一种简单而实用电子分频音频放大电路设计.docx
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一种简单而实用电子分频音频放大电路设计
电子分频音频放大电路设计
1、概述
在现代人类社会的生产活动中，经常需要将各种声音信号转换为电信号，然后进行储存、放大后再输出。
音频是指人耳能够感知的声音频率范围，电子分频是指对人能感知的声音频率分别进行低中高音的放大。
音频功率放大则是指音频电信号被放大以后，还要能够有足够大的功率去推动扬声器或耳机等负载，重新将电信号转换为声音输出。
人耳所能感知到得声音频率范围大约为20Hz到20kHz，而人的语音频率范围则大约集中在80Hz到12kHz之间，因此在电子分频电路中将主要放大此部分音频，考虑到现在市场音响的供应基本为二扬声器音箱，因此此电子分频设计将包含低通滤波放大和带通滤波放大，低通为300Hz，带通为300Hz~20kHz，超出此频率范围的信号不给予考虑。
另外，人耳对声音的感知有两个重要的特点：
1、人耳对声音强度的感知是对数性的，而不是线性的，这一特点能够保证人耳既能听到及极其细微的声音，也能承受巨大的声响。
2、人耳对声音频率的感知也是对属性的，这一特点能够保证人耳对声音频率的感知也有一个足够宽广的范围。
2、电路设计整体方案
2.1电源电路设计
电源电压由市电220V输入，220V电压经过变压器转换为所需电压，变压器输出经过全桥整流输出直流分量，直流分量通过稳压管从而输出所需直流分量。
2.2电子分频音频放大电路设计
音频信号首先通过前级放大器进行初步放大，然后再用低通滤波器和高通滤波器对信号进行分频，使用功率放大电路对滤波后的信号进一步放大，从而推动扬声器，实现声音信号到电信号再到放大后的声音信号的输出。
系统的原理框图如下：
3电路结构分析与设计
3.1直流电源分析与设计
在直流电源的设计中，为了降直流电压源的脉动成分以及提高音质和保真度，本实验的设计中专门增加了线性稳压电路，具有较大的输出功率，由三端集成稳压器构成，专门提供给音频放大电路中的功率放大部分使用。
3.2全桥整流电路
从上面可以看到，220V的交流电源经变压器降压后，由全桥整流电路输出直流，再由稳压电路输出稳定的直流，提供给放大电路使用。
在设计中，音频放大电路部分需要对称的双电源，因此必须选择次级有三端抽头（双绕组）的变压器，如图2（a）所示，经全桥电路整流和电容C1至C4滤波后，输出对称的正负电源（图2中电路节点标记为DC＋和DC－）。
如图2（b）所示，线性直流稳压电源采用一只7815和一只7915的三段集成稳压器，此稳压器有三端，分别接输入电源（Vin），地（GND），另一个端口输出，按规定连接，就可以产生＋15V和－15V的稳压电源输出。
图中电容C5至C8也是滤波电容，一般由一只容量较大的电解电容和一只容量较小的无极性电容构成，起蓄能和稳压的作用。
从理论上来说，这些电容的容量越大，则电源的稳定质量越好，但成本也会越高，因此其容量的选择是按照输出电流来确定的，在工程设计中，一般根据经验选取。
之所以要用两只电容并联的方法，在于电解电容的容量可以做得很大，但是高频特性差，滤除不了高频纹波信号；而无极性电容的容量虽然难以做大，但是高频特性较好，并联上去后可以增强电路的高频滤波特性。
3.3元件参数选取的说明
1、由于一般多媒体音箱的输出功率为10－20W，所以本设计采用输出功率为30VA，输出电压（有效值Vrms）为12V的双绕组变压器。
电路的主要功耗在音频放大电路中的功率放大部分，本实验中功率放大器选择TDA2030，当供电为±15V时，该集成块的最大输出功率约12W（具体输出功率和负载扬声器的阻抗相关，左右两声道共24W），再考虑到效率，30VA的变压器基本能够满足需要。
2、变压器输出的交流有效值为12V，因此经全桥整流电路后产生的直流电压为：
（即图2中的DC＋和DC－）。
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：
=300Hz
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
测试条件：
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
f（Hz）
280
300
330
380
400
420
450
470
500
550
600
650
700
Uo（V）
22.2
22.6
22.8
23.4
23.6
24.0
23.6
23.2
22.8
22.4
21.6
20.8
19.2
f（Hz）
850
900
1k
1.5k
2k
3k
4k
5k
Uo（V）
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；Ui=332Mv
f（Hz）
200
250
300
350
400
430
470
500
530
560
600
640
670
Uo（V）
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
f（Hz）
700
740
780
820
860
900
940
980
1020
1060
1100
1140
1180
Uo（V）
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
f（Hz）
1220
1260
1300
1340
1380
1420
1460
1500
1540
1580
1620
1660
1700
Uo（V）
18.2
18.2
18.6
18.6
19.0
19.2
19.4
19.4
19.4
19.6
19.6
19.8
20.0
f（Hz）
1740
1780
1882
1860
1900
1940
1980
2020
2060
2100
2140
2180
2220
Uo（V）
20.0
20.2
20.2
20.2
20.6
20.6
20.6
20.6
20.6
20.8
20.8
20.8
20.8
f（Hz）
2260
2.3k
2.4k
2.5k
2.6k
2.7k
2.8k
2.9k
3k
3.1k
3.2k
3.3k
3.4k
Uo（V）
21.0
21.0
21.0
21.0
21.0
21.0
21.0
20.8
20.8
20.8
20.6
20.6
20.6
f（Hz）
3.5k
3.6k
3.7k
3.8k
4k
4.2k
4.5k
5k
6k
7k
8k
10k
12k
Uo（V）
20.6
20.2
20.2
20.2
19.6
18.6
18
16.4
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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