一种简单而实用电子分频音频放大电路设计Word文档格式.docx
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四只整流二极管的耐压必须大于2×
16＝32V，整流电流应当大于30W/32V≈1A。
在条件允许的情况下，二极管的参数应该尽量保证足够的裕量，因此可以用50V/3A的二极管或桥堆（实验中拟采用的是50V/3A的肖特基势垒二极管SR360）。
3、在桥式整流电路和三端集成稳压器后接的滤波蓄能电容为25V/2200μF的铝电解电容和63V/220nF的无极性电容，三端集成稳压器采用7915和7815，输出电压为±
15V
3.4电子分频放大电路分析和设计
1、前置放大
前置放大器的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音源信号进行放大并输出。
外部音源信号由较长的导线输入，并且信号源可能存在较高的内阻，电流输出能力不强，因此需要“缓冲”来将其转换为低内阻的信号源，以便驱动后级电路。
对于音频信号，一般考虑为电压信号，因此“缓冲”电路应当采用高输入电阻，低输出电阻的结构。
音频信号是交流信号，放大器只需要放大交流，因此输入端通常采用电容耦合形式，以避免输入信号源中可能存在的直流分量的影响。
电路如图三所示。
图三前置放大电路原理图
在信号放大电路中，每一级放大器之间无论采用电容耦合还是直接耦合，都应当尽量保证每级放大器能够实现“零输入”——“零输出”的性质，以避免失调、漂移对放大性能的影响。
对于图中的电阻R16是必不可少的。
电阻R16决定了输入电阻值，虽然它的存在对放大倍数没有影响，但能够保证运放同相端的直流电位接地，输出端的直流电位也为零。
如果没有R16，由于运算放大放的输入电阻很高，同相端相当于“浮空”，电路不能工作。
图中的C1、C7为耦合电容，C18起隔直通交的作用，即只放大交流信号，输入电阻在理想情况下可以趋于无穷大。
前置放大的放大倍数由电阻R14和R17决定，放大倍数为（R17+R14）/R14=11倍。
C1与R16实际构成一阶低通滤波器，由于人耳能听到的声音信号最高为20kHz，所以该低通滤波器的截止频率应当高于20kHz，才能保证音频信号的完整传输，即：
如果R16取100k，则C1约为82pF，由于没有82nF的电容规格，一般耦合电容的取值都应该远大于计算值，所以在此采用250pF。
2、二阶低通滤波电路
所谓滤波器，就是一种选频电路，它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。
低通滤波武器用来通过低频信号，而抑制或衰减高频信号，如图四所示。
图四二阶低通滤波电路
在图四中，C6为耦合电容，电容取值越大，耦合特性越好，C6与R3构成一阶高通滤波电路，在此可去除也可保留，R4、R5、C8、C9构成二阶低通滤波电路，其截止频率为：
=300Hz
本实验中的功率放大器采用TDA2030集成块，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。
如图五所示，TDA2030系列集成功率放大器采用TO220封装，使用时必须在外部加装散热器。
另外，集成块内部已经集成了过温保护，过流保护等电路，因此使用十分简单。
对于使用者而言，只需按要求在外部连接上少量的元件，就可以正常使用了。
该集成功率放大器有5个外部引脚，分别的定义是：
1:
Noninvertinginput（同相输入端）
2:
Invertinginput（反相输入端）
3:
–VS（负电源）
4:
Output（输出）
5:
+VS（正电源）
图五TDA2030外观
其中，R10是一个电位器，作用是进行音量调节，输入信号通过耦合电容C6以及低通滤波器后再由R10进行分压调节，连接到TDA2030的同相端。
电阻R20和R8组成反馈回路，和TDA2030构成了一个同向比例放大器，这一部分是整个功率放大电路的核心，其中C4是一只耦合电容，作用为“隔直通交”，使功率放大器仅仅对交流信号产生放大作用，而对直流信号不产生任何放大。
对于交流信号，其放大倍数为：
A=（R20+R8）/R8
D1、D3是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，虽然对电路的理论分析和理解没有作用，但在实际电路中则必不可少，原因在于扬声器。
当扬声器的线圈振动时，切割磁力线会产生感生电动势，这种感生电动势反过来加在功率放大器的输出端口，太大的话有可能造成功率放大器的损坏。
二极管D1、D2在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。
根据参考手则，这两只二极管采用1A的普通整流二极管1N4001。
Q1、Q2构成推挽电路，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。
推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。
信号进过推挽电路后再去推动后面的扬声器。
电阻R13和电容C16串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频率响应特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯电阻。
3、二阶带通滤波器电路
所谓的带通滤波器，就是由高通滤波器和低通滤波器组合而成，高通滤波器和低通滤波器的交汇公共部分即为带通频率宽度。
电路如图六所示。
图六二阶带通滤波器原理图
如图六，C20、C21、R21、R18构成高通滤波器，其截止频率为：
R6、R7、C22、C10构成低通滤波器，其截止频率为：
=3kHz
带通滤波器的放大倍数由R23和R9决定，放大倍数为：
A=（R23+R9）/R9
D2和D6同样为保护二极管，功能和低通滤波器的一样。
R15、C15和扬声器一起构成带通滤波器的负载，具体参照低通滤波器。
4电路系统测试
4.1电源纹波测量
测试条件：
室温下，用数字直流毫伏表测量（加一大电容隔离）
节点
纹波电压（mV）
+15.07V
1..01
--14.61V
-0.8
上表数据说明了电源的纹波电压非常低，质量优越，已经完全满足要求。
4.2前级放大电路检测
固定频率f=5kHz
输入电压（V）
0.1
0.2
0.3
0.5
0.8
1
输出电压（V）
0.442
0.88
1.32
2.22
3.52
4.44
前级放大倍数A=1/6（0.412/0.1+0.88/0.2+1.32/0.3+2.22/0.5+3.52/0.8+4.44/1）
=4.42
此计算值跟实际计算的值有出入，主要原因是：
电阻的阻值有一定的误差，实际放大电路往往比计算值要小。
4.3分频器频响曲线测量
室温下，函数信号发生器提供332mV的输入信号，用示波器测量音频输出电压以及监测波形。
4.3.1低通实验数据如下：
低通滤波器：
Ui=332Mv
f（Hz）
30
40
50
60
80
90
100
120
150
180
200
230
250
Uo（V）
2.32
3.28
4.12
6.04
9.08
12.08
14.04
16.8
18.4
19.2
20.6
21.4
21.6
280
300
330
380
400
420
450
470
500
550
600
650
700
22.2
22.6
22.8
23.4
23.6
24.0
23.2
22.4
20.8
850
900
1k
1.5k
2k
3k
4k
5k
16.5
15.4
13.5
9.7
7.48
5.08
3.88
3.32
低通滤波频响曲线如下：
由频率响应曲线可知，频率在800Hz以后将快速衰减，而在800Hz之前的频率将大部分被保留，曲线的最高点为400Hz，与计算的300Hz有一定的差距，主要是电阻电容存在误差以及实际的测量值往往和计算值有出入，在曲线的低频部分（100Hz以下），发现也被衰减到很小，主要原因是电路中的C6以及R3本身构成了一阶高通滤波。
4.3.2高通实验数据如下：
带通滤波器；
350
430
530
560
640
670
3.08
4.40
5.64
6.80
7.92
8.56
9.28
9.92
10.5
11.1
11.7
12.3
12.8
740
780
820
860
940
980
1020
1060
1100
1140
1180
13.0
13.6
14.2
14.8
15.0
15.6
15.8
16.4
16.6
17.0
17.4
17.6
17.8
1220
1260
1300
1340
1380
1420
1460
1500
1540
1580
1620
1660
1700
18.2
18.6
19.0
19.4
19.6
19.8
20.0
1740
1780
1882
1860
1900
1940
1980
2020
2060
2100
2140
2180
2220
20.2
2260
2.3k
2.4k
2.5k
2.6k
2.7k
2.8k
2.9k
3.1k
3.2k
3.3k
3.4k
21.0
3.5k
3.6k
3.7k
3.8k
4.2k
4.5k
6k
7k
8k
10k
12k
18
14
11.8
10.4
7.4
6
带通滤波频响曲线如下：
由以下的带通滤波器的频响特性可知，在低频部分（500Hz左右）的信号被迅速衰减，在高频部分（4000Hz左右）的信号也被迅速衰减，由计算值可知带通滤波器的频响部分为300Hz~3kHz，测量值为500Hz~4kHz左右，由于实际电路和理论计算值往往存在出入，因此此部分由测量结果可知是符合实际的。
5、结论
本文设计了一种基于电子分频的音频功率放大电路，由于使用了分频放大的技术，因此比一般市场上单单只是进行功率整体放大的电路效果要好。
本设计经过测试与优化，输出的音频低音纹波小，高保真，声音清脆，达到了本设计的要求。
.参考文献
[1]黄智伟，基于Mutisim的电子电路计算机仿真设计分析[M]电子工业出版社2008
[2]康华光，电子技术基础模拟部分第五版[M]高等教育出版社
[3]孙余凯，吴鸣山，项绮明。
集成运算放大器使用电路识图[M]电子工业出版社
参考网站：
中国音响DIY
21社区
.附录
.附一：
仪器清单
数字万用表
示波器
函数信号发生仪
直流稳压电源
PC机以及电路模拟软件
PCB布线软件
电烙铁
.附二：
电路图
.附三：
PCB电路图
PCB布线采取最短布线和正横背竖的原则，同时为了避免散热片之间构成短接，采取远离摆放的原则，其布线图如下：
.附四：
PCB实物图
本PCB板为单声道集成板，这样设计原因有二：
1）节约成本；
2）设计时预留了J3接口（见上图右下脚旁），此接口为电源引出口，只要焊接另一块相同的板接另一声道，电源由此接口提供就完成了多声道的应用。
.附五：
PCB实测图
音乐由PC机播放，通过PC机的音频接口连接至电路板上，经过一系列的放大和滤波，音频输入连接至扩音器上，从而实现了整版的测试。
经测试，电路板正常工作，音频音质清脆悦耳。
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