設(shè)計一個實(shí)用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度≤5mV，負(fù)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。

 

二、設(shè)計方案分析

根據(jù)設(shè)計課題的要求，該音頻功率放大器可由圖  所示框圖實(shí)現(xiàn)。下面主要介紹各部

分電路的特點(diǎn)及要求。

 

                       圖1 音頻功率放大器組成框圖

1、前置放大器

音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進(jìn)行放大，然后輸出驅(qū)動揚(yáng)聲器。聲音源

的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、CD唱機(jī)及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器中的話，對于輸入過低的信號，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴(yán)重過載失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個實(shí)用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入信號，或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。另外在各種聲音源中，除了信號的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機(jī)輸出信號和磁帶放音的輸出信號頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對于這樣的輸入信號，在進(jìn)行功率放大器之前，需要進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。

    對于話筒和線路輸入信號，一般只需將輸入信號進(jìn)行放大和衰減，不需要進(jìn)行頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號非常微弱，一般只有100μV~幾毫伏，所以前置放大器輸入級的噪聲對整個放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級首先采用低噪聲電路，對于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器，首先要選擇低噪聲的晶體管，另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點(diǎn)無關(guān)，在要求高輸入阻抗的前置放大器的情況下，采用低噪聲場效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂移的集成運(yùn)算放大器。對于前置放大器的另外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶，以保證音頻信號進(jìn)行不失真的放大。

圖9 前置級放大器電路圖

 

2、音調(diào)控制電路

音調(diào)控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進(jìn)行控制，

從而達(dá)到控制放音音色的目的，以適應(yīng)不同聽眾對音色的不同愛好。此外還能補(bǔ)償信號中所欠缺的頻率分量，使音質(zhì)得到改善，從而提高放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個良好的音調(diào)控制電路，要求有足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時有要求在高、低音從最強(qiáng)調(diào)到最弱的整個過程中，中音信號（一般指1kHz）不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音量在音調(diào)控制過程中不至于有太大的變化。音調(diào)控制電路大多由RC元件組成，利用RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段的音頻信音調(diào)控制電路一般可分為衰減式和負(fù)反饋式兩大類，衰減式音調(diào)控制電路的調(diào)節(jié)范圍可以做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減，并且在調(diào)節(jié)過程中整個電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負(fù)反饋式音調(diào)控制電路的噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時，其轉(zhuǎn)折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變。下面分析負(fù)反饋型音調(diào)控制電路的工作原理。

(1)負(fù)反饋式音調(diào)控制器的工作原理

由于集成運(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1。電路中各元件一般要滿足的關(guān)系為：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。

 

圖2 負(fù)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(dāng)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(dāng)?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(yīng)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(yīng)波特圖

圖3 低音提升等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線

   圖3所示的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為： 。化簡后得：，所以該電路的轉(zhuǎn)折頻率為：

 ， ?？梢姰?dāng)頻率時，；當(dāng)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(yīng)特性的波特圖如圖3(b)所示。

同樣當(dāng)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(shí)現(xiàn)低音衰減。圖4(a)電路的頻率響應(yīng)分析如下：

該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：

，其轉(zhuǎn)折頻率為：

 ， ?？梢姰?dāng)頻率時，；當(dāng)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(yīng)特性的波特圖如圖4(b)所示。

在電路給定的參數(shù)下，， 。

 

(a) 低音衰減等效電路圖                     (b) 低音衰減等效電路幅頻響應(yīng)波特圖

圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線

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(rèn)為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器Rp1，即可實(shí)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型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成△連接方式，如圖5（b）。其中，，。在假設(shè)條件R1=R2=R3的條件下，Ra=Rb=Rc=3R1。

                      (a)                                        (b)

                             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?zhàn)饔脤⒑雎圆挥嫞≧c可看成開路）。當(dāng)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(dá)式為：

，其轉(zhuǎn)折頻率為：

，。當(dāng)頻率時，；當(dāng)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(yīng)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(yīng)波特圖

圖6 高音提升等效電路及幅頻響應(yīng)曲線

   當(dāng)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(yīng)波特圖

圖7 高音衰減等效電路及幅頻響應(yīng)曲線

該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：

。其轉(zhuǎn)折頻率為：

，。當(dāng)頻率時，；當(dāng)頻率時，。可見該電路對于高音頻信號起到衰減作用。該電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特圖如圖7(b)所示。

在電路給定的參數(shù)下，， 。

（2）音調(diào)控制器的幅頻特性曲線

綜上所述，負(fù)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(shè)計要求的放大倍數(shù)和各點(diǎn)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(yīng)波特圖

 

3、功率放大器

功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載（一般是揚(yáng)聲器）提供所需要的輸出功率。

功率放大器的主要性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應(yīng)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(yùn)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(yīng)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(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)及自啟動、消噪等功能，所以使用非常廣泛。

 

三、主要單元電路參考設(shè)計

   本設(shè)計的音頻功率放大器是一個多級放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功率的確定電源大小和整個系統(tǒng)的增益。因?yàn)橐纛l功率放大器的輸出功率POM≥8W。所以音頻功率放大器的輸出幅值（V）。當(dāng)輸入信號最小值為5mV時，整個放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：（倍），即（dB）。根據(jù)整個放大系統(tǒng)的電壓增益，合理分配各級單元電路的增益。功率放大器級（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取30倍；音調(diào)控制器放大器在中頻（1KHz）處的電壓放大倍數(shù)取1；前置放大器的電壓放大倍數(shù)取80（考慮到實(shí)際電路中有衰減）。

   音頻功率放大器供電電源的選取主要從效率和輸出失真大小方面考慮。如上所述，該系統(tǒng)的輸出信號幅值為11.3V，從提高效率的角度考慮，電源電壓越接近11.3V越好，但這樣輸出信號的失真將增大；從減小失真的角度考慮，可適當(dāng)?shù)奶岣唠娫措妷?。綜合考慮，音頻功率放大器整個系統(tǒng)的電源電壓采用±15V供電。

1、前置放大器電路

根據(jù)音頻信號的特點(diǎn)，前置放大器選擇由NE5532集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓放大器完

成。NE5532在噪聲、轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積等方面具有優(yōu)異的指標(biāo)，由它組成的電壓放大器可以很好的滿足設(shè)計要求，電路如圖9所示。前置放大器有兩級放大器組成，第一級采用NE5532構(gòu)成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)。第二放大器采用NE5532組成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，該電路具有輸出電阻小、抗共模干擾信號強(qiáng)的特點(diǎn)。第一級放大器的電壓放大倍數(shù)為：；第二級放大器的電壓放大倍數(shù)為：；電容C5、C6的作用是高頻濾波，電容C3、C4是去耦電容，消除低頻自激振蕩。前置放大器的下限頻率由電容C1和電阻R1決定。

2、音調(diào)控制器電路

該音頻功率放大系統(tǒng)的音調(diào)控制電路的控制特性要求為：低音在100Hz時為±12dB，

高音在10kHz時為±12dB。設(shè)計滿足要求音調(diào)控制器的一般步驟為：

（1）選擇電路結(jié)構(gòu)和放大單元器件

   電路結(jié)構(gòu)選用圖2所示的負(fù)反饋式音調(diào)控制器。放大單元器件選擇集成運(yùn)算放大器LF356。LF356的輸入阻抗非常高，可達(dá)1012Ω，可以很好地滿足控制特性要求，只需采用小容量電容器即可。

（2）計算低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率和高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率

     根據(jù)RP1=RP2=9R1的條件，該音調(diào)控制放大器電路的最大提升和衰減量為：

（dB），（dB）。

根據(jù)圖  可知，fL1、fL2、fH1、fH2為轉(zhuǎn)折頻率，且幅頻特性是按±6dB/倍頻程的斜率變化的。已知要求在低音100Hz處的提升或衰減±12dB，所以低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：

      （Hz），（Hz）。

   同理，根據(jù)高音10kHz處的提升或衰減±12dB，可得高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：

   （kHz），（kHz）。

（3）音調(diào)調(diào)節(jié)電位器選擇

因?yàn)長F356集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，電位器RP1、RP2的阻值可適當(dāng)高一些。現(xiàn)選RP1=RP2=200kΩ。

（4）低、高音調(diào)整電容及電阻的選擇

（μF），可采用兩個0.01μF電容并聯(lián)。

電阻（kΩ），選標(biāo)稱值22kΩ。

 當(dāng)f=fH2=25.2kHz時，高音提升20dB，即（dB），所以。

 因?yàn)镽a=3R1，所以（kΩ），取標(biāo)稱值7.5kΩ。

（pF），取標(biāo)稱值C3=1000pF。

最后設(shè)計好的音調(diào)控制器電路如圖10所示。

 

圖10 音調(diào)控制電路圖

3、功率放大器電路

采用集成功放設(shè)計功率放大器不僅設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定，而且組裝、調(diào)試方便，成本低

廉，所以本設(shè)計選用集成功放實(shí)現(xiàn)。目前常用的集成功放型號非常多，本設(shè)計選取SGS公司生產(chǎn)的TDA2030/2030A集成功放，該器件具有輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護(hù)，外圍電路簡單，可以作OTL使用，也可作OCL使用。

TDA2030/2030A的外引線如圖11所示。1腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，4腳為輸出端，3腳接負(fù)電源，5腳接正電源。電路特點(diǎn)是引腳和外接元件少。其主要特點(diǎn)為：電源電壓范圍為???6?V??18?V，靜態(tài)電流小于60?A，頻響為10?Hz? ?140?kHz，諧波失真小于0.5?，在VCC? = ??14?V，RL?=?4??時，輸出功率為14?W。在8負(fù)載上的輸出功率為9W。

              

圖11 TDA2030管腳圖                     圖12 TDA2030組成的OCL功率放大器電路

   由TDA2030/2030A構(gòu)成的OCL功率放大器電路如圖12所示。該電路由TDA2030組成的負(fù)反饋電路，其交流電壓放大倍數(shù)（倍），滿足設(shè)計要求。二極管D1、D2起保護(hù)作用，一是限制輸入信號過大，二是防止電源極性接反。R4、C2組成輸出相移校正網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載接近純電阻。電容C1是輸入耦合電容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容C3、C6是低頻旁路電容，電容C5、C4是高頻旁路電容。電位器RP是音量調(diào)節(jié)電位器。

 

四、音頻功率放大器的調(diào)試

1、在安裝電子電路前，應(yīng)仔細(xì)查閱電路所使用的集成電路的管腳排列圖及使用注意事項(xiàng)，同時測量電子元件的好壞。

2、畫出每個單元電路的電路原理圖和連線圖；畫出整個電子系統(tǒng)的原理圖。

3、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（注意5mV信號可以通過一個10kΩ和100Ω組成的衰減網(wǎng)絡(luò)得到），測量前置放大器的輸出大小，驗(yàn)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。

4、音調(diào)控制器調(diào)試。（1）首先進(jìn)行靜態(tài)測試，方法同上。（2）中頻特性測試。將一頻率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信號輸入到音調(diào)控制器輸入端，測量音調(diào)控制器的輸出。（3）低音提升和衰減特性測試。將電位器RP1滑動端分別置于最左端和最右端時，頻率從20Hz~1kHz連續(xù)變化（輸入信號幅值保持不變），記下對應(yīng)輸出的電壓值，畫出其幅頻響應(yīng)特性曲線。（4）高音提升和衰減特性測試。將電位器RP2滑動端分別置于最左端和最右端時，頻率從2kHz~30kHz連續(xù)變化（輸入信號幅值保持不變），記下對應(yīng)輸出的電壓值，畫出其幅頻響應(yīng)特性曲線。（5）最后畫出音調(diào)特性曲線，并驗(yàn)證是否滿足設(shè)計要求并修改。

5、功率放大器測試：（1）通電觀察。接通電源后，先不要急于測試，首先觀察功放電路是否有冒煙、發(fā)燙等現(xiàn)象。若有，應(yīng)迅速切斷電源，重新檢查電路，排除故障。（2）靜態(tài)測試。將功率放大器的輸入信號接地，測量輸出端對地的電位應(yīng)為0V左右，電源提供的靜態(tài)電流一般為幾十mA左右。若不符合要求，應(yīng)仔細(xì)檢查外圍元件及接線是否有誤；若無誤，可考慮更換集成功放器件。（3）動態(tài)測試。在功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)條件下，功率放大器輸入端加入頻率等于1kHz的正弦波信號，調(diào)節(jié)輸入信號的大小，觀察輸出信號的波形。若輸出波形變粗或帶有毛刺，則說明電路發(fā)生自激振蕩，應(yīng)嘗試改變外接電路的分布參數(shù)，直至自激振蕩消除。然后逐漸增大輸入電壓，觀察測量輸出電壓的失真及幅值，計算輸出最大不失真功率。改變輸入信號的頻率，測量功率放大器在額定輸出功率下的頻帶寬度是否滿足設(shè)計要求。

6、整機(jī)聯(lián)調(diào)。將每個單元電路互相級聯(lián)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。（1）最大不失真功率測量。將頻率等于1kHz，幅值等于5mV的正弦波信號接入音頻功率放大器的輸入端，觀察其輸出端的波形有無自激振蕩和失真，測量輸出最大不失真電壓幅度，計算最大不失真輸出功率。（2）音頻功率放大器頻率響應(yīng)測量。將音調(diào)調(diào)節(jié)電位器RP1、RP2調(diào)在中間位置，輸入信號保持5mV不變，改變輸入信號的頻率，測量音頻功率放大器的上、下限頻率。（3）音頻功率放大器噪聲電壓測量。將音頻功率放大器的輸入電壓接地，音量電位器調(diào)節(jié)到最大值，用示波器觀測輸出負(fù)載RL上的電壓波形，并測量其大小。

7、整機(jī)視聽。用8Ω/8W的揚(yáng)聲器代替負(fù)載電阻RL。將一話筒的輸出信號或幅值小于5mV的音頻信號接入到音頻功率放大器，調(diào)節(jié)音量控制電位器RP，應(yīng)能改變音量的大小。調(diào)節(jié)高、低音控制電位器，應(yīng)能明顯聽出高、低音調(diào)的變化。敲擊電路板應(yīng)無聲音間斷和自激現(xiàn)象。

 

五、思考題

1、對一個音頻功率放大器的前置級有什么要求？對于功率放大級有什么要求？

2、何為D類功率放大器？D類功率放大器有什么特點(diǎn)？請列舉出目前常用的D類集成音頻功率放大器的芯片型號。

3、試畫出利用TDA2030/2030A實(shí)現(xiàn)的OTL功率放大器電路？若要輸出8W的功率，對電源電壓有什么要求？若要求進(jìn)一步提高輸出功率，TDA2030/2030A可接成BTL結(jié)構(gòu)，試畫出BTL電路圖，并說明其工作原理。

4、什么是自激振蕩現(xiàn)象？如果電路一旦出現(xiàn)自激振蕩，將如何解決？

5、如果一個音源信號的幅值為500mV，則允許該音源信號直接輸入到本課題設(shè)計的音頻功率放大器上嗎？直接輸入將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？如何解決？