音频放大器小学期论文Word文档格式.docx
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Keywords:
poweramplifiercircuit,regulatedDCpowersupply,filtercircuits,waveformgenerators,audioamplifiercircuit,PCBboard
目录
第一章绪论
1.1音频功率放大电路概述…………………………………………………5
1.2音频放大电路的发展……………………………………………………5
1.3音频功率放大电路的分类………………………………………………6
1.4本次设计的主要目的、意义……………………………………………7
1.5设计总体要求及实现基本指标的方略…………………………………7
第二章方案的选择讨论及应用
2.1方案选择讨论
2.1.1直流稳压电源的选择及设计…………………………………10
2.1.2信号发生器的选择及设计……………………………………12
2.1.3功率放大电路的选择及设计…………………………………12
2.1.4滤波器设计……………………………………………………14
2.1.5带有滤波器的功率放大电路设计……………………………16
2.2电路的仿真分析
2.2.1直流稳定电源的仿真分析……………………………………16
2.2.2信号发生器的仿真分析………………………………………19
2.2.3滤波器的仿真分析……………………………………………21
2.2.4带有滤波器的功率放大电路仿真分析………………………22
2.2.5音频功率放大器整体仿真分析………………………………24
结论………………………………………………………………………………24
致谢………………………………………………………………………………26
参考文献…………………………………………………………………………26
附录………………………………………………………………………………28
1.1音频功率放大电路概述
音频功率放大器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声元器件获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声元器件，使原声响重现。
其电路一般可分为两部分，前一部分进行小信号电压幅值放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相连。
一般扬声器的阻值较低，仅有8
左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电脑的有源音箱大多采用这种方式。
其简单的构成框图如图1-1所示。
图1-1
1.2音频放大电路的发展
随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8Ω（桥接，单通道）；
完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；
插入可编程的输入处理模块USP3；
可对1~2000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。
各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。
晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。
20世纪80年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。
电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。
晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。
80年代中期欧洲首先推出了采用MOSFET音频场效应管功放。
MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。
但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为150W/8Ω等。
90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。
西班牙艺格公司（ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。
第3代MOSFET功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外MOSFET开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。
数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。
1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。
主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。
美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。
1.3音频功率放大电路的分类
音频功率放大器主要有电子管式功率放大器、晶体管式功率放大器和集成电路功率放大器等三种。
具体包括以下几类：
1、A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。
2、B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为负半周期正弦波时与正半周期相反，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。
3、AB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。
4、D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（脉冲亮度调制）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。
以上几类放大器中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。
1.4本次设计的主要目的、意义
本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用家用电器的内部电路结构，从而为以后的学习和工作作好知识保障。
另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。
这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。
1.5设计总体要求及实现基本指标的方略
（一）基本要求
（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～10）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：
①额定输出功率POR≥2W；
②带宽BW≥（50～10000）Hz；
③在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；
④在POR下的效率≥55%；
⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流噪声功率≤10mW。
（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的直流稳压电源。
（二）发挥部分
（1）直流稳定电源在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%～-20%条件下：
a.输出电压可调范围为0～±
5V
b.最大输出电流为1.5A
c.电压调整率≤0.2%
d.负载调整率≤1%
e.纹波电压≤5mV
f.有过流及短路保护功能
（2）波形发生器
a.具有产生正弦波的功能
b.输出波形的频率范围为10Hz-200KHz
c.输出波形幅度范围0-5V
（3）滤波器设计
a.10Hz～20KHz的带通滤波，增益为一
b.50Hz干扰抑制
（三）实现方略
当音频放大电路输入为（5-10）mV，额定输出功率POR=2W时，在RL=8Ω上的正弦输出电压幅值为
Vom=
=
=5.66V
假设输入正弦波幅值为最小值5mv时，则整个放大器的电压增益为
Av=20lg
=20lg
=61dB
61dB的增益在2-3级放大器中如何分配，也是比较关键的。
通常的功率输出级的增益为20dB左右，前置放大级要承担41dB以上的增益。
目前的集成工艺已经相当发达，现在已有专用的低频前置放大器集成电路，其开环增益都在100dB左右。
指标中要求放大器的带宽BW≥50Hz-10kHz，对50Hz的低频响应就要求各级的输入耦合电容和输出电容足够大，特别是耦合到负载RL=8Ω上的电容CL要求很大。
CL可以按如下关系估算
<
RL
所以，CL>
>
=397.89μF。
为满足耦合要求，CL应大于
值的50倍，即CL=19894.5μF。
这样大的电容是无法选用的，所以只能采用没有输出电容CL的OCL电路。
这样，就要求稳压电源为对称双电源。
指标中的非线性失真系数γ≤3﹪和效率η≥55﹪是有联系的。
非线性失真小，末级功放就要工作在甲乙类，这时就必然使效率降低，故两者必须兼顾。
音频放大电路的设计要满足以下几个要求：
①信号基本不失真
②信号功率的放大并能驱动负载。
③10到20kHz通频带宽并且有除噪声功能（且虑除50Hz频率波）
④电路性价比要合适。
本次设计电路的框图如图1-5所示。
图1-5
2.1.1直流稳压电源的选择及设计
设计思想：
稳定直流源设计的一般思路是让输入市电先通过变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。
方案
（一）我们可以采用以桥式整流电路实现整流的目的，以大电容作为滤波电路，然后接负载。
但是这样做有以下不足之处：
如负载的影响很大，电压不可调以及没有保护电路等一下列问题。
我们采用某些芯片，可以解决以上的问题。
方案
（二）以全桥整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7815和7915设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。
如图2-1-1所示，220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:
25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7815CT与LM7915CT作用得到±
15V的直流输出。
图2-1-1
（1）
图2-1-1
（2）
注：
（1）图中滑动变阻器R3,R4的存在使电源输出变的可调。
电阻R1，R2为保护电阻，可以起到过流保护作用。
也可以在芯片两端加上两个对称的二极管（替代电阻），以起到过流保护和短路保护的作用如图
（2）所示。
2.1.2信号发生器的选择及设计
波形发生器主要作用是产生信号，作测试作用，本身不属于音频放大电路的组成部分，所以对于它的设计，要求没有也没有必要象音频放大电路和直流稳压电源要求那样苛刻。
只要满足要求便可以了。
波形发生器工作原理是通过电路本身的自激振荡来实现的。
发生器按材料主要分RC，LC和石英晶体三种形式。
本次设计电路采用RC正弦振荡器，即文氏桥发生器。
如图2-1-2所示。
图2-1-2
信号发生器在本此设计中是作为测试信号用。
设计要求是0到5V频带可调的实验电路。
对于输出电压可调，可以通过改变电阻R6的值来实现。
对于频带的调节可以通过C1，C2，R1和R2来实现，即输出信号的频率为
，其中R=R1=R2，C=C1=C2。
所以可以通过同步调节R1，R2和C1，C2实现有不同频率的信号的输出。
2.1.3功率放大电路的选择及设计
前置级设计思想：
本次设计要求的电压放大倍数大约是1000到2000，用直接耦合电路很难实现，我们可以通过阻容耦合放大电路来实现。
因为使用阻容耦合放大倍数各级不相互影响，所以很容易得到很大放大倍数。
采用集成运算放大器来实现高增益。
因为集成运放的放大倍数一般在100000以上，所以满足放大倍数很简单。
而且集成运放的的低频特性很好，所以我们可以通过查有关参数来满足低频特性。
但是本实验中对于带宽和增益都有严格的要求，而带宽和增益是成反比的，也就是说带宽越大增益越小。
二者是矛盾的。
但可以通过以下的方案解决。
我们可以选择增益带宽积很大的管子。
这样便可以满足增益和带宽两者的要求。
我们也可以通过选用两个运放来是实现要求。
一个运放是用来满足增益的要求，另外一个是满足带宽的要求。
电路图如图2-1-3
（1）所示
图2-1-3
（1）
输出级设计思想：
本设计采用OCL电路因为它具有以下的优点,失真系数小，相同条见下能承受的功率大，能量转化率高等一系列的优点。
音频放大电路要求保证电路工作稳定,具有抑制零漂和能够向负载提供大功率的能力。
因此本设计选用OCL电路。
要保证电路的稳定，一者要选择好合适的静态工作点，二者要求直流电压源稳定。
要抑制零漂，需要在选择晶体管时特别注意，我们要求输出级两晶体管，在参数上要严格对称。
电路图如图2-1-3
（2）所示：
图2-1-3
（2）
2.1.4滤波器设计
对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是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。
由运放构成的有源滤波器无损耗、成本低、而且前后级滤波器容易耦合。
通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，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）和全通滤波器（APF）。
在本次设计中我们不仅需要频带为10-20KHZ的带通滤波器，还需要一个可滤除50HZ干扰的带阻滤波器。
采用低通-高通级联实现带通滤波器；
在级联上50Hz陷波器就构成了所要设计的滤波器如图2-1-4
（1）所示。
图2-1-4
（1）
图2-1-4
（2）
图2-1-4
（1）中第一级为高通滤波电路（HPF）、第二级为低通滤波电路（LPF）、第三级为50Hz干扰抑制电路。
图2-1-4
（2）就是有名的双T型滤波网络，它是带阻滤波器，图中INPUT点是输入信号处，OUTPUT点是信号的输出处。
通过它可以将50HZ噪声滤除。
2.1.5带有滤波器的功率放大电路设计
综合滤波电路图及功率放大电路图就可得到带有滤波器的功率放大电路。
图2-1-5是一个带有滤波器的功率放大电路。
前置级是一个单级放大电路这样会使电路图较为简单。
图2-1-5
2.2.1直流稳定电源的仿真分析
直流稳压电源的实验要求：
此设计电路主要是将220V,50HZ，电压变化范围+15%到-20%条件下，转化为满足以下条件的直流稳压电源。
①电压可调范围为5到正负15V；
②最大输出电流1.5A；
③电压调整率〈=0.2%
④负载调整率<
=1%
⑤纹波电压（峰-峰）〈=5mV
⑥效率40%
⑦具有过流保护及短路保护功能
直流电压源的仿真分析（transient）图如图2-2-1所示：
图2-2-1
（1）
通过调节滑动变阻器R3、R4可得0～±
5V电压如图2-2-1
（2）所示。
图2-2-1
（2）
由图可知输出电压为+5.0265和—5.0115，基本符合设计要求。
2.2.2信号发生器的仿真分析
信号发生器的性能指标：
此电路主要用来产生满足以下条件的波形：
①输出波形是正弦波；
②输出波形频带是10HZ到200kHZ
③增加稳伏输出功能，当负载变化时，电压变化不大于正负3%。
仿真分析：
当R7分别为1K
、10K
、100K
时的瞬态分析如图2-2-2：
负载电阻为1K时：
图2-2-2
（1）
负载电阻为10K时：
图2-2-2-
（2）
负载电阻为100K时：
图2-2-2（3）
由以上三个图可知曲线幅值基本没有变化说明外加负载R7对此电路没有影响。
2.2.3滤波器的仿真分析
性能要求：
10Hz～20KHz的带通滤波，增益为一，50Hz干扰抑制
频响特性分析如下：
图2-2-3
（1）
图2-2-3
（2）
图2-2-3（3）
由图
（1）知该滤波器对50Hz频波有很好的抑制作用。
由图
（2）知通频带为13Hz～19KHz与设计要求很吻合！
图（3）为没有50Hz陷波器时的带通滤波器。
2.2.4带有滤波器的功率放大电路仿真分析
功率放大电路是存在级间反馈形式的放大电路，又因为它的放大倍数是500以上，满足深度负反馈的条件的，则放大倍数Au=
A》1，又R1=1kohm,R2=820kohm,Au约=1/F;
F=
=
Au=821。
Ⅰ、静态工作点分析如下：
由DC分析可得静态功放输出端对地电压约为0。
Ⅱ、transient分析：
由图知放大倍数约为935倍，与理论计算接近。
2.2.5音频功率放大器整体仿真分析
⑴AC分析：
由图知带宽满足设计要求。
⑵瞬态分析如下：
由瞬态分析图知放大倍数约为582倍，输入电压10mv,据P=
，RL=8欧，P=
=2.1w,符合设计要求
⑶傅里叶分析：
由图知非线性失真系数为0.16﹪基本满足要求。
结论
在独立完成音频功率放大器设计的过程中，我对电路的设计能力有显著提高，尤其是对所学电路知识有了新的认识。
本设计电路简单高效，失真小，选频特性较好，达到了设计目的和要求，但在电路的整个设计过程中存在很多问题：
⑴虽然理论上达到了设计要求，但在实际操作过程中理想与现实总是存在很大差异。
在一些元器件的选择上，性能较好的管子参数很好但性价比较低。
更有一些元件市场上买不到。
应此在电路设计时一定要寻求最优化设计。
⑵在设计电路的每一部分时也有很多问题需要注意：
放大倍数和频带宽度是相互矛盾的，此消彼长。
在使用电容时更要小心因为电容的串联与并联正好与电阻的相反。
如果不多加小心也许会走很多弯路。
⑶在设计电路时考虑到元器件差异，理论与实际的差异及元器件对电路复杂程度的影响和电路的性价比等因素，所以在设计电路时一般都有多于一套的方案及备用元件来更好的完成此次试验。
⑷在做PCB板时也遇到很多问题：
排板不合理，有些元器件需要自己设计封装图，还需要考虑元件散热问题等。
⑸在焊接电路板时需要注意焊接技巧，若不细心则会出现虚焊或焊接不美观，更糟糕的是可能损坏元器件。
总而言之，通过这次小学期设计我相信对我今后学习会有很大帮助！
致谢
在为时一个多月的设计与仿真中，我得到了很多同学的帮助和周润景老师的认真指导，才最终得以完成。
在此特向帮助过我的同学和各位辅导老师致以最诚挚的谢意和忠心的感谢，并特别感谢周润景老师和韩丁老师的孜孜教诲以及任哲坡，高斌，杨峰等同学的热情指导和帮助。
参考文献
主要参考文献：
[1].周润景张丽娜刘印群编著.PROTEUS入门实用教程.北京：
机械工业出版社，2007.9
[2].周润景张丽娜编著.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真.北京：
北京航空航天大学出版社，2006.0
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