音频功率放大器设计方案与制作.docx

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音频功率放大器设计方案与制作

毕业设计论文

课题名称：

音频小信号功率放大电路设计与制作

学生姓名欧大连

学号**********

学院<系）机械与电子工程学院

专业应用电子技术

班级10应电<2）班

指导教师陈明芳

起讫时间：

2018年11月14日～2018年01月06日

音频小信号功率放大电路设计与制作

摘要

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

本设计主要描述了音频功率放大器的设计思路，硬件电路的调试过程及测试结果。

本设计采用OTL功率放大电路用于音频信号的放大，是本电路设计的重要组成部分。

OTL功放电路由于它不需要变压器就减少了体积和信号的失真。

本设计主要由前级电路和功率放大电路两部分组成，前级电路用于音频信号的一级放大，功率放大电路用于音频信号的二级放大，保证信号有足够的功率可以从扬声器输出。

关键词：

OTL功率放大电路；前级电路；音频功率放大器；音频信号

第1章绪论

1.1引言

随着社会和技术的不断发展，音频功率放大器已经达到一个成熟的阶段。

音频功率放大器简称音频功放，它主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等，给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。

利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压>是原先的β倍的大信号，这现象称为三极管的放大作用。

经过不断的电流放大，就完成了功率放大。

常见的功率放大器工作方式有以下几种：

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。

　　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：

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。

　　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。

　　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<脉冲宽度调制>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。

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。

音频功率放大器的出现让我们的生活充满了活力与色彩，它是音响技术领域无法或缺的一部分。

有了它，把我们带进了电子产品的有声世界。

1.2音频功率放大器的发展

回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情。

音频功率放大器的应用主要是音响技术领域。

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如"威廉逊"放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低。

至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。

由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。

晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员—集成电路。

到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。

由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD<0.01%<100kHz时）的特点，很快在音响界流行。

现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。

80年代,数字功放成为了新一代的宠儿。

1.3本课题设计意义

随着电子技术的迅速发展，音频小信号功率放大器的用途也越来越广泛。

许多电子产品都要用到音频功率放大器，诸如音响、电视机、收音机等，均要求放大电路的末级有足够的功率去推动扬声器<喇叭）音圈振动发出声音。

这种用于向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

音频功率放大器的作用是将微弱的声音电信号放大为功率或幅度足够大、且与原来信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。

音频功率放大器应用最广的是音响技术领域，用于扬声器的发声，是音响设计与制作中必不可少的一部分。

本设计音频功率放大器是如今使用非常广泛的一类器件，为电子产品的发声提供了许多的解决方案。

本文设计的是一种音频小信号功率放大器，设计中采用了OTL功放作为本课题的主要组成部分，通过前级放大电路与音频功率放大电路的结合，利用两次放大，从而实现音频信号的输出。

本设计制作的基本技术指标要求：

<1）当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8Ω电阻负载<一端接地）上，输出功率≥8w，输出波形无明显失真。

<2）通频带为20Hz~150kHz。

<3）输入电阻为600Ω。

<4）尽可能提高功率放大器的整机效率。

本设计音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。

前级放大主要完成对小信号的放大，使用一个由电阻和电容组成的电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。

后一级主要是对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。

本设计用到了两个晶体管：

NPN、PNP各一支；两管特性一致。

组成互补对称式射极输出器。

还用到了OTL功率放大器，这些是本设计的核心部分。

新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频功率放大器同样也不会例外。

在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现。

第2章系统总体设计方案

2.1设计要求

2.1.1设计依据

<1）与电子电路设计有关的国家和行业法规、技术标准与规范等；

<2）本音频功率放大器设计任务书要求的技术范围。

2.1.2基本要求

<1）当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8Ω电阻负载<一端接地）上，输出功率≥8w，输出波形无明显失真。

<2）通频带为20Hz~150kHz。

<3）输入电阻为600Ω。

<4）尽可能提高功率放大器的整机效率。

2.2设计思路

本课题要求设计并制作一个音频功率放大器，要求当输入正弦信号电压有效值为5mv时，在8Ω电阻负载上，输出功率要大于等于8w，输出波形无明显的失真；通频带在20Hz到150kHz之间；输入电阻要求为600Ω；尽可能的提高功率放大器的整机工作效率。

根据这些要求，本设计最好采用二级放大来实现音频信号的输出。

前级放大主要作用于电压信号的放大，二级放大主要作用于功率的放大。

这样的设计能保证音频信号有足够的功率能从扬声器输出。

本课题要求设计一种音频功率放大器，在8Ω电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波。

设计中采用分立元件组成音频功率放大器，采用三极管构成一级放大电路，利用NPN和PNP管构成二级放大电路，采用滑动变阻器改变输入电压。

2.3整体框图

本设计主要通过输入信号源，在一级电路将音频信号的电压放大后，传给二级电路进行音频信号功率的放大，最后通过扬声器输出。

本设计要求在8Ω电阻负载上输出波形为无明显失真的正弦波，当输入正弦信号电压有效值为5mv时，输出功率≥8w，尽可能提高功率放大器的整机效率。

电路通过改变滑动变阻器的阻值来调节电压，使输出功率随着电压的变化而变化，从而达到本设计的设计指标。

系统整体设计框图如图1-1所示。

图2-1系统整体设计框图示意图

2.4前级放大设计方案比较与论证

2.4.1方案一

用LM386组成的OTL功放电路如图1-2所示，信号从③脚同相输入端输入，从⑤脚经耦合电容<220μF）输出。

图1-3为LM386芯片的管脚图，⑦脚可以接电容，作用是作为去耦滤波电容。

①脚与⑧脚之间可以接电阻、电容用于调节电路的闭环电压增益。

①脚与⑧脚之间接滑动变阻器的话，可以通过改变电阻值，使集成功放的电压放大倍数发生变化。

R值越小，电压增益越大。

当需要高增益时，可取变阻器阻值=0。

图1-2输出端⑤脚所接10Ω电阻和47nF电容组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。

图2-2LM386构成的音频功率放大器

图2-3LM386管脚图

方案一电路的优点：

LM386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，应用广泛，大大减少了分立元件的使用，供电电压要求比较低，4~12V都可以驱动。

方案一电路的缺点：

使用LM386集成块之后，设计要求无法达到，不能通过二级放大来实现音频信号的输出，可调范围减小，整机效率都可能小降。

2.4.2方案二采NE5532运算放大器作为前级放大

NE5532中文资料（引脚图,特点及电气参数介绍>

NE5532功能特点简介:

NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。

相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。

这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。

如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。

NE5532特点：

•小信号带宽：

10MHZ

 •输出驱动能力：

600Ω，10V有效值

 •输入噪声电压：

5nV/√Hz（典型值>

 •直流电压增益：

50000

 •交流电压增益：

2200-10KHZ

 •功率带宽：

140KHZ

 •转换速率：

9V/μs

 •大的电源电压范围：

±3V-±20V

 •单位增益补偿

NE5532引脚图：

                   图1  NE55328脚引脚图           图2  NE553216脚封装引脚功能图

NE5532内部原理图:

                                                      图35532内部电路图

NE5532电气参数:

ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS绝对最大额定值

SYMBOL符号

PARAMETER参数

RATING数值

UNIT单位

VS

Supplyvoltage电源电压

±22

V

VIN

Inputvoltage输入电压

±VSUPPLY

V

VDIFF

Differentialinputvoltage1差分输入电压

±0.5

V

Tamb

Operatingtemperaturerange工作温度范围

NE5532/A 

0to70

℃

SA5532

–40to+85

SE5532/A

–55to+125

Tstg

Storagetemperature存储温度

–65to+150

℃

Tj

Junctiontemperature结温

150

℃

PD

Maximumpowerdissipation,Tamb=25℃（still-air>最大功耗，Tamb=25℃<空气）

D8package

780

mW

8Npackage

1200

mW

16Dpackage

1200

mW

Tsld

Leadsolderingtemperature（10secmax>焊接温度（10秒最大值>

230

℃

DCELECTRICALCHARACTERISTICS直流电气特性

Tamb=25℃。

VS=±15V,unlessotherwisespecified

SYMBOL符号

PARAMETER参数

TESTCONDITIONS测试条件

SE5532/A数值

NE5532/A,SA5532数值

UNIT单位 

最小

典型

最大

最小

典型

最大

Vos

△VOS/△T

Offsetvoltage偏移电压

 在整个工作温度范围

-

0.5

5

2

3

-

0.5

5

4

5

mV

 mVμV/℃

IOS

△IOS/△T

Offsetcurrent失调电流

在整个工作温度范围

-

200

100200

-

10

 200

150200

nA

 nApA/℃

IB

 △IB/△T

Inputcurrent输入电流

 在整个工作温度范围

-

200

5

400700

-

200

5

8001000

nA

 nAnA/℃

Icc

Supplycurrent电源电流

Overtemperature

-

8　

10.513

-

8　

16　

mAmA

VCM

Common-modeinputrange共模输入范围

-

±12

±13

-

±12

±13

-

V

CMRR

Common-moderejectionratio共模抑制比

-

80

100

-

70

100

-

dB

PSRR

Powersupplyrejectionratio电源抑制比

-

-

10

50

10

100

μV/V

AVOL

Large-signalvoltagegain大信号电压增益

RL≥2kΩ。

VO=±10VOvertemperatureRL≥600Ω。

VO=±10VOvertemperature

50254020

100

50

-

25

15

15

10

100

50

-

V/mVV/mVV/mVV/mV

VOUT

OutputswingOututswing输出摆幅电压

RL≥600Ω

OvertemperatureRL.600Ω。

VS=±18V

OvertemperatureRL≥2kΩ

Overtemperature

±12±10±15±12±13±12

±13±12±16±14±13.5±12.5

-

±12±10±15±12±13±10

±13±12±16±14±13.5±12.5

-

V

RIN

InputResistance输入电阻

30

300

-

30

300

-

kΩ

Isc

Outputshortcircuitcurrent输出短路电流

10

38

60

10

38

60

mA

ACELECTRICALCHARACTERISTICS交流电气特性

Tamb=25℃。

VS=±15V,unlessotherwisespecified.

SYMBOL符号 

PARAMETER参数

TESTCONDITIONS测试条件

NE/SE5532/A,SA5532

UNIT单位

最小值

典型

最大值

ROUT

Outputresistance输出电阻

AV=30dBClosed-loopf=10kHz,RL=600Ω

 -

0.3

 -

W

 -

Overshoot上冲电压

Voltage-followerVIN=100mVP-PCL=100pF。

RL=600Ω

 -

10

 -

%

Av

Gain增益

f=10kHz

 -

2.2

 -

V/mV

GBW

Gainbandwidthproduct带宽增益

CL=100pF。

RL=600Ω

 -

10

 -

MHz

SR

Slewrate转换率

 -

 -

9

 -

V/μs

 -

Powerbandwidth功率带宽

VOUT=±10V

 -

140

 -

kHz

VOUT=±14V。

RL=600Ω,VCC=±18V

 -

100

 -

kHz

ELECTRICALCHARACTERISTICS电气特性Tamb=25℃。

VS=±15V,unlessotherwisespecified

SYMBOL符号 

PARAMETER参数

TESTCONDITIONS测试条件 

NE/SE5532

NE/SA/SE5532A

UNITUNIT单位

最小值

典型

最大值

最小值

典值

最大值

VNOISE

Inputnoisevoltage输入噪声电压

fO=30Hz

8

8

12

nV/√Hz

fO=1kHz

5

5

6

nV/√Hz

INOISE

Inputnoisecurrent输入噪声电流

fO=30Hz

2.7

2.7

pA/√Hz

fO=1kHz

0.7

0.7

pA/√Hz

Channelseparation声道隔离

f=1kHz。

RS=5kΩ

110

110

dB

EN5532前级放大应用电路

方案二电路的优点：

EN5532是一种低电压通用型音频集成功率放大器，应用广泛，大大减少了分立元件的使用，供电电压要求比较宽，±3V-±20V都可以驱动，通频带较宽。

2.4.3方案三

采用一些晶体管、电阻和电容构成的音频功率放大器，电路图如图1-5所示。

本电路图主要有前置放大电路和功率放大电路两部分组成。

前置放大电路由一些电阻、电容、滑动变阻器、晶体管等元件构成。

前置放大电路主要应用了负反馈。

负反馈具有提高电路及其增益的稳定性，减少非线性失真，扩展通频带，改变输入电阻和输出电阻等功能。

反馈在电子电路中得到广泛应用。

正反馈应用于各种振荡电路，用作产生各种波形的信号源；负反馈则是用来改善放大器的性能。

将放大器输出信号<电压或电流）的一部分<或全部），经过一定的电路<称为反馈网络）送回到输入回路，与原来的输入信号<电压或电流）共同控制放大器，这样的作用过程称为反馈。

电路中的负反馈属于电压并联负反馈，R5是反馈元件，它构成反馈网络。

在此电路中负反馈的主要作用是改善放大电路的性能，放大音频信号的电压。

功率放大电路主要由各种晶体管、电阻和电容等构成。

功率放大电路用的是OTL功放电路，还有NPN复合管和PNP复合管。

OTL电路具有线路简单、效率高等特点，但要采用双电源供电，给使用和维修带来不便。

为了克服这一缺点，可采用单电源供电的互补对称电路，这种电路又称为无输出变压器的功放电路，简称OTL电路。

NPN、PNP复合管可以对音频信号进行放大，获得很强的信号。

图2-5分立元件构成的音频功率放大器

方案三电路的优点：

此电路全部采用分立元件构成音频功率放大器，应用到了许多模拟电子的知识，能很好的让我回顾学过的知识，锻炼我们分析电路的能力。

元器件的价格相对集成块来说比较便宜。

方案三电路的缺点：

使用的是30V电源，要求的电压相对较高，具有一定的危险性。

综合以上三种设计方案，方案一不符合设计要求；方案二和方案三都符合设计要求，从各各方面考虑，我决定采用方案三。

方案二适用于电子初学者，元器件较少，容易焊接，设计简单，容易弄懂其工作原理。

方案三适用于有一定电子基础的人，能很好的培养人对电路的分析能力，工作原理具有多样性，元件价格也便宜，很适合本次设计。

最后，我决定采用方案三的电路作为本课题的研究对象。

第3章单元电路设计

3.1前级放大电路的设计

3.1.1负反馈的概念

本设计的前级放大电路主要运用到了负反馈电路。

负反馈放大器的方框图如图3-1所示。

反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成。

图中A表示开环放大器<也叫基本放大器），F表示反馈网络，Xi表示输入信号<电压或电流），X0表示输出信号，Xf表示反馈信号，Xid表示净输入信号。

由图可知：

净输入信号为

Xid=Xi-Xf<方程一）

开环放大倍数<或开环增益）为

A=X0/Xid<方程二）

反馈系数为

F=Xf/X0<方程三）

放大器闭环后的闭环增益为

Af=X0/Xi<方程四）

将方程一、方程二、方程三代入方程四，得

Af=

A/（1+AF><方程五）

方程五表明了反馈放大器的增益与开环放大器的放大倍数、反馈系数的关系。

方程五中，若|1+AF|＞1，则|Af|＜|A|,说明加入反馈后闭环放大倍数变小了，这类反馈属于负反馈。

图3-1负反馈放大器的组成框图

3.1.2负反馈对放大电路的影响

一、提高电路及其增益的稳定性

直流负反馈稳定直流量，能起到稳定静态<直流）工作点的作用。

假如由于某种原因，放大器增益加大<输入信号不变），使输出信号加大，从而使反馈信号加大。

由于负反馈的原因，使净输入信号减小，结果输出信号减小。

这样就抑制了输出信号的加大，实际上使得增益保持稳定。

电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。

二、减少非线性失真

由于三极管特性的非线性，当输入信号较大时，就会出现失真，在其输出端得到了正负半周不对称的失真信号。

当加入负反馈以后，这种失真可得到改善。

其过程如图3-2所示，输出失真波形反馈到输入端与输入信号合成得到上半周小下半周大的失真波形，经放大后恰好补偿输出失真波形。

图3-2负反馈减小非线性失真示意图

三、扩展通频带

负反馈电路能扩展通频带