音频功率放大器设计Word下载.docx
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音频信号通过前置放大，将微弱的音频信号幅度放大，以适合后面的电路。
音量调节使用串联的电位器，通过改变阻值来改变信号的强弱。
音调调节通过选频网络，对不同频率信号进行增益调节，以达到音调调节的作用。
功率放大采用高功率、高效率的甲乙类OCL功率放大器最大输出可达10W。
完全可以推动大功率音箱设备。
三、电路原理与计算：
1.前置放大与音量调节
前置电路用来实现高输入阻抗的要求。
有运放组成的同相放大器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。
前置放大器：
音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。
声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。
一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；
假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。
所以一个实用的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的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。
另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，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，高音被提升。
对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，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。
前置放大器的主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；
二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。
由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。
前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另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，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。
如果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。
对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。
音量调节：
音量调节靠串联的电位器改变串联电阻的方法来实现
图1前置级放大器电路及音量调节图
2、音调控制电路：
音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。
此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。
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。
一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。
音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升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节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。
负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。
下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。
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、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。
其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。
电路中各元件一般要满足的关系为：
Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。
图2负反馈式音调控制电路图
在电路图2中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。
当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1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，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。
图3（a）电路的频率响应分析如下：
（a）低音提升等效电路图（b）低音提升等效电路幅频响应波特图
图3低音提升等效电路图及幅频响应曲线
图3所示的电压放大倍数表达式为：
。
化简后得：
，所以该电路的转折频率为：
，
可见当频率
时，
；
当频率
。
从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；
在低音域，增益可以得到提升，最大增益为
低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3（b）所示。
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C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以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表达式为：
，其转折频率为：
，
在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为
低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4（b）所示。
在电路给定的参数下，
（a）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
同理，图2电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。
调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。
图5（a）就是工作在高音信号下的简化电路图。
为了便于分析，将图中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成△连接方式，如图5（b）。
其中
在假设条件R1=R2=R3的条件下，Ra=Rb=Rc=3R1。
（a）（b）
图5高音等效简化电路
如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，Rc的反馈作用将忽略不计（Rc可看成开路）。
当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6（a）所示。
此时，该电路的电压放大倍数表达式为：
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1；
对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为
高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图6（b）所示。
（a）高音提升等效电路（b）高音提升等效电路的幅频响应波特图
图6高音提升等效电路及幅频响应曲线
当Rp1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。
（a）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
其转折频率为：
可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。
该电路的幅频响应曲线的波特图如图7（b）所示。
（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的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。
根据设计要求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的电阻、电容大小。
图8音调控制电路的幅频响应波特图
3、功率放大器
功率放大器的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。
功率放大器的主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。
目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。
有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；
也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；
随着集成电路的发展，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方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，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，所以使用非常广泛。
在此，为了达到所要求的功率输出和效率，并减小失真。
我们选用了甲乙类OCL电路。
功放由运算放大器，二极管D1~D3，三极管Q2~Q5组成。
运算放大器放大信号幅度，并提高功放级的输入电阻。
二极管D1~D3为三极管提供静态小电流偏置，使三极管工作在微导通状态，克服信号的交越失真。
R15和R17用来减少复合管的穿透电流，以提高复合管的温度稳定性。
输出端通过R21和R8构成交流电压串联负反馈，稳定输出电压，改善放大器的动态性能。
4、过流保护
在负载短路的情况下会出现电流过大损坏芯片的情况。
过流保护可以在负载上串联一个小电阻，用电压比较器监控小电阻上的压降，当压降过大时发出过流信号，切断信号的输入。
另外可以在输出负载上串联一个自恢复保险丝，电路电流过大时断开负载，使电流从反馈的82K电阻上流过，这样就不会出现电流过大的情况而损坏元件，而且自恢复保险丝价格便宜，使用起来简单方便。
一、主要单元电路参考设计
本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。
首先根据输出功率的确定电源大小和整个系统的增益。
因为音频功率放大器的输出功率POM≥5W。
所以音频功率放大器的输出幅值
（V）。
当输入信号最小值为5mV时，整个放大系统的电压放大倍数为：
（倍），即
（dB）。
根据整个放大系统的电压增益，合理分配各级单元电路的增益。
功率放大器级（采用集成功放）电压放大倍数取30倍；
音调控制器放大器在中频（1KHz）处的电压放大倍数取1；
前置放大器的电压放大倍数取80（考虑到实际电路中有衰减）。
音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。
如上所述，该系统的输出信号幅值为11.3V，从提高效率的角度考虑，电源电压越接近11.3V越好，但这样输出信号的失真将增大；
从减小失真的角度考虑，可适当的提高电源电压。
综合考虑，音频功率放大器整个系统的电源电压采用±
15V供电。
四、音频功率放大器的调试
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，同时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。
同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；
然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象，同时测量前置放大器的噪声输出大小。
加入幅值5mV、频率1000Hz的交流正弦波信号（注意5mV信号可以通过一个10kΩ和100Ω组成的衰减网络得到），测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。
改变输入正弦波信号的频率，测试前置放大器的频带宽度。
4、音调控制器调试。
（1）首先进行静态测试，方法同上。
（2）中频特性测试。
将一频率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器的输出。
（3）低音提升和衰减特性测试。
将电位器RP1滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从20Hz~1kHz连续变化（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。
（4）高音提升和衰减特性测试。
将电位器RP2滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从2kHz~30kHz连续变化（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）最后画出音调特性曲线，并验证是否满足设计要求并修改。
5、功率放大器测试：
（1）通电观察。
接通电源后，先不要急于测试，首先观察功放电路是否有冒烟、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，测量输出端对地的电位应为0V左右，电源提供的静态电流一般为几十mA左右。
若不符合要求，应仔细检查外围元件及接线是否有误；
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（代替扬声器）条件下，功率放大器输入端加入频率等于1kHz的正弦波信号，调节输入信号的大小，观察输出信号的波形。
若输出波形变粗或带有毛刺，则说明电路发生自激振荡，应尝试改变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，观察测量输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。
改变输入信号的频率，测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满足设计要求。
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1kHz，幅值等于5mV的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端，观察其输出端的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。
将音调调节电位器RP1、RP2调在中间位置，输入信号保持5mV不变，改变输入信号的频率，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，音量电位器调节到最大值，用示波器观测输出负载RL上的电压波形，并测量其大小。
致谢感言
历时一周的课程设计结束了，这给我们带来了不可磨灭的深刻印象，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个过程是充满乐趣和成就感的，在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，不能出现实验结果的情况，经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，才一步步的解决问题，并最终得出实验结果。
在这一周的课程设计中，我的收获是巨大的，首先，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计理念中，这是一个不断成长和成熟的过程。
第二，我学会了怎么去做一个设计者，再设计的过程中，我们必须不断提高，必须通过不间断的学习来解决一个又一个难题，更重要的是遇到难题时我们应该抱有一个平淡的心态，以一个寻求答案的，渴望的思想去找到解决问题的方法，最终将问题解决。
第三，我明白了基本的理论知识和实践设计的差别，好多理论上可以执行的东西有时候是调试不出来的，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是实验设备的问题。
而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探寻和调试才可以达到目的。
第四，这次课程设计让我得到了很多在课堂上无法获得的知识，以及解决问题的方法，对我来说，这是一次成功的课程设计，实践，永远是熟练自己知识的最根本的方法。
最后，感谢所有在本次课程设计中帮助过我的老师和同学，没有你们的无私帮助，我可能就不能完成这次任务，谢谢你们！
参考文献
[2]彭介华电子技术课程设计指导》高等教育出版社，2002
[3]陈大钦《电子电路实验、设计、仿真》高等教育出版社，2002
（1）模拟电子技术基础简明教程（清华大学电子教研室编）
（2）电子技术基础（模拟部分）华中理工大学电子教研室编
音频功率放大器系统电路图
附表A-1元器件清单
序号
名称
型号
封装
单位
数量
备注
1
电阻
2k
2
4.7k
3
电位器
100k
4
电容
220uf
5
0.1uf
6
扬声器
8欧
7
功放芯片
LM386
8
运放芯片
UA741
9
单面板
10x15cm
10
导线
若干
整机图
低频图
中频图
高频图
升级会员 