音频功率放大器模拟电路设计.docx

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音频功率放大器模拟电路设计

音频功率放大器

摘要：

本音频功率放大器由四部分组成：

电源，前置放大级，滤波器，功率放大电路。

电源电路输入交流电，输出18V的直流电，为集成功率放大器供电；再经过变换输出+12V与-12V的直流电，为滤波器及前置放大级的运算放大器的供电。

前置放大级将音频信号放大至功率放大器所能接受的范围。

滤波器电路，分为高通滤波器、中通滤波器、低通滤波器，将输入的音频信号分为不同频率音频信号，并设有开关可以按个人喜好调节输出音频信号。

功率放大电路，将输入的信号功率放大。

关键字：

音频功率放大器、电源、滤波器、功放电路

Abstract:

Theaudiopoweramplifierconsistsoffourparts:

powersupply,levelpreamp,filter,poweramplifiercircuit.ACinputpowersupplycircuit,outputDC18V,powersupplyfortheintegratedpoweramplifier;anothertransformoutput+12Vand-12VDC,inordertofilterandpreamp-levelop-amppowersupply.Preamp-levelaudiosignalamplificationwillbeacceptabletothescopeofpoweramplifier.Filtercircuit,isdividedintohigh-passfilter,in-passfilter,lowpassfilter,theinputaudiosignalintodifferentfrequencyaudiosignalandaswitchingregulatorinaccordancewithpersonalpreference,audiooutput.Poweramplifiercircuit,theinputsignalpoweramplifier.

Keywords:

Audiopoweramplifier,powersupply,filter,poweramplifiercircuit

前言

1.在当代生活中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的提高，人们对音响的性能要求也越来越高。

所以，制作出完美音响也成了人们追求的目标。

2.音频功率放大器作为音响设备的重要器件，完美的音频功率放大器是做出完美音响的必要条件。

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力。

无论是从线路技术还是元器件方面，乃至思想认识上都获得了长足的进步。

3.回顾一下功率放大器的发展历程，对我们来说也是一件积极有意义的事情。

4.随着时代的发展，信息时代的来临，音频功率放大领域取得了喜人的硕果。

新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频放大器同样也不会例外。

在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现。

5.此次电子技术课程设计我们选择的就是音频功率放大电路的设计。

我们采用了LM1875集成芯片作为音频功率放大电路的核心器件。

而且我们还采用了低通、高通、带通滤波器这样我们可以根据个人的不同爱好对不同频段的音频信号做选择性的处理。

为了给集成芯片和滤波器提供稳定的电压以保证它们正常的工作。

我们制作了直流稳压电源，通过该电路可以为电路提供稳定的直流电。

但是由于滤波器和LM1875集成芯片对直流电压大小需求不同，所以我们运用了运放电路，这样可以分配直流稳压电路产生的电压分配到滤波器和集成芯片对电压不同的要求。

概括的说此功率放大器由直流电源电路、运放电路、滤波器电路、集成功放电路等四部分组成。

方案设计

2.1设计方案一

以下设计的是音频功率放大器的方案流程图：

由晶体管与集成运放组成的功率放大电路。

其中运算放大器组成驱动级，晶体管组成复合式对称电路。

模拟音量控制器由运算放大器和电位器组成。

高低音分别控制，可以达到高音、低音同时提升和压低的效果。

复杂的系统将音频范围设分为若干个频段由多个电位器对各个频段分别控制。

其原理方框图为：

图

2.2设计方案二

由晶体管与集成运放组成的ＯＣＬ功率放大电路。

其中运算放大器组成驱动级，晶体管组成复合式对称电路。

音量控制器由５５５产生手动控制音量设需脉冲，集成模拟开关ＣＤ４０５１的８路输出信号控制电阻分压网络的衰减倍数，其地址由计数器ＣＤ４５１６提供。

其原理方框图为：

图

2.3设计方案三

新一代数字延时器电路CXA1644P是专用数字音响集成电路，它将混响效果设需的全部功能包含在集成块内。

使用运放作为前置放大电路，再由ＬＡ４１００组成功率放大器。

其原理方框图：

磁带录音机

运算驱动级

CXA1644P

乙类功率放大级

扬声器

辅助直流稳压电源

图

2.4设计方案四

TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030在内的几种。

我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。

根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。

另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。

然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。

TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。

在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。

TDA2030在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在电源电压±16V，负载电阻为4Ω时输出18瓦功率（失真度≤0．5％）。

该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。

该电路可供低频课程设计选用。

磁带录音机

运算驱动级

滤波器

集成功率器TDA2030

扬声器

运放电路

功放电路

图

2.5设计方案五

LM1875电压范围为16～60V。

不失真功率为20W（THD=0.08%），THD=1%时，功率可达40W（人耳对THD<10%一下的失真没什么明显的感觉），保护功能完善。

其接法同TDA2030相似，也有单双电源两种接法。

LM1875是美国国家半导体器件公司生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。

如图1所示，该集成电路在±25V电源电压RL=4Ω时可获得20W的输出功率，在±30V电源8Ω负载获得30W的功率，内置有多种保护电路。

广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。

磁带录音机

运算驱动级

滤波器

集成功率器LM1875

扬声器

运放电路

功放电路

图

方案比较

综合上述方案比较分析：

方案一采用的是甲类功率放大器。

甲类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过，它的优点是输出信号的失真比较小，但是输出信号的动态范围小，效率低。

理想情况下其最高效率为50%。

方案三采用的是乙类功率放大器。

乙类功率放大器在整个输入信号周期内的导通时间为50%，它的优点是在理想情况下效率可达78.5%，但缺点是会产生交越失真，增加噪声。

方案二采用的是甲乙类互补对称电路，积甲乙类功率放大器的优点于一身，同时克服交越失真。

方案四采用TDA2030集成功率放大器，具有输出功率大，失真小，且具有完善的热保护电路等优点。

方案五采用了LM1875做为音频功率放大器具有工作电压范围大16～60V，失真率小，输出功率大等特点。

基于TAD2030具有完善的热保护电路，我选择方案四

3单元模块设计

3.1直流稳压电源

直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。

变压器把市电交流电压为所需要的低压交流电。

整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并且实现电压可在1.3-32.5V可调，输出为集成功率放大器供电，另一端输出再进行稳压变换

1、集成稳压器：

集成稳压器的输出电压

应与稳压电源要求的输出电压大小及范围相同。

稳压器的最大电流

，稳压器的输入输入电压

范围为

（3）

式中，

——最大输出电压

——最小输出电压

——稳压器的最小输入输出压差

——稳压器的最大输入输出压差

2、电源变压器

对于容性负载，变压器副边的输出电压

与稳压器输入电压

的关系为

在此范围内，

越大，稳压器的压差越大，一般取副边电压

（4）

副边输出电流有效值

（5）

——稳压电源最大输出电流

3、整流二极管及滤波电容

整流二极管的反向击穿电压

应满足：

（6）

滤波电容C的容量可估算：

（7）则

=11.3KΩ，使

可在11KΩ～12kΩ间调节。

根据性能指标，集成稳压器为驱动集成功放选用LM317，其输出电压范围为Uo=1.3～37V，最大输出电流Iomax为1.5A，为集成功率放大器设计的稳压电源电路如图3-1-1所示

图3-1-1

在图3-1-1所示电路中，R1和Rw组成输出电压调节电路，输出电压Uo≈1.25×（1+Rw／R1）,R1取120～240Ω，流过R1的电流在空载时，最大为5～10mA，最大为50uA。

根据R1=1.25/I，取R1=200Ω，则Uo=1.25（1+Rw／R1），通过计算后选取Rw为5kΩ精密绕线电位器。

运放稳压电源电路选用7812和7912集成稳压器件，用以为滤波所用集成运算放大器提供正负12V电源来驱动进行工作，运放稳压电源电路如图3-1-2所示。

图3-1-2

两块电路中设置了保护电路，万一输入端短路，大电容放电会使集成稳压块由于反电流冲击而损坏，在稳压块上加上二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。

3.2前置放大

前置放大是指将音频信号放大至功率放大器所能接受的范围。

前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小。

前置放大器设计如图3.2.1，运算放大器组成一个反向放大电路，输出电压

的表达式：

（2）

录音机输出的信号一般为100mv，已经大于

的要求，所以要对

进行适当的衰减，否则输出会产生失真。

取R1=100KΩ，R2=39KΩ，以使录音机输出经混合级后达到

要求。

图3-2-1前置放大级电路

3.3滤波器设计

在实际的电子系统中，输入信号往往是含有多种频率成分的复杂信号，可能会混入各种噪音、干扰及其他无用频率的信号，因此需要设法将有用频率信号挑选出来，将无用的信号频率抑制掉。

完成此任务需要具有选频功能的电路。

对信号的频率具有选择性的电路称为滤波器，它能使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过。

按照滤波器的工作频率，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。

由阻容元件和运算放大器组成的滤波器电路称为RC有源滤波器。

由于集成运算放大器有限带宽的限制，目前RC有源滤波器的工作频率比较低，一般不超过1MHz。

本设计共设有低通、带通、高通三个滤波器以对输入信号频率进行选择，正常人耳能听到的声音范围是20Hz-20kHz，所以不用考虑运算放大器带宽限制。

本滤波器设计采用通用型集成运算放大器uA741。

uA74是通用高增益运算放大器,内部具有频率补偿、输入、输出过载保护功能，并允许有较高的输入共模电压和差模电压，电源电压适应范围较宽，是早些年最常用的运放之一.这种集成运放的主要参数如下：

电源电压±15V最大共模输入电压±13V最大输出电压±14V

开环差模电压增益106最大差模输入电压±30V差模输入电阻2MΩ

uA741的引脚排列图如图3-3-1所示：

图3-3-1uA741引脚排列图

成品器件图如图3-3-2所示：

图3-3-2uA741成品器件图

3.3.2低频滤波器电路

图3-3-3低频滤波器电路

3带频滤波器电路

图3-3-4带频滤波器电路

3.3.3带频滤波器电路

图3-3-5带频滤波器电路

3.4功率放大器电路

功率放大器的作用是给音箱放大器的负载R（扬声器）提供一定的输出功率。

当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的线性失真尽可能的小，效率尽可能高。

TDA2030简介：

我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

TDA2030的性能参数如下：

参数名称

符号

单位

参数最小

典型

最大

测试条件

电源电压

Vcc

+、-6

+-18

静态电流

Icc

Vcc=+-18,RL=4欧

输出功率

RL=4,THD=0.5%

RL=8,THD=0.5%

频响

140k

Po=12w,RL=4,

输入阻抗

0.5

开环，f=1kHz

谐波失真

THD

0.2

0.5

Po=0.1-12W,RL=4

电路特点：

[1].外接元件非常少。

[2].输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。

[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

[4].开机冲击极小。

[5].内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

主要保护电路有：

短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

3.4.2电路工作原理介绍

图3-4-1集成功率放大器电路图

图3-4-1所示电路为音频功率放大器原理图,其中TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为10Hz~140KHz,输出电流峰值最大可达3.5A。

其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。

RP是音量调节电位器,C1是输入耦合电容,R1和R2是TDA2030同相输入端偏置电阻。

R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。

该电路闭环增益为（R4+R5）/R4=（4.7+150）/4.7=33倍,C3起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。

静态工作点稳定性好。

C4、C5为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。

R6和扬声器内阻称为茹贝网路,用以在电路接有感性负载扬声器时,保证高频稳定性。

D1、D2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。

4软件设计

本次实验我使用了Protel99SE软件和Wordoffice2003软件来做音频功率放大设计。

从学习软件到使用的过程中，让我知道熟悉画图软件及文字编辑的软件的重要性。

以后我会利用空余时间进一步的学习有助于电子技术课程设计的软件。

运用Protel99SE软件所画的图见整个说明书。

4.1Protel99SE软件

Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件,是Protel系列产品中功能较为完备的版本。

该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具，是目前众多EDA设计软件中用户最多的产品之一。

　　Protel99SE由两大部分组成：

电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。

其中AdvancedSchematic由两部分组成：

电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）。

4.2Word2003软件

Wordoffice2003软件小型精干的办公软件Word表格、Word文字、Word演示。

这次设计运用Word进行设计的说明。

5系统调试

系统总图

根据设计需求将选择电路的设计单元进行组合，完成系统的原理图设计。

图5-1音频功放系统总图

6系统功能

我设计的是音频功率放大电路。

音频功率放大电路主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。

集成运放是前置放大级，音调级采用数字音量控制，采用OCL互补对称功率放大电路作为功率放大级。

功率放大器是音响系统的重要组成部分，其作用是将电源的能量按照输入信号的控制转化为输出信号的能量，驱动扬声器发声。

扬声器

信号输入

前置级

7.总结与体会

本次设计是本人第一次自己动手设计东西。

因而在许多方面都还不熟练,不如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。

不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识，学会了ISIS以及Protel的一些基本使用方法，培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对数电、模电知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习。

总之，在这次的课程设计过程中，我收获了很多，即为我的以后学习设计有很大的帮助，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。

这次能够完成本次课题，本人感到十分的高兴。

在此我必须感谢从开始到最后帮助过我的人。

首先我要感谢我的那些指导老师给我很大的帮助。

因为在开始做该音频功率放大器时，是一头雾水不知道该怎么下手，而此时我的老师给了我很大的帮助，他给我分析，并告诉我什么样的期间有什么样的功能，这让我明白了很多。

后来我又查找了很多资料书，也解决了很多问题。

其次是要感谢我的同一小组的成员们，因为在遇到大多数问题时是我们几个一起探讨一起解决问题的，这样不仅仅是解决一个问题，更是培养了我们的合作精神，它让我明白完成一个项目不是一个人就能解决的。

参考通过此次的课程设计，我学到了很多知识，也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。

而且要学会与人合作，这样做起事情来就可以事倍功半。

再次感谢所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们！

文献

[1]王斌主编模电拟电子技术实验与课程设计西北工业大学出版社2006.10

[2]王振红张常年主编电子技术基础实验及综合设计机械工业出版社2007.03

[3]安兵菊主编电子技术基础实验及课程设计机械工业出版社2007.02

[4]门宏主编怎样识别和选用集成电路人民邮电出版社2007.02

[5]杨光宗杨擎宇主编音箱喇叭广东科技出版社2003.10

[6]全国大学生电子设计竞赛组委会主编全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（1994-1999）2003.03

[7]华中科技大学电子技术课程组主编电子技术基础模拟部分（第五版）2006.01

附录：

电路原理图