音频放大器学年论文.doc

本科学年论文

音频放大器的设计

学院、系 理工学院自动化系
专业名称 自动化
年 级 2006 级
学生姓名 徐鹏
学 号 0064040
指导教师 周润景

2008年 9月 5日
音频放大器的设计

摘要 ：本文主要介绍音频放大电路的设计与调试。音频放大电路主要包括三部分：稳定的直流电压源，信号发生器以及带有滤波器的功率放大电路。在构建好电路的每一个环节后要对音频放大电路的每一部份进行仿真分析。在Multisim软件的辅助下尽可能的使电路各项指标接近或达到试验设计要求。再将电路各部分连成整体，整体把握音频放大电路的性能。有了完整的设计方案后利用proteus软件将电路图制成PCB仿真图，布局不仅要符合原理图而且要合理经过处理后生成光绘文件。到此一切设计方案结束。接下来将设计方案原理制成PCB板，通过原理图及所要元件焊接电路板，在对电路板进行测试最终完成小学期设计任务。

关键词：，功率放大电路，稳压直流电源 音频放大电路 PCB板

目 录

第一章 绪论
1.1 音频放大电路的回顾和展望……………………………………………1
1.2 音频功率放大电路的分类………………………………………………2
1.3 设计总体要求及实现基本指标的方略…………………………………2
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 …………………………………………3
2.1.2 信号发生器的选择及设计 ………………………………………4
2.1 3功率放大电路的选择及设计 ……………………………………5
2.1 4 滤波器设计 ………………………………………………………7
2.1.5带有滤波器的功率放大电路设计 ……………………………………8
2.2电路的仿真分析
2.2.1稳压电源的仿真分析………………………………………………… 9
2.2.2 信号发生器的仿真分析………………………………………………11
2.2 3带有滤波器的功率放大电路仿真分析………………………………12
结论 ………………………………………………………………………17
致谢 ………………………………………………………………………17
主要参考文献……………………………………………………………………17
附录 ……………………………………………………………………18

第一章 绪论
1.1音频放大电路的回顾和展望
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。　（3）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。
1.2 音频功率放大电路的分类
现在的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。目前，以晶体管或集成电路式功率放大器为主。电子管式功率放大器的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，离散度极小。它的动态范围比较大，过负载能力强，不容易发生饱和削波失真；电路的负反馈深度较浅，也不容易发生瞬态互调失真。这些使电子管功放音色纯美动听。集成电路功放随着集成电路技术的发展而大量涌现出来，它的突出优点是体积小、电路简单、性能优越和保护功能齐全等。晶体管功放是应用最广泛的形式，它的谐波失真已经减少到0.5‰以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它是一种噪音小、动态范围大的电压控制器件。另外它还具有负温度特性，音色和电子管机相似，保护电路简单。
1.3 设计总体要求及实现基本指标的方略
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。
3 10到20kHz通频带宽并且有除噪声功能（除50Hz频率波）
4 电路性价比要合适。
音频放大电路的实现如图1
滤 波 器
直 流 稳 压 电 源
功率放大器
输入信号
输出

　第二章　

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
稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，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1.我们可以采用以桥式整理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2.以全波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。如下图所示，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LM7815C与LM7915C作用得到±15V的直流输出。
直流稳压电源的设计

本设计的直流稳压电源是交流信号先经变压器变压，再经过桥式整流电路整流，经过极性电容滤波以及通过两三端网络来实现双极型稳压电源。滑动变阻器R3,R4的存在使电源输出变的可调。
电阻R1，R2，即为保护电阻，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。

2.1.2 信号发生器的选择

波形发生器主要作用是产生信号，作测试作用的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。只要满验要求便可以了。 滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。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。波生器按材料主要分RC，LC和石英晶体三种形式用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。
信号发生器的设计

信号发生器在本实验是作为测试信号作用。实验要求是设计0到5V频带可调的的实验电路。对于输出电压可调，可以通过固定R5，改变电阻R6的只来实现。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f=1/(2*pi*R*C)，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
功放设计主要指功放的前置级设计和输出级设计两部分。
前置级设计它可以有两种途径：
1 我们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。
2 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。
⑴ 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。
⑵ 我们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。

功率放大电路设计

上图即为典型的功率放大电路。其中前置级通过集成运算放大器AD507和OCL来实现功率的放大。采用集成运放电路，前置级为一级可以大大降低设计的难度，并且可以较好的满足实验要求。但性价比较差。
放大电路输出级
本实验采用了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，要参数上对称。

2.1 4 滤波电路的设计
在本次实验中，我不仅需要频带为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。
1． 采用低通-高通级联实现带通滤波器；
将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通滤波器和高通滤波器，再级联即得带通滤波器。

图4

低通滤波器的技术指标为：
fpH=10HZ,G=1;

高通滤波器的技术指标为：
fsH=20KHZ,Q=1;
二阶低通的元件参数计算： 式（1）
二阶高通的元件参数计算： 式（2）
二阶低通滤波器： C1=1 nF,C2=0.33nF,R1=6.2 KΩ+910Ω，R2=27 KΩ。
二阶高通滤波器：C1=C2=C=1Μf,R1=11KΩ+240Ω,R2=22.5 1KΩ
滤除50HZ的带阻滤波器

以上就是有名的双T型滤波网络，它是带阻滤波器，图中I02点是输入信号处， 1o1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

综合功率放大电路图及滤波电路图就可得到带有滤波器的功率放大电路。下图是一个带有滤波器的功率放大电路。前置集是一个单级放大电路这样会使电路图较为简单。当然也存在一些缺点。

2.2电路的仿真分析

通过仿真分析可以检验所设计的电路是否满足设计要求以及如何设置重新设计电路，使电路性能更加完善。

2.2 1直流稳压电源的仿真分析

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：
（1）瞬态分析
当变压器处于最大值时，输出电压 如图所视:最大输出电压约为14.8V和-14.8V。

调节滑动变阻器后可得到如下结果

输出电压变为正负4.96伏，基本符合试验要求。
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：
当电阻为1千欧时tranisient 分析如下

改变电阻使其为2千欧时tranisient 分析如下

实验要求是设计0到5V频带可调的的实验电路。由图可知曲线幅值基本没有变化说明外加负载对此电路没有影响。

2.2 3 带有滤波器功率放大电路的综合仿真分析

一．带有滤波器功率放大电路参数要求：
此低频放大器的设计的要求：在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5到10）mv,等效电阻RL为8欧姆下，放大通道应满足：
1额定功率为1到3W；
2 它的通频带为10HZ到20KHZ，增益为1；
3抑制50Hz频率波干扰
4在POR下和BW内的非线形失真系数<=3%；
5前置放大级输入信号输入端应该交流接地，RL=8欧姆的交流声功率小于10mW
此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+AF),A》1，又R1=1kohm,R2=820kohm, Au约=1/F;F=R1/(R1+R2)=1/821,Au=821。又输入信号是y=10sin(x)mv时,输出信号为
y=8.21sin(x)V。

二．仿真分析
(1)DC分析

由DC分析可得静态输出电压静态仿真时功放输出端对地电压约为0。
（2）AC分析
在没有50Hz滤波器时AC仿真分析如下

由频响特性可得589.2*0.707=416.6.通过读图可得上限频率约为19.9kHz,下限频率为10.4Hz可见基本符合试验标准。

在带有50Hz滤波器时AC仿真分析如下

可以看出在带有50Hz滤波器时对50Hz频率的波有很好的限制作用。

而下限频率减小较多。上限频率良好。

(3) 瞬态分析

放大倍数约为580倍，输入电压10mv,据P=U^2/(2R)，R=8欧，P=(5.8)^2/16=2.1w,符合
设计要求1—3瓦。

（4）傅里叶分析

由fourier分析可得失真为1.1%基本符合设计要求。

结 论
在独立完成音频功率放大器设计的过程中，我们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了解。本电路简单高效，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：
（1） 虽然理论上达到要求，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。更有一些元件视唱上买不到。应此在电路设计时一定要寻求最优化设计。
（2） 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。
（3） 在设计电路的每一部份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。
（4） 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。
我相信此次音频功率放大器设计对我们今后学习会有很大帮助。

致谢
在一个多月的设计与仿真中，此设计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孜孜教诲。
参考文献
主要参考文献：
（1）<<集成电路音响放大器>> 徐治邦 编著 新时代出版社 1984.1
（2）〈〈模拟电子技术基础>> 主编:童诗白 华成英 高等教育出版社 2000.3
（3）〈〈基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真〉〉周润景 张丽娜 编著
北京航空航天大学出版社 2006.05.01
（4）〈〈模拟集成电路设计〉〉 （加）David A.Johns ＆ Ken Martin著
（曾朝阳 赵阳 方顺 等译） 机械工业出版社2005.11
（5）〈〈新编线性直流稳压电源〉〉王增福 李昶 魏永明 编著 电子工业出版社 2004.11

附录A：电路元器件清单

直流稳压源
Quantity Description Reference_ID Package
1 TRANSFORMER, TS_AUDIO_10_TO_1 T1 XFMR_5PIN
2 CAP_ELECTROLIT, 1000uF C2, C1 ELKO10R5
2 CAP_ELECTROLIT, 10uF C4, C3 ELKO10R5
2 RESISTOR, 510ohm R1, R2 RES0.5
1 FWB, 1G4B42 D2 12-7A2A
2 POTENTIOMETER, 1K_LIN R4, R3 LIN_POT
1 VOLTAGE_REGULATOR, LM7815CT U2 TO-220
1 VOLTAGE_REGULATOR, LM7915CT U1 TO-220
带有滤波器的功率放大电路
Quantity Description Reference_ID Package
2 CAP_ELECTROLIT, 10uF C4, C1 ELKO10R5
1 CAP_ELECTROLIT, 22uF C2 ELKO8R5
1 RESISTOR, 1.5kohm R4 RES0.5
1 RESISTOR, 10kohm R1 RES0.5
1 RESISTOR, 1.0Mohm R2 RES0.5
1 CAP_ELECTROLIT, 100uF C3 ELKO10R5
1 RESISTOR, 8.2ohm R9 RES0.5
4 RESISTOR, 1.0ohm R11, R10, R13, R12 RES0.5
2 RESISTOR, 51ohm R7, R8 RES0.5
1 BJT_PNP, D43C12 Q2 TO-202AB
1 BJT_NPN, D42C3 Q1 TO-202AB
1 OPAMP, AD507JH U2 TO-99
2 DIODE, 1N3595 D1, D2 DO-35
（OPAMP, AD507JH 可由3554AM替换）
波形发生器
Quantity Description Reference_ID Package

1 POTENTIOMETER, 1K_LIN R8 LIN_POT
2 DIODE, 1BH62 D2, D1 3-3B1A
2 集成运放管 OP44或 (3554AM)