置中，功率放大器起着承前（接收来自调谐器，VCD，MP3等输出的信号）启后（推动扬声器发音）的关键作用。

因此，对扬声器的功能和性能提出了越来越高的要求，一套音响装置的效果如何是与扬声器性能的好坏密不可分的。

 一部完整的功率放大器应包括前置放大器和功率放大器（推动级）两大部分。

前置放大器应能将各种来源（调谐器，VCD，MP3等等）不同的电压信号变成形状相同的输出电压送到功率放大器，同时还可能须修正频率特性，以使放音输出恢复原来声源频率特性，这又叫频率均衡。

此外，在这一级还包括各种控制部分，如音调调节、音量控制、平衡控制、等响度控制、高频或低频切除控制等等。

功率放大器主要是把前级送来的具有一定电平的信号继续加以放大以保证获得足够的输出功率去推动扬声器工作。

设计一个能够放音乐负载三个扬声器，并能实现混频的分频功能（即将其分为高频，中频，低频）的音响装置，让其有较强的立体感，让听到的音乐就像是现场演唱的一样。

第一章电源电路

1.降压电路

降压电路主要由电源变压器（降压变压器）构成，它的作用是将220V/50Hz的交流电压降到所需要的电源值，因为电子电路的直流工作电压通常比较低。

变压器降压电路的另一个作用是进行交流市电的隔离，使电子电路的底版（线路地线）不带交流市电，以保证使用安全。

除电源变压器可以进行降压外，一些电器中还采用电容降压。

虽然电容降压方式的电路成本较低，但因为它安全性较差，因此本设计采用了变压器降压方式。

如图1.1所示电路，电路中T1只有一组次级线圈，所以T1输出一种交流电压，这一电压直接加到整流电路中。

这种降压电路只能输出一种电压，一般用于较简单的电路，本设计采用了这种变压器降压电路。

图1.1单电压输出的降压电路

2.整流电路

整流电路的作用是将降压电路输出的电压较低的交流电转换成直流电，准确地说整流电路只能将交流电转换成单向脉动性的直流电。

整流电路主要由二极管构成，分为半波，全波和桥式几种，然而本设计采用的是桥式整流电路。

如图1.2所式电路中，D1～D4是全桥堆中的4只整流二极管，T1是电源变压器。

图1.2全桥堆构成的桥式整流电路

当1端为正电压，2端为负电压时，D2和D3同时导通，其导通后的电流回路为1端→D2负极→RL→地端→D3正极→D3负极→2端→通过次级线圈到1端。

流过RL电流方向为从上而下，所以RL上的电压为正，电流流经的路径和输出电压波形如图1.3所式。

图1.3正半周电流回路和输出电压波形

当变压器次级1端为负电压，2端为正电压时，D1和D4同时导通，其导通后的电流回路为2端→D4正极→D4负极→RL→地端→D1正极→D1负极→1端→次级线圈1端，通过次级线圈到1端。

此时，流过RL的电流也是从上而下的，所以输出电压仍然是正极性电压，电流流经的路径和输出电压波形见图1.4，图中虚线波形部分为正半周时的输出电压波形。

图1.4负半周电流回路和输出电压波形

3.滤波电路

滤波电路的作用是将整流电路输出的单向脉动性直流电压进行平滑，以获得脉动较小直流电压，这一直流电压可以直接供给电子电路，但电压不稳定（一般应用于对电压要求不高的电路）。

滤波电路一般由电容，电感等储能元器件构成。

图1.5为电容滤波电路，由于电容C1对直流电相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C1到地，只有加到负载RL上。

对于整流电路输出的交流成分，因C1容量较大，容抗较小，交流成分通过C1流到地端，而不能加到负载RL。

这样，通过电容C1的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压+U。

图1.5电容滤波原理图

滤波电容C1的容量越大，对交流成分的容抗就越小，使残留在负载RL上的交流成分越小，滤波效果就越好，所以本设计采用的是电容滤波电路。

4.稳压电路

由于电子电路要求的电源电压必须稳定，故不能直接使用滤波电路输出的直流电压，必须进行稳压处理。

稳压电路的作用是将滤波电路输出的不稳定直流电压进行稳压处理，以保证输出的直流电压不变，不会因其它因素的影响而引起输出的直流电压的变化（如负载大小的变化或输入的交流市电压的变化时），稳压电路输出的直流工作电压大小则不变，这样可以保证电子设备的稳定工作。

常见的集成稳压有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器，这里采用的是固定式三端稳压器，常见产品如图1.6

图1.6固定式三端稳压器的典型应用（CW78xxx系列）

CW78XX系列稳压器输出固定的正电压，如7805输出为+5V，输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容C0能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

Ci，C0最好采用漏电流小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比图中的数值增加10倍。

LM78XX系列与CW78XX系列功能相近,本设计采用的是LM78XX系列。

图1.7为扩展CW78XX系列集成稳压器的输出电流I0的电路。

图1.7固定式三端稳压器输出电流扩展电路（CW78xxx系列）

图中，T1是扩流功率管，应选用大功率管；T2与R2组成限流保护电流，当输出电流过大时T2导通，扩展电流I1减少以保护T1。

T2的导通电压是由R2I1决定，应特别注意其额定功率是否满足要求，扩展后的输出电流IL=I0+I1。

所以，根据以上知识设计出这次的电源电路如图1.8，包括四个部分：

变压器降压电路，桥式整流电路，电容滤波电路，三端稳压器电路。

图1.8本次功放设计的电源电路图

第二章前置放大电路

第一节前置放大器的功能

任何功率放大器总是要将音源信号进行放大,然后输出给扬声器.音源装置的种类有多种多样,如:

传声器,收音头,电唱机,录音机（放音磁头）,线路传输以及新近出现的CD唱机等.这些音源装置的输出信号电压差别很大,从零点几毫伏到几百毫伏,甚至1～2伏.而功率放大器的输入灵敏度是一定的,如我们在前面设计的例子中约为50mV。

这些音源信号如果从同一输入接口输入放大器，或者由于输入电平过低，使功率放大器的输出功率不足，不能充分发挥功率放大器的作用；或者由于输入电平过高，使放大器的输出信号产生严重过载失真，失去高保真放大的意义。

因此，必须设置前置放大器，对输出放大器的各种输入信号进行处理；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。

在各种音源信号中，除了电平差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号的频率特性曲线呈上翘形，磁带放音频率特性曲线也呈上翘形，即低音呈衰减，高音被升，但它们的衰减和提升的程度又各不同。

这样，在输入功率放大器之前，必须进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态。

综上所述，前置放大器的主要功能为：

（１）对输入功率放大器的各种音源信号进行加工处理，或放大，或衰减，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配，使功率放大器充分发挥其放大和保真的功能。

（２）进行阻抗变换，使各种音源信号的输出阻抗能与功率放大的输入阻抗相匹配，实现信号的高效传输。

（３）进行频率均衡处理，使音源信号的频率特性恢复成平坦的状态。

第二节前置放大器的技术要求

对前置放大器的技术要求，就是必须要和功率放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求，同样也适应于前置放大器，而且对前置放大器还应略高一些。

否则就不能成为一个高保真系统，也就是说，构成高保真系统的每一个单元都必须是一个高保真单元。

（1）失真度：

包括谐波失真和互调失真，要求分别小于0.1%和0.05%。

（2）信噪比：

应大于5dB。

（3）频率响应：

在20Hz～20kHz±0.5Db.

（4）转换速率：

应大于5V/us。

（5）动态范围：

应大于75～80dB。

（6）输入/输出信号匹配：

前置放大器的输入端分别和节目源设备以及功率放大器相连，要使信号高质量传输，必须满足匹配条件，包括阻抗匹配，电平匹配，传输方式匹配等。

（7）均衡网络要符合RLAA标准和NAB标准。

（8）电源：

高质量的电源是前置放大器性能好坏的因素之一，应包括低噪音，大容量和低内阻等条件。

前置放大器的电源应与功率放大器的电源分开，单独供电。

第二节集成电路前置放大电路

２.３.１优质低噪声前置放大器

如图2.1优质低噪前置放大器

电路如图2.1所示。

输入信号经过一个低通滤波器输入到有场效应管组成的差分放大器进行一次前置放大，差分放大器的输出分别输入运算放大器的同相输入端和反相输入端。

由于运算放大器的输入端为差分电路，因此由场效应管差分电路输出的信号，在运放输入后至少又一次差分放大。

唱机均衡RIAA电路由R7，R8及C6，C7等组成。

电路元件选用：

差分输入场效应管可选用3DJ4F或其它低噪声优质场效应管，ＩDSS>2mＡ,并按ＩDSS配对，误差<3%。

运算放大器可选用ＴＬ072，ＴＬ082或ＮＥ5532等高性能运放。

电阻选用金属膜电阻，Ｉ级精度。

电容采用高质量电容，耦合电容采用聚酯电容。

电源采用正负对称的稳压电源。

技术指标：

输出噪声：

２４uＶ（输入端对地交流短路）；

频率响应：

２０Ｈz～７５kＨz（平直）；

　１０Ｈz～１５０kＨz（＋３dＢ）；

谐波失真:

0.01％（输出为８Ｖp-p）；

最大输出：

１２Ｖ（失真<0.2％）；

转换速率：

１３Ｖ／us。

２.３.２高精度唱机输入均衡电路

这是一个由集成运放LF353和晶体管2SC9014组成的高精度唱机输入均衡电路，电路如图2.2所示。

该电路采用RIAA新标准，即在原三个转折频率的基础上又增加了一个转折频率为20Hz的转折点。

它的转折频率和相对应的时间常数分别为：

T1=7950us,对应转频率为f1=20.02Hz;T2=3180us,对应的f2=50.05Hz;T3=318us,f3=500.5Hz;T4=75us,f4=2122Hz。

如图2.2高精度唱机均衡器

电路中对应四个时间常数的RC网络为:

T2的时间常数由C1与R2并联而成,T3由R4,R2,R5,R1及C1构成的负反馈网络决定,T4由R3和C2构成的网络决定,T1则由R1及C3构成,其时间常数为750Ω*10μF=7500μs,这个时间常数比标准T1=7950μs略高,采用标准时间常数,则R1的阻值应采用795Ω的精密电阻.这样除了专业化大批量生产外不易做到,而且也无必要。

对于一般使者来说，采用标准化系列阻值795Ω或820Ω，其精度已经是足够的了。

由于决定衰减时间常数的R3与C2的输出端是与下一级的输入端相连接的，为了保证衰减时间常数不致被破坏，下一级的输入阻抗必须尽可能的高，一般需有10MΩ以上才行。

阻抗变换电路至下一级输入电路的匹配方法有两种：

一种是采用高阻抗运放作阻抗变换，它的优点是增益较高，缺点是噪声较大且易自激和难以调试。

另一种方法是采用低噪声，高β晶体管作阻抗变换，这种方法的优点是电路简单，信噪比高。

该警惕管可以选用LM9014，直流放大系数应在350～450之间，左右声道配对使用。

实际电路选用hFE=400的LM9014，发射极电阻选用30kΩ,其输入阻抗为30k*400=12MΩ，完全能满足10MΩ以上输入阻抗的要求。

供电电源电压采用+12～+15V的正负对称电源，这对提高电路的动态范围，降低失真有较好的作用。

电路前级增益为30dB,后级阻抗变换电路有6dB的增益，整个电路的总增益为36dB左右，完全可以满足输出电压为2.5～5V的接口要求。

元件选用：

电路所用运放LF353是一种频响，低噪声，大动态的双运放，它具有两路运放增益对称的特点。

也可以选用其它类型的运放如TL072,LM4558以及TL082，NE5534等。

电阻可采用金属膜电阻，一级精度。

C1,C2采用CBB聚苯乙烯电容，C3和C5采用漏电极小的无极性电解电容或钽电解。

C4,R6是配合电磁唱头的负荷电容和阻抗所设，若采用动圈唱头则不可以用C4。

２.３.３低噪声前置放大器

（1）源阻抗与前置放大器的合理匹配

不同源阻抗的信号源,只有满足源阻抗与前置放大器的合理匹配,才能获得最小噪声系数。

由噪声理论,放大器的等效输入噪声

式中EnS为信号源电阻产生的热噪声,EnS=

，K为波尔兹曼常数,T为绝对温度,4KT=116*10—20（在室温（290K）下）,Δf为噪声带宽;En和In分别为等效到输入端的噪声电压和电流。

定义噪声系数F=总有效输入噪声功率/信号源EnS产生的输入噪声功率

输入噪声功率=

则噪声系数（对数表示）

NF=10logF=10log（

）

图2.3是Eni-Rs噪声系数图解。

当InRS=En时,Eni最接近EnS,亦即F得最小值F|RS=En/In=Fmin。

对应的源电阻Rs=Ro=En/In=最佳源电阻。

此时

Fmin=1+EnIn/2KT△f

（1）

在最佳源电阻邻近区域,F均能取较小的值,这是我们正确选择源电阻以达到最佳噪声性能的依据。

图2.3噪声系数Eni-RS模型图解

（2）　工作频率对噪声系数的影响

　因为En、In均为工作频率f和工作电流的函数。

因此选择低噪声运放时,要考虑它们的影响。

如令放大器的固有噪声功率为Sn=EnIn,由[1]中提供的Sn—f曲线可看出在中频率段,Sn为平滑段,公式

（1）可写成

Fmin=1+Sn/2KT△f

（2）

即Fmin稳定,频率影响不大。

而在高频和低频工作时,Sn增加很多,Fmin将大大增加。

另外工作点电流越小,Fmin也越小。

综上所述,中频段工作时,由于Fmin相对稳定,使用低噪声运放及其它有源器件时,可参照图1进行,主要因素是噪声阻抗匹配问题。

低频或超低频工作时（20Hz以下）尽量采用In较小或低1/f转角频率的低噪声运放,因为In与f^-1/2成正比。

一般可选用结型场效应管（JFET）或以JFET作前置级的低噪声运放。

对于纯直流信号必须有自动稳零装置或进行调制,如运放5G7650。

在较高频工作时（一般在100kHz～1MHz以上,视器件而定）,由于In与f成正比,Sn即Fmin也将大大增加,此时应选用截止频率fT高的双极性晶体管或金属半导体场效应管（MOSFET）为前置级的低噪声运放。

在超高频工作时,功率和效率也要在设计中予以考虑。

在超低频和超高频工作时,噪声阻抗匹配已不是主要矛盾,而应保证其频率特性为。

（3）运放的通用噪声模型

　图2.4示出了运放的通用噪声模型想运放,则失调、漂移及偏置电流均很小,故外接的反

馈电阻、匹配电阻均可略去。

RS1,RS2看作为信号源内阻。

反相输入时,RS2=0,RS1=RS;同相输入时,RS1=0,RS2=RS;差动输入时,RS=2RS1=2RS2;令RS1=RS2=RS，In1=In2=In

图2.4运算放大器的通用噪声模型

　实际工程应用时,最佳源电阻RO左右（亦即EnS靠近的一些点）的一段区域均能取得好的效果。

图2.5（a）中,OP-27/37的最佳源电阻RSO=15kΩ左右。

工程实际应用时,RS取在8kΩ

由OP-07的曲线看出15k

图2.5（b）中可以看出,在011～10Hz低频工作时,OP-27/37的最佳工作区间为RSO=2kΩ左右,OP-07在En1=En2=En，EnS1=EnS2=EnS则等效输入噪声

Eni=

而

Fmin|RS=En/In=1+3EnIn/4KTΔf（3）

比较公式（3）和公式

（1）,可看出它们是等价的,最佳源电阻均为RO=En/In,也就是说最佳源电阻应该是Eni曲线与EnS曲线是最接近的一段区域,图2.5示出了几种低噪声运放在中频和低频时的Eni～RS曲线。

a.Rs—源电阻

1.Rs=Rs1=10k,Rs2=0

2.Rs=10k,Rs1=Rs2=5k

b.Rs—源电阻

1.Rs=Rs1=10k,Rs2=0

2.Rs=10k,Rs1=Rs2=5k

图2.5几种低噪声运放的Eni～RS曲线比较

由图2.5看出,运放的噪声系数图解与图1比较是完全相同的。

即图2.5中的直线表示EnS。

可以用前述方法确定最佳匹配电阻,即Eni与EnS最接近的点为最佳源电阻。

由前面分析已得出,选择和使用低噪声运放时,可以从最佳源电阻的噪声分配与频率影响两个因素来考虑。

图2.5中的（a）图和（b）图分别示出了50～1000Hz和011～10Hz时的Eni～RS曲线。

30kΩ左右。

Rs>3kΩ后,OP-07的噪声性能较OP-27/37为佳。

以上分析可看出,不同频段工作时,低噪声运放的最佳源电阻区域是不同的。

应根据低噪声运放在不同频率段的Eni～RS曲线,确定其最佳源电阻区域。

图2.6示出了OP-37与其它普通运放噪声电压谱频率特性。

Eni～f特性曲线可看出,低噪声运放OP-37的1/f拐角频率较其它运放如μA741等要低得多,其性能也较一般的音频低噪声运放好,但是输入信号必须大于所选择运放的Eni值,否则放大器将无法工作。

由Eni～f曲线可看出在低于所选择运放的1/f拐角频率工作时,Eni将增加很多,在超低频工作的情况下,要选择1/f拐对于高源阻抗的信号源,由Eni～RS曲线看出,已大大超过其最佳匹配工作区域,一般的低噪声运放无法正常工作,此时可选用JFET为输入级的低噪声运放,如LF155/LF156等,因为其In值很低,仅有0101pA/Hz,根据公式

故Eni值也大大降低。

角频率较低的低噪声运放,如OP-37等。

图2.6几种运放的Eni～f曲线

图2.7变压器耦合运放电路

对低源电阻或纯电抗的信号源,如超导测温、热电偶测温,后者如光电器件和压电晶体等,均不能直接与放大器直接耦合,而需加一匹配网络。

图2.7为低源电阻信号用变压器耦合的低噪声运放前置放大器电路。

C是改变动态特性（τ=2μs）和消除高频噪声的,运放采用同相输入方式,变压器将低源电阻150Ω变换为15kΩ,考虑到信号源带宽为20Hz～20kHz,由图2.5（a）来看最佳源电阻区域,15kΩ是合适的。

从测出的噪声数据来看,150kΩ电阻,R1、R2及放大器的总噪声电压约为220nV/Hz左右,相当于放大器增益为73dB时,输出1mV的噪声电压,可见,该放大器的低噪声性能是极佳的。

　综上所述,低噪声运放的性能和使用有其特殊性。

如果使用者忽略了这些因素,将低噪声运放简单地作为普通运放前置放大器设计将无法达到低噪声放大的效果。

因此,作为电子系统的设计者在使用低噪声运放前置放大时,要充分考虑本文论述的最佳源电阻的噪声匹配和频率影响两大因素,同时还要考虑测量信号的通频带、动静特性、稳定性、抗干扰等因素,以使低噪声运放前置放大器达到理想的效果。

所以根据这些知识我所设计的前置放大电路如图2.8

如图2.8TDA2822M前置放大电路

第三章分频器电路

音响是整个影响系统的喉舌，而分频器则是音箱的心脏。

一对音箱看似极其简单，只有几个喇叭加分频器，但要做好，做精，其学问之大，身不可测。

生产厂家，根据每个品牌扬声器的设计特性，经过繁杂计算，合理选择分频点，再经过专业设备测试，调整，得到理想曲线。

这还不算，还要通过主观听音，修改，补偿，才能定型。

所以市场上有几