毕业设计论文 双声道音频功率放大器.docx
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毕业设计论文双声道音频功率放大器
编号：
毕业设计（论文）说明书
题目：
双声道音频功率放大器
的设计
系（部）：
电子工程系
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究
年6月1日
独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
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本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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摘要
功率放大电路是一种常用的电子电路，它是音响设备中对音频信号进行放大处理的核心部分。
一般来说，功率放大器由前置放大处理电路、后级功率放大电路和电源及各种保护电路（短路保护、过热保护、过载保护、喇叭保护等）几部分组成。
在音响系统中，功率放大电路的输入端连接声源信号或其他音源设备输出的声音信号，后接扬声器负载，对音频信号进行加工处理和不失真放大使之达到一定的功率，然后驱动扬声器发声。
由于其工作在音频区段，所以也叫音频功率放大器。
晶体三极管是新型半导体元器件，由于具有体积小、价格便宜、性能稳定、维修方便、安全系数较高等优点，在电子领域里应用越来越为广泛。
晶体管功率放大器按照工作状态分为甲类（A类）放大、乙类（B类）放大和甲乙类（AB类）放大器三种。
甲乙类音频功率放大器工作在线性区，因其技术成熟、音频性能优异、应用简单、价格低等优势，一直在家用功放市场中占据主流。
该音频功放以全互补推挽式功率放大电路进行功率放大，在保证了放大效率的同时，有效地解决了乙类音频功率放大器的交越失真严重的问题。
双声道音频功率放大电路广泛应用于高性能的家庭影院、多媒体、音响系统等电子系统中。
因此，利用模拟电子技术与数字电子技术相结合的优势，研究并设计出一种性价比高、性能稳定和音质好的双声道音频功率放大器具有重要的意义。
关键词：
功率放大电路；保护电路；音响系统；双声道
Abstract
Audiopoweramplifiercircuitisakindofelectroniccircuitwhichisverycommonlyused.Itisthecorepartoftheaudioequipmentthatusedforamplifytheaudiosignals.Generallyspeaking,poweramplifierwas composedbypreprocessamplifiercircuit,postpoweramplifiercircuit,powersourceandotherprotectcircuit（shortcircuitprotection, overcurrentprotection,theloadvoltageprotection,speakerprotection）.Intheaudiosystems,audiopoweramplifiercircuit’sinputisconnecttothesoundsignalsorotherfromtheaudioequipments.It’soutputconnectstothespeakerload,processingandundistortedamplifyingtheaudiosignalreach toahigherpower,thendrivingthespeakertovoice.Because ofitwasworkedintheaudiosection,sowealsocallitaudiopoweramplifier.Thetransistorisanewtypeofsemiconductorcomponents,becauseofitssmall,cheap,stableperformance,easymaintenance,highsafetyfactor,ithasbeenmoreandmorewidelyusedinthefieldofelectronics.Accordingtoit’sworkingstates,thetransistorpoweramplifiercanbedividedintothreekinds:
classAamplifier,classBamplifierandclassABamplifier.ClassABaudiopoweramplifieroperatinginthelinearregion,becauseofitsmaturetechnology,audioperformance,theapplicationofasimple,lowpriceadvantage,hasbecomethemainstreaminhouseholdpoweramplifiermarket.Theaudioamplifiertothecomplementarypush-pullpoweramplifyingcircuitforpoweramplification,toensuretheamplifyefficiencyandsolvetheseriouscrossoverdistortionproblemoftheclassBamplifiereffectively.
Dual channelaudiopoweramplifieriswidelyusedinhighperformance home theaters,multimedias,audio systems andotherinstrumentsystems.Consequently,ifwecantakeadvantageofcombinetheanalog electronic technologywiththedigital electronictechnology,studyanddesignacost-effectiveandstable performancesdualchannelaudio poweramplifierofgoodsoundswould besignificant.
Keywords:
audiopoweramplifier;protectcircuit；audiosystems;dual channel
引言
当今时代，随着经济社会的不断发展和人们生活水平普遍提高，越来越多的家庭式音影设备以及带有音频输出的便携式电子设备被设计和开发，逐渐普及到人们的日常生活当中。
如MP3/MP4、手机、平板电脑、扩音器、家庭音响、汽车音响等等，人们的生活已经逐渐离不开与音频相关的产品。
而在这些电子产品当中，功率放大器电路的应用十分广泛和重要。
生活当中人们越来越注重视觉和音质上的享受，在大多数的情况下，进一步增强音频系统的性能，如音响的音质，是促进消费者购买相应产品的一个重要因素。
因此，在当前已有的音响技术基础上，利用模拟电子技术与数字电子技术相结合的优势，研究并设计出一款性价比高、性能稳定、功能多和音质好的双声道音频功率放大器具有广泛的应用前景和实用价值等重要意义。
本设计主题双声道音频功率放大器主要包含前级音频电压放大及调音（音量、高音、低音、平衡）、后级功率放大、电源模块及喇叭保护电路。
前置放大电路应用了芯片TL082高速双运算放大器，其特点是输入偏置电压和偏移电流较低，内部设有输出短路保护，输入级的输入阻抗较高。
后级功率放大电路应用了晶体管互补对称推挽电路，采用了大功率三极管C5200和A1943作输出，使得输出功率足够大。
喇叭保护电路使用了DC24V欧姆龙继电器，上电延时3秒吸合，关机瞬断，中点直流保护，起控电压约为0.7V。
1功率放大器概述
1.1功率放大器的定义
功率放大器简称为“功放”，是指在给定失真率的条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。
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。
1.2功率放大器的分类
（1）按功率管的工作状态分类
①甲类（A类）功率放大器
甲类功放的工作点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。
放大器可以单管工作，也可以推挽式工作。
因为该类放大器工作在特性曲线的线性范围之内，所以其瞬态失真和交替失真较小。
甲类功放的电路相对简单，调试比较方便，但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅为50％，且具有较大的非线性失真，因此这类功放目前在音响电路的设计中基本已经不再使用。
②乙类（B类）功率放大器
乙类功放的输出功率管只导通半个周期，另外半个周期截止。
即正半周由一个管子工作，负半周则由另外一个管子负责工作，如此在输出端两边相互合成一个与输入波形相同的完整的波形，去驱动扬声器系统发声。
同一个输入信号经过两路分别进行放大是乙类放大器的特征，它的输出功率大，效率较高，但失真也比较大，所以此类音频功率放大器不适宜在一些音质要求较高的场合使用。
③甲乙类（AB类）功率放大器
甲乙类功放介于甲类和乙类之间，其功率输出管的导通时间大于半个周期而又小于一个完整周期，必须使用两管推挽式工作。
甲乙类放大器的优点是有效地解决了乙类放大器交越失真较大的问题，其效率又高于甲类放大器，因此在功放的设计中此类功率放大器的应用较为广泛。
（2）按放大器所用的器件分类
①电子管功率放大器
电子管功率放大器具有独特的音色，受到一些音乐发烧友的喜爱，但此类放大器的制作成本高，体积大，耗电量也大。
②晶体管功率放大器
晶体管功放的动态大、速度快，特别适宜于表现一些动态较大的音乐，为家庭影院等媒体场所的首选。
③集成电路功率放大器
集成电路功率放大器的特点是体积小，工作稳定，易于安装与调试。
1.3功率放大器的主要性能指标
（1）输出功率
指功率放大器的额定输出功率，此项指标的比较必须是在限定的总谐波失真下，评价功率放大器的输出功率才有意义。
当功率放大器产生额定的总谐波失真之时，在其额定的负载阻抗RL上所产生的功率即为“失真限制输出功率”，也就是我们所说的输出功率。
（2）频率响应
反应了功率放大器对不同信号所表现的放大能力的一个物理量，它反映了该放大器的频率失真大小。
该指标可以用来量度一台功率放大器在给定的频段之内，对不同频率所表现的放大性能，实际上也就是测量该放大器对高频、中频、低频，各个频率信号的放大倍数是否均匀相当。
一个理想的功率放大器的频率特性曲线应该是平直的，通常从20Hz~20KHz的均匀性在±0.5dB以内。
对于某个功率放大器的频率响应指标，应该在表明频率范围的同时指出其增益的范围限制值。
若规定的频率范围带非常宽，但其增益的偏差却远远超过了规定的增益限制值，那么此宽频带也就没有了意义。
（3）总谐波失真（THD）
放大器的非线性会使音频信号产生许多新的谐波成分，引起谐波失真。
导致失真产生的原因是放大器管子的非线性以及其静态工作点的位置不合适和信号较大。
一个功率放大器的输出功率大小不同，其总谐波的失真也不同。
该失真是指功率放大器的输入端输入信号与输出端所测得信号的波形不完全一致，如此该音频信号就失去了其原有的音色。
失真分为非线性失真与线性失真两种，一个优质的功率放大器，其失真度一般来说要控制在0.1%或者更低。
（4）信噪比（S/N）
噪声主要由晶体管（电子管）和电阻等元件产生，输出信号的电压与同时输出的噪声信号电压的比值称为信噪比。
信噪比要足够大，它是音频系统中的一项重要指标。
信噪比越大，则说明混杂在信号当中的噪声也就越小，最终输出的音频信号的音质就越好，高质量的功率放大器的信噪比一般都在100dB以上。
信噪比的测量结果与被测信号和功率放大器的工作状态、检测前滤波器类型及通带宽度、源电阻等因素有关。
2设计内容要求及技术指标
2.1设计内容要求
广泛查阅和收集资料，了解当前已有的音频功率放大器的工作原理。
认真学习以下内容：
甲乙类功率放大器的工作原理；大功率晶体管的互补推挽电路设计及具体运用；喇叭保护电路的设计及具体运用；前级调音（高音、低音、平衡）电路的设计及具体运用；功放电源电路的设计及具体应用等相关知识。
综合运用所学的模拟电子技术、数字逻辑电路、C语言、单片机原理及应用等专业知识，设计并制作一个双声道音频功率放大器及所用的直流稳压电源，功放部分只能采用分立元件、运放。
2.2技术指标
要求所设计的双声道音频功率放大器满足以下的要求：
（1）最大不失真输出功率POR≥30W，在POR下的效率≥50%；（失真度小于5%）。
（2）带宽BW≥（40～20000）Hz；（功放部分）。
（3）在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声VPP≤100mV。
（4）前置放大器具有低音、高音、平衡和音量调节功能。
（5）制作两路音源选择电路，用一只轻触开关来实现音源的转换，并具有音源选择指示功能。
（6）将所制作的功放板装入机箱。
3系统设计
3.1总体方案设计
本设计应用了甲乙类（AB类）功率放大器的工作原理，采用了晶体管功率放大电路来对功率进行放大。
根据设计的任务要求，所设计的双声道音频功率放大器带有低音、高音、平衡和音量的调节功能，因此需要设计相应的前级调音电压放大电路；要求制作功率放大器所用的直流稳压电源，因此需要设计电源转换电路；功率放大器必须通过功率放大电路来进行信号的功率放大，因此需设计后级双通道功率放大电路。
经过前期查阅资料与整体方案分析后，本设计拟分为三个模块来实现：
前级调音和电压放大模块、电源及喇叭保护模块、后级功率放大模块（两块电路板，分别为左声道和右声道）。
电路板制作时先完成一个模块的制作，测试成功能够正常使用时才进行下一模块电路板的设计和制作，待每个模块都测试完成时，再把各个模块电路板进行级联整体调试，测量输出功率和频率响应等数据，分析数据正常后再连接音箱进行最终测试。
3.2系统整体框图
图3-1整体设计系统框图
4各模块电路分析
4.1前级调音模块
前级调音电路的原理图如图4-1所示。
电路中设置了三路输入输出端口，一路用来连接变压器供电，另一路用来安装音频接口后外接音源信号，还有一路作为调音后的音频信号输出，此路输出之后分为两路信号分别供给后级功率放大电路的左右声道。
4.1.1稳压模块电路
前级电路中设计中使用了三端集成稳压管L7806CN，设计了一个稳压模块电路。
三端集成稳压管L7806CN的引脚排列如图4-2所示。
通过稳压模块来控制电路中的电压保持在一定的值，以起到保护电路的作用。
稳压模块与变压器的连接之间采用的两个电阻R1、R2均选择购买功率较大（1W）的电阻，避免电流较大时烧坏。
7.5V的稳压二极管D6是肖特基稳压二极管，它的正向导通压降为0.4V左右，整流电流可达几千安培，反向恢复时间极短。
稳压二极管D6的作用是稳定电路的电压，保证电路输出的电路不能过大。
该模块电路采用了桥式全波整流，电容C1、C2（220uF/25V）为滤波电容。
输入电压经过滤波电容滤波后，6V电压转变为大约8.5V，然后经过稳压压降后电压降到6V左右为前级电路供电。
前级电路中的稳压模块电路原理图如图4-3所示。
4.1.2音量调节电路
本电路中使用了三个50KΩ的双联可调电位器和一个100KΩ的单联可调电位器分别实现音量、高音、低音和平衡的调节。
音量调节电路用来控制前级电路输出到后级功率放大电路信号的电压大小，从而来控制喇叭放出音频声音的大小。
一般来说音量调节电路主要分为衰减式音量调节电路和电子式音量调节电路这两种。
本次设计采用了相对简单和易于制作的衰减式音量调节电路，通过可调电位器连入电路电阻的大小来分压，改变电流的大小。
电路中RP1为音量调节电位器，其1脚和4脚分别连接音频输入信号，2脚和5脚接地，3脚和6脚分别接双运算放大器的两个输入端。
通过可调电位器来调节音量的信号电压变化计算方法如式4-1所示（Vo为输入信号电压，Vi为输出电压，Rpab为电位器线圈总电阻，Rpcb为电路中未连入电路的线圈电阻）。
Vi=（Rpcb/Rpab）×Vo（式4-1）
图4-4两路音量调节电路图
4.1.3平衡调节
通过对音频信号的高低音平衡调节可以改变音箱喇叭播放出的声音的音调。
该功能通过使用一个单联可调电位器R23来实现控制，使R23的三脚接地，1脚和2脚分别连接两路信号的输出，调节电位器的可调旋钮，可以根据个人对音质的要求实现对左右声道音频信号的平衡调节。
平衡调节电路原理如图4-5所示。
4.1.4高音、低音调节电路
高音、低音的增益和衰减调节称为音调的调节。
音调调节电路的作用是通过调节对音频信号的不同频段进行增益或衰减，以弥补听音环境自带的缺陷，和对不同形式的音频进行改良，来满足听音者的听觉需要。
本设计采用了衰减式音调调节控制电路，通过利用电容和电阻之间相串、并联所具有的选频特性来对音频信号的不同频段进行增益和衰减。
电路中所使用到的无极性电容全部采用独石电容来安装。
因为独石电容的温度特性和频率特性好，一般电容随着频率的上升，电容量呈现下降的规律，独石电容下降比较少，容量比较稳定。
电路中高音调节控制通过调节可调电位器RP2来实现高音的增益和衰减；低音控制通过调节可调电位器RP3来实现低音的增益和衰减。
4.1.5高速双运算放大器
前级调音电路中应用了TL082CN高速双运算放大器来对音频输入信号进行电压放大。
其特点有：
较低的输入偏置电压和偏移电流；输出设有短路保护；输入级具有较高的输入阻抗；内置频率补偿电路；压摆率较高。
TL082CN双运算放大器芯片内部引脚结构如图4-6所示。
TL082CN双运算放大器的引脚功能如表4-1所列。
表4-1TL082CN引脚功能列表
引脚号
引脚名
功能
引脚号
引脚名
功能
1
Output1
输出1
5
Non-invertinginput2
正向输出1
2
Invertinginput1
反向输出1
6
Invertinginput2
反向输出1
3
Non-invertinginput1
正向输出1
7
Output2
输出2
4
-Vcc
电源-
8
+Vcc
电源+
TL082CN高速双运算放大器常用于音响前置放大电路，其典型应用电路如图4-7所示。
4.2电源及喇叭保护模块
4.2.1直流稳压电源模块
小功率直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路四部分组成。
根据任务要求，本次任务设计了直流稳压电源转换模块来实现把变压器接220V交流电后输出的±28V交流电流转化为直流电流来给后级放大电路提供±40V的直流电压，并且分出一路电压给喇叭保护电路供电，以保证这些电路的正常工作。
其中，电源变压器选用的是环形变压器“环牛”，其标称功率为300W，额定运行功率约为200W，经过变压后输出交流电压有±6V、±12V、±28V这几组，设计中选用了±28V这一路电压。
该电路使用了桥式整流器GBJ2510，其规格和管脚示意图如图4-8所示。
GBJ2510整流器的特性是反向漏电流较低，电压峰值反向最大值（也称耐压）为1000V。
反向重复峰值电压指电力二极管能够重复施加的反向最高峰值电压，通常是反向击穿电压的2/3。
桥式整流器的作用是能够通过二极管的单向导通特性将电平在零点上下浮动的交流电流转化成单向的直流电流，即利用具有单向导电性能的整流元器件，将输入的正负交替的正弦交流电压变成单向的全波脉动电压。
当人们想要把交流电转变为直流电时就常常需要使用此电路。
利用桥式整流器设计的桥式整流电路如图4-9所示。
4.2.2喇叭保护电路
喇叭保护电路围绕着继电器日本进口欧姆龙G2R-2（DC24V）来设计电路。
上电延时大约3秒继电器开始吸合，断电时继电器电路瞬断，中点电流直流保护，起控电压约为0.7V。
电路设计了一个发光二极管LED3（RED）作为电路状态指示灯。
上电大约3秒过后当继电器吸合此指示灯闪烁一下，然后保持熄灭状态。
当功放输出电流异常时继电器会产生不断吸合的跳动，此时此状态指示灯闪烁，该指示灯能够很好地指示功放的工作状态。
继电器是一种电路控制器件。
它的内部控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间具有相互互动的关系。
通常继电器普遍应用于自动化控制电路之中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
在电路中起着调节、安全保护和转换电路等作用。
图4-10中通向二极管D1、D2（IN4007）这一路采用的是全波式整流，输入经电容C11（100uF/50V）进行低频滤波，给喇叭保护电路提供一个合适的电压。
电源输入的电压越大，此电容C11的取值应越小，经过IN4007整流后与C11滤波电压越小，这样将电压降低一些再给欧姆龙继电器供电。
电路中桥式整流电路部分使用的滤波电容采用了串联的连接方法，将中点相互连接后接地作为一个电压参考点。
采用这种连接方法的电源模块电路称为正负对称式供电电源。
电源及喇叭保护电路整体电路图如图4-10所示。
4.3后级功率放大电路模块
由于后级左右声道的功率放大原理相同，因此本次设计中按照后级功率放大电路原理图制作了两块原理相同的电路板，分别作为左声道功率放大和右声道功率放大。
电路中大功率晶体管Q7（C5200）和Q8（A1943）组成电流放大级，Q5（C5171NPN）和Q13（A1930PNP）作为推动管分别作用于大功率晶体管C5200和A1943起到推挽的作用。
A1943的引脚及尺寸如图4-11所示。
功率放大电路中所用的大功率晶体管C5200引脚序列如图4-12所示，其外包装规格尺寸大小如图4-13所示。
此电路采用的推挽方式为甲乙类推挽，它是在乙类推挽功率放大器的基础上改进而来，在保证较高效率的同时有效地克服了乙类推挽放大器的严重交越失真。
交越失真的定义是：
在分析电路时把三极管的导通电压看为零，当输入的电压较低时，因为三极管的截止而产生的失真称之为交越失真。
这种失真通常出现在通过零值处。
与一般的放大电路相同，消除交越失真的方法是设置合适的静态工作点，使三极管在静态时处于微导通状态。
电路图中Q3、Q4（BD139）为温补管，起到温度补偿的作用。
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