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音频功率放大器

一.设计说明

设计并制作一台音频功率放大器。

设计要求

1、基本要求

（1）自制稳压电源。

（2）频带范围200Hz——10KHz，失真度<3%。

（3）电压增益>=20dB。

（4）输出功率>=5W（8欧姆负载）。

（5）功率放大电路部分使用分立元件设计。

2、发挥部分

（1）增加音调控制电路。

（2）增加话筒输入接口，灵敏度5mV，输入阻抗>>20欧姆。

（3）输出功率>=20W（4欧姆负载）。

（4）其他。

二.设计过程

1.拟定总体方案：

甲类功放的主要优点就是电路简单易行，非线性失真小，适用于小功率的线性音频放大器，现在甲类功放主要用在高档功放产品中。

而乙类功放与甲类功放最主要的不同点就是静态电流小，因此无信号时消耗功率小，可获得较高的效率；但是，乙类功放在工作时，由于两只晶体管交替导通与截止，因而，在两管输出信号波形的衔接处，会产生交越失真；而且功放管在从反偏到零偏再转为正偏转换时，随着信号频率升高，输出信号就会在时间上延迟，出现所谓的开关转换失真。

因此，在实际Hi-Fi高保真放音系统中，一般不采用乙类功放，而采用线性失真小的甲类功放或甲乙类功放。

甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。

而且甲乙类功放的效率可达到78.5%，故本次设计采用甲乙类功放。

通过对设计要求和设计方案的分析，本课题觉得采用LM324作为功率放大器。

图1系统组成框图

确定各级的增益分配

因为采用的集成芯片LM324，其输出功率为20W，则负载上的电压：

为

1/2

Ul=（R*P）=10V

又话筒输入为5mV，则整个电路的增益为20lg（10/0.005）=66dB。

考虑到音调级必要的衰减，增益为－2dB左右。

所以取整个电路的增益为68dB。

则各级的增益如下：

*功放级：

35倍

*音调控制级：

0.8倍（-2dB）

*混合放大级：

6倍

*前置放大级：

8.5倍

2.单元电路的设计

（1）前置放大级

①电路形式的选择

由于信号远输入的信号幅度较小。

不足以推动以后的功放电路。

因此要用电压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大

图2前置放大器电路图

②集成运放的选择

因为Auf2=160，根据通频带20HZ–20KHZ，其上线频率为20KHZ，则集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系：

GB≥Auf2fh=180*20KHZ=3.2MHZ

从运放的资料手册中可查出LM324的单位放大倍数带宽GB=4MHZ，满足要求。

（2）混合放大级

根据放大倍数的分配要求，而话筒放大后的输出已达到42mv,再放大6倍就能满足要求，录音机的输入为100mv,再放大2倍就达到要求，所以取R5=60K,R9=10K,R4=30K,可使话筒与录音机的输出经混放级后输出相等，电路如图：

（3）音调控制级

音调控制器主要是控制，调节音响放大器的幅频特性，他只对低频与高频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。

因此，音调控制器的电路可以由低通滤波器和高通滤波器构成。

由运算放大器构成的音调控制器，电路调节简单，元器件少，因此，我们选用这种电路形式。

图3音调控制级电路图

图中，电位器

用来调节音量的大小，即为音量控制电路。

设电容C31=C32>>C33，在中，底音频区，C33可视为开路，在中，高音频区，C31，C32可视为短路。

工作状态及元件参数计算：

第一：

低频时的情况（C2可视为开路，运放的反向输入端视为虚地，R4的影响可不计）：

低频提升（RP1最小）与衰减（RP1最大）

增益为：

A（jω）=

=-[（RP31+R32）/R31]*[1+（jω）/ω2]/[1+（jω）/ω1]

式中：

ω1=1/（RP31*C32），ω2=（RP31+R32）/（RP31*R32*C32）

当f

AVL=（RP31+R32）/R31

在f=fL1时，因为fL2=10fL1，故可得

AV1=（RP31+R32）/

R31

此时，电压增益AV1相对于AVL下降了3dB。

在f=fL1时，可得AV1=[（RP31+R32）/R31]*（

/10）=0.14AVL

此时，电压增益AV2相对于AVL下降了17dB。

同理可得低频衰减的相应表达式。

第二：

高频提升与衰减：

电阻关系式为：

Ra=R31+R31+（R31R31/R32）

Rb=R34+R32+（R34R32/R31）

Rc=R31+R32+（R32R31/R34）

若取R31=R32=R34，则上式为：

Ra=Rb=Rc=3R32=3R34

增益函数表达式为：

A=V0/vi

f=fh1时，

视为开路，电压增益AV0=1（0dB）。

在f=fH1时

AV3=

AV0

此时电压增益AV3相对于AV0高3dB。

在f=fH2时，

AV4=

AV0

此时电压增益AV4相对于AV0提高了17dB。

当f=fh2时，

视为端路，此时电压增益

AVH=（Ra+R33）∕R33

同理可以得图示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。

其中，R31，R32，RP31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽视。

但也不能太小，否则流过它们的电流将超过运放的输出能力。

通常取几千欧姆至几百千欧姆。

现取RP31=470KΩ，则

AVL=（RP31+R32）/R31=11（20.8dB）

C32=1/（2*3.14*RP31*fh1）=0.008uf取标称值0.01uf

即取R34=R31=R32=47K，则

Ra=R34=141k

R=Ra/10=14.1k取标称值13k

C33=1/（2*3.14*RP33*fh2）=0.008uf，取标称值470PF

取RP32=RP31=470K，RP3=10K，级间耦合电容C34=C33=10UF

（3）功率放大级

电路形式的选择:

芯片选用UA741，能满足本课题的设计要求,故本设计采用单片UA741。

如果要把输出功率提高到20W，可选择BTL电路，按照如下方法进行设计:

BTL电路它是在OTL电路和OCL电路的基础上发展起来的新型功率放大电路，其工作原理如下：

BTL电路属于双端推挽放大电路，它由四管组成电桥电路，图中对角管同时导通，互为推挽。

负载上输出正负半周波形。

三.直流稳压电源的设计

1、工作原理

市电U1经过变压器降压后得到交流电压U2，交流电压U2经过单项桥式整流电路后获得直流电压U，为了不使电路中产生电压突变的情况，还要经过滤波电路，把电容和负载电阻并联以便吸收脉动电流，并使输出电压保持平稳，经过整流滤波电路之后的输出电压的我们所求的直流电源还有相当规模的距离，为了能够更加稳定直流电源，我们在整流滤波电路后还要经稳压电路稳压，这样应得到了我们所要求的直流电压。

其电路图如图：

输入电容C3、C2用于抑制纹波电压，输出电容C4、C5用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。

同时由于输出电容C4C5的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器。

其整流过程如下：

四.心得体会

电子线路课程设计与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示，不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。

例如在硬件制作，电路板的焊接上慢慢元件连接起来的时候，当然在制作的过程中也碰到了很多困难，回头看看，不禁感慨众多，平时的学习一定要非常扎实，还要多动手，那样才能把所学的东西理解得更透彻，作为一个工科学生，必需把理论和实践结合起来。

参考文献：

谢自美:

《电子线路设计实验测试》华中科技大学出版社

童诗白，华成英:

《模拟电子技术基础》高等教育出版社.

陈伟鑫:

《新型实用电路精选指南》电子工业出版社

刘祖刚：

《模拟电路分析与设计基础》机械工业出版社