双声道音频功放器毕业设计论文.docx

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双声道音频功放器毕业设计论文

陕西国防工业职业技术学院

毕业设计论文

题目双声道音频功放器

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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涉密论文按学校规定处理。

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摘要

本文所介绍的TDA2822双电源立体音频放大器，具有操作方便，音质效果好，使用一只扬声器就可输出左右音频的特点。

而且，整个音频放大器驱动电压范围广，从2V到15V均可做为TDA2822双电源立体音频放大器的驱动电源，本放大器采用两种供电技术，一是使用AC220V作为供电电源，内置的交流直流装换装置可为音频放大器提供稳定的工作电压，此时主要用于室内固定使用，也可使用自带的USB电源线供电，在计算机开机的情况下，可直接插入电脑主板上的USB孔为音频放大器供电。

此种情况，可使该音频放大器作野外活动之用。

而本音频放大器的供电电源则使用AC220V，经过二极管整流桥整流，再经过2200

F滤波，LM317稳压，最终输出电压0～12V,本音频放大器使用5V供电。

关键词:

TDA2822LM317音频放大器功率电源

Abstract:

Thisarticleintroducedthedual-powerstereoaudioamplifierTDA2822,iseasytooperate,goodsoundquality,theuseofaspeakercharacteristicscanbeleftandrightaudiooutput.Also,theaudioamplifiertodrivevoltagerangefrom2Vto15VdualpowersupplycanbeusedasTDA2822stereoaudioamplifierpowersupply,theamplifierusestwotypesofpowersupplytechnology,firstusedasapowersupplyAC220V,built-inACDCloadingdevicefortheaudioamplifierforprovidingastableworkingvoltage,thistimemainlyusedforindoorstationaryuse,canalsousethepowerthatcomeswithUSBpowercable,bootthecomputercase,directlyintotheUSBonthecomputermotherboardholefortheaudioamplifierpowersupply.Thissituationallowstheaudioamplifierforoutdooractivities.WhiletheaudioamplifierpowersupplyisusedAC220V,throughthedioderectifierbridgerectifier,andthenafter2200Ffilter,LM317voltageregulator,thefinaloutputvoltage0~12V,5Vpowersupplyoftheaudioamplifier.

Keywords:

TDA2822LM317AudioAmplifiersPowerPower

双声道功率放大器

第一章功率放大器简介

　　利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

　　功率放大器，简称“功放”。

很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

1.1功率放大器种类

　　传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：

（1）数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；

（2）利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。

从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

1.1.1A类放大器

　　A类放大器的主要特点是：

放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。

电路简单，调试方便。

但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。

由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

1.1.2B类放大器

　　B类放大器的主要特点是：

放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波（如图虚线部分所示），所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。

即当信号在-0.6V~0.6V之间时，

　　Q1Q2都无法导通而引起的。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

1.1.3AB类放大器

　　AB类放大器的主要特点是：

晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。

可以避免交越失真。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

1.1.4D类放大器

　　D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成.D类放大或数字式放大器。

系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

（1）具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

（2）体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

　　（3）无裂噪声接通。

　　（4）低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少，便于设计调试。

　　A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。

B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。

而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少优点。

AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

1.1.5T类放大器

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。

但它和普通D类功率放大器不同的是：

（1）它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。

它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。

输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。

从而使音质达到高保真线性放大。

（2）它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频

两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。

使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。

（3）此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。

DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。

在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

1.2功率放大器选购

　　选择功率放大器的时候，首先要注意它的一些技术指标：

1、输入阻抗：

通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在5000-15000Ω，数值越大表示抗干扰能力越强；2、失真度：

指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好，一般在0.05％以下；3、信噪比：

是指输出信号当中音乐信号和噪音信号之间的比例，数值越大代表声音越干净。

　　另外，在选购功率放大器的时候还要明确自己的购买意愿，如果您希望加装低音炮，最好购买5声道的功放，通常2声道和4声道扬声器只能推动前后扬声器，而低音炮只能再另配功放，5声道功放就可以解决这个问题，功率放大器的输出功率也要尽量大于扬声器的额定功率。

1.3功率放大器原理

高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。

高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。

甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。

乙类放大器电流的流通角约等于180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。

乙类和丙类都适用于大功率工作。

丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。

高频功率放大器大多工作于丙类。

但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。

由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。

丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100％，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗（集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。

如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。

这就是戊类放大器。

我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。

高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。

低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。

例如，自20至20000Hz，高低频率之比达1000倍。

因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。

高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。

例如，调幅广播电台（535－1605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz，如中心频率取为1000kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。

中心频率越高，则相对频宽越小。

因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。

由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：

低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。

近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。

这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。

综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。

　　高频功率放大器的主要技术指标有：

输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。

这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。

例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。

功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。

放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。

为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。

但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。

低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。

高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。

所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。

高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。

这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。

以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：

用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。

宽带高频功率放大器：

用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。

通常工作于甲类状态。

1.4功率放大器的性能指标

　　无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。

1.4.1输出功率

　　输出功率是指功放电路输送给负载的功率。

目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时注意。

（1）额定功率（RMS）

　　它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。

经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。

很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。

（2）最大输出功率

　　当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率

　　（3）音乐输出功率（MPO）

　　音乐输出功率MPO是英文MusicPowerOutpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

　　音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。

为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。

　　（4）峰值音乐输出功率（PMPO）

　　它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。

　　通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。

1.4.2频率响应

　　频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。

国际规定一般音频功放的频率范围是40-16kHz±1.5dB。

1.4.3失真

　　失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。

波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

1.4.4动态范围

　　放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。

实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90dB。

　　自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。

1.4.5信噪比

　　信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

1.4.6输出阻抗和阻尼系数

一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。

对电子设备互连来说,例如信号源连放大器,前级连后级,只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上,就可认为阻抗匹配良好;对于放大器连接音箱来说,电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱,而晶体管放大器则无此限制,可以接任何阻抗的音箱。

（1）输出阻抗

功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。

（2）阻尼系数

阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。

1.5功率放大器术语详解

1.5.1工作范围

工作范围是指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率条件下的工作频带宽度，即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围，单位Hz（赫兹）。

放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。

1.5.2工作模式

　　功率放大器的工作模式主要有以下几种：

（1）时分双工（TDD）模式：

　　在TDD模式的移动通信系统中，接收和传送在同一频率信道（即载波）的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。

　　TDD系统有如下特点：

　　●不需要成对的频率，能使用各种频率资源，适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于IP型的数据业务；

　　●上下行工作于同一频率，电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；

（2）时分多址（TDMA）模式：

　　TDMA是时分多址（TimeDivisionMultipleAccess）的英文缩写。

同一频率的载波在某一特定时间内，分成若干相等的小时间段，供多个不同号码的用户使用不同的小时间段来实现连接的通信方式。

简而言之，它是将一个狭窄的无线频道分割成框架性的时间片断（特别是3和8），并将每一个时间片断分配给每一个用户的数字无线技术。

1.5.3传输增益

　　指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“dB”（分贝）来表示。

功率放大器的输出增益随输入信号频率的变化而提升或衰减。

这项指标是考核功率放大器品质优劣的最为重要的一项依据。

该分贝值越小，说明功率放大器的频率响应曲线越平坦，失真越小，信号的还原度和再现能力越强。

1.5.4输出功率

　　功率放大器的功率指标严格来讲又有标称输出功率和最大瞬间输出功率之分。

前者就是额定输出功率，它可以解释为谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出功率的最大值；后者是指功率放大器的“峰值”输出功率，它解释为功率放大器接受电信号输入时，在保证信号不受损坏的前提下瞬间所能承受的输出功率最大值。

1.5.5接收增益

增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。

增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远。

而功率放大器的接收增益值越大，则接收性能越强。

1.6阻抗匹配及防护措施

　　对于主要作用是向负载提供功率的放大电路通常称为功率放大电路，其主要特点如下：

一是输出功率是指交变电压和交变电流的乘积，即交流功率；二是交流功率是在输入为正弦波、输出波形基本不失真时定义的；三是输出功率大，因而消耗在电路内的能量和电源提供的能量也大；四是晶体管常常工作在极限应用状态，由此要考虑必要的散热措施和过电流、过电压的保护措施。

下面就功率放大器的阻抗匹配及防护措施作以扼要介绍。

1.6.1功率放大器的阻抗匹配

　　在所有电子音像设备中，都有一个功率输出的最佳方案问题，即为了获得最大的功率输出而又不增加电路的投资经费，这就是功率放大器与扬声器系统的最佳组合。

功率放大器组合的目的是为了达到最小的设备投资而获得最大的功率输出，

　　对功放电路的了解或评价，主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑。

（1）为得到需要的输出功率，电路须选集电极功耗足够大的三极管，功放管的工作电流和集电极电压也较高。

电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。

由于电路中功放管工作状态常接近极限值，所以功放电流调整和使用时要小心，不宜超限使用。

（2）从能耗