音頻功率放大器設(shè)計(jì)詳細(xì)講解

音頻功率放大器設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大器。在輸入正弦波幅度＜5mV,負(fù)

載電阻等于8。的

條件下，音頻功率放大器滿足如下要求：

1、最大輸出不失真功率POM^8WO

2、功率放大器的頻帶寬度BW250Hz~15KHz。

3、在最大輸出功率下非線性失真系數(shù)W3%o

4、輸入阻抗R2100k。。

5、具有音調(diào)控制功能：低音100Hz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，高

音10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍。

二、設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)設(shè)計(jì)課題的要求，該音頻功率放大器可由圖所示框圖實(shí)現(xiàn)。

下面主要介紹各部

分電路的特點(diǎn)及要求。

圖1音頻功率放大器組成框圖

1、前置放大器

音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號(hào)進(jìn)展放大，然后輸

出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。聲音源

的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、

CD唱機(jī)及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差異很大，從

零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這

些不同的聲音源信號(hào)如果直接輸入到功率放大器中的話,對(duì)于輸入過

低的信號(hào)，功率放大器輸出功率缺乏，不能充分發(fā)揮功放的作用；假

設(shè)輸入信號(hào)的幅值過大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過載失真，這

樣將失去了音頻放大的意義。所以一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大系統(tǒng)必須

設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入信號(hào)，或放大，或

衰減，或進(jìn)展阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。另

外在各種聲音源中，除了信號(hào)的幅度差異外，它們的頻率特性有的也

不同,如電唱機(jī)輸出信號(hào)和磁帶放音的輸出信號(hào)頻率特性曲線呈上翹

形，即低音被衰減，高音被提升。對(duì)于這樣的輸入信號(hào)，在進(jìn)展功率

放大器之前，需要進(jìn)展頻率補(bǔ)償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦

的狀態(tài)，即參加頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。

對(duì)于話筒和線路輸入信號(hào)，一般只需將輸入信號(hào)進(jìn)展放大和衰減，不

需要進(jìn)展頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使活篦物就出陽(yáng)茄與

前置放大器的輸入阻抗相匹配;二是使前置放大器的輸出電壓幅度與

功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號(hào)非常微弱,一般

只有100Uv-幾毫伏,所以前置放大器輸入級(jí)的噪聲對(duì)整個(gè)放大器的

信噪比影響很大。前置放大器的輸入級(jí)首先采用低噪聲電路，對(duì)于由

晶體管組成的分立元件組成的前置放大器,首先要選擇低噪聲的晶體

管，另外還要設(shè)置適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)一般

比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點(diǎn)無(wú)關(guān)，在要求高輸入阻抗的前

置放大器的情況下，采用低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇O

如果采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂

移的集成運(yùn)算放大器0對(duì)于前置放大器的另外一要求是要有足燹寬的

頻帶，以保證音頻信號(hào)進(jìn)展不失真的放大。

VI

話

筒

輸

入

Vol

圖9前置級(jí)放大器電路圖

2、音調(diào)控制電路

音調(diào)控制電路的主要功能是通過對(duì)放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)

曲線的形狀進(jìn)展控制，

從而到達(dá)控制放音音色的目的，以適應(yīng)不同聽眾對(duì)音色的不同愛好。

此外還能補(bǔ)償信號(hào)中所欠缺的頻率分量，使音質(zhì)得到改善，從而提高

放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音

分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個(gè)良好的音調(diào)控制電路，要求有足夠的

高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)有要求在高、低音從最強(qiáng)調(diào)到最弱的整個(gè)過

程中，中音信號(hào)（一般指1kHz）不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音

量在音調(diào)控制過程中不至于有太大的變化。音調(diào)控制電路大多由RC

元件組成，利用RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段的音頻信

音調(diào)控制電路一般可分為衰減式和負(fù)反響式兩大類,衰減式音調(diào)控制

電路的調(diào)節(jié)范圍可以做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減,

并且在調(diào)節(jié)過程中整個(gè)電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。

負(fù)反響式音調(diào)控制電路的噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時(shí)，其轉(zhuǎn)

折頻率保持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變。下面分析負(fù)反

響型音調(diào)控制電路的工作原理。

(1)負(fù)反響式音調(diào)控制器的工作原理

由于集成運(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，用它

制作的音調(diào)控制電路

具有電路構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，典型的電路構(gòu)造如圖2所示。

其中電位器Rpl是高音調(diào)節(jié)電位器，Rp2是低音調(diào)節(jié)電位器，電容

C是音頻信號(hào)輸入耦合電容，電容Cl、C2是低音提升和衰減電容，

一般選擇C1=C2,電容C3起到高音提升和衰減作用，要求C3的值

遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Clo電路中各元件一般要滿足的關(guān)系為：Rpl=Rp2,

R1=R2=R3,C1=C2,Rpl=9Rio

圖2負(fù)反響式音調(diào)控制電路圖

在電路圖2中，對(duì)于低音信號(hào)來(lái)說，由于C3的容抗很大，相當(dāng)

于開路，此時(shí)高音調(diào)節(jié)電位器Rpl在任何位置對(duì)低音都不會(huì)影響。

當(dāng)?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器Rp2滑動(dòng)端調(diào)到最左端時(shí)，G被短路，此時(shí)電路

圖2可簡(jiǎn)化為圖3(a)o由于電容C2對(duì)于低音信號(hào)容抗大，所以相對(duì)

地提高了低音信號(hào)的放大倍數(shù)，起到了對(duì)低音提升的作用。圖3(a)

電路的頻率響應(yīng)分析如下：

(a)低音提升等效電路圖(b)

低音提升等效電路幅頻響應(yīng)波特圖

圖3低音提升等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線

圖3所示的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：

2專=一方儡+SR,化簡(jiǎn)后得：

1-「Rp2,氏2

1+jcoC^-----------

AX旦x---------一汽…，所以該電路的轉(zhuǎn)折頻率為：

Ri1+jcoC2'

%=——1——，力2=--------------1----------?一1—o可見當(dāng)頻率/T0時(shí),

2萬(wàn)(〃&)。研

“2TTRP1-C22“2222c2

%一與國(guó)；當(dāng)頻率時(shí)，--3=1。從定性的角度來(lái)說,

就是在中、高音域，增益僅取決于R2與R1的比值，即等于1；在低

音域，增益可以得到提升，最大增益為(02+&)/&。低音提升等效

電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖3(b)所示。

同樣當(dāng)￡p2的滑動(dòng)端調(diào)到最右端時(shí)，電容C2被短路，其等效電

路如圖4(a)所示。由于電容C1對(duì)輸入音頻信號(hào)的低音信號(hào)具有較小

的電壓放大倍數(shù)，所以該電路可實(shí)現(xiàn)低音衰減。圖4(a)電路的頻率響

應(yīng)分析如下：

該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：

R1+jcoRp2G

4二%2,其轉(zhuǎn)折頻率

4+(1〃&G)〃七2%+Rpz1+jCD(Rp?11RJG

為:

]ii

A.可見當(dāng)頻率0時(shí),

2成p2G2兀(Rp】/RJ~2成?

當(dāng)頻率時(shí)，A,一善=1。從定性的角度來(lái)說，

就是在中、高音域，增益僅取決于R2與R］的比值，即等于1；在低

音域，增益可以得到衰減，最小增益為&/(叫+RQ。低音衰減等效

電路的幅頻響應(yīng)特性的波特圖如圖4(b)所示。

在電路給定的參數(shù)下，/“=/〃，九=九。

(a)低音衰減等效電路圖(b)低音衰減等效電路幅頻

響應(yīng)波特圖

圖4低音衰減等效電路圖及幅頻響應(yīng)曲線

同理，圖2電路對(duì)于高音信號(hào)來(lái)說，電容Cl、C2的容抗很小，

可以認(rèn)為短路。調(diào)節(jié)高音調(diào)節(jié)電位器RpL即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高音信號(hào)的提

升或衰減。圖5(a)就是工作在高音信號(hào)下的簡(jiǎn)化電路圖。為了便

于分析，將圖中的RI、R2、R3組成的Y型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成△連接方式,

如圖5(b)o其中&凡=&+&+^1，

R2Rl

凡=與+4+生”。在假設(shè)條件R1=R2=R3的條件下，&=凡=&=3島。

提升?丁『減提升?丁『減

RplRpl

高音高音

(a)

(b)

圖5高音等效簡(jiǎn)化電路

如果音調(diào)放大器的輸入信號(hào)是采用的內(nèi)阻極小的電壓源，那么通

過艮支路的反響電流將被低內(nèi)阻的信號(hào)源所旁路，艮的反響作用將

忽略不計(jì)(尺可看成開路)。當(dāng)高音調(diào)節(jié)電位器滑動(dòng)到最左端時(shí),

高音提升的等效電路如圖6(a)所示。此時(shí)，該電路的電壓放大倍數(shù)表

達(dá)式為:

鳥山+為。3(&+()]

Avf,其轉(zhuǎn)折頻率為:

(1//3+&)〃R"R"(1+%C3%

猴=康。當(dāng)頻率7一。時(shí)，除卜￡=當(dāng)

2((&+()

頻率時(shí)，立也。從定性的角度上看，對(duì)于中、低音區(qū)

%

域信號(hào)，放大器的增益等于1;對(duì)于高音區(qū)域的信號(hào)，放大器的增益

可以提升，最大增益為4普。高音提升電路的幅頻響應(yīng)曲線的波

特圖如圖6(b)所示。

(a)高音提升等效電路(b)高音提升等效

電路的幅頻響應(yīng)波特圖

圖6高音提升等效電路及幅頻響應(yīng)曲線

當(dāng)Rpl電位器滑動(dòng)到最右端時(shí)，高音頻信號(hào)可以得到衰減，高音

衰減的等效電路如圖7(a)所示。

(a)高音衰減等效電路(b)高音

衰減等效電路的幅頻響應(yīng)波特圖

圖7圖音盤減等效電路及幅頻響應(yīng)曲線

該電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為:

AV=——必——=-x?+。其轉(zhuǎn)折頻率為：

R“&,1+加GK+&)

盤=2c；+N"看。當(dāng)頻率"°時(shí)'%-卜1；當(dāng)

頻率--oo時(shí)，A“可見該電路對(duì)于高音頻信號(hào)起到衰減

作用。該電路的幅頻響應(yīng)曲線的波特圖如圖7(b)所示。

在電路給定的參數(shù)下，“3\，%2=上2。

(2)音調(diào)控制器的幅頻特性曲線

綜上所述，負(fù)反響式音調(diào)控制器的完整的幅頻特性曲線的波特圖

如8所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的放大倍數(shù)和各點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率大小，即可確

定出音調(diào)控制器電路的電阻、電容大小。

圖8音調(diào)控制電路的幅頻響應(yīng)波特

圖

3、功率放大器

功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載(一般是揚(yáng)聲器)提供

所需要的輸出功率。

功率放大器的主要性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、

頻率響應(yīng)和效率。目前常見的電路構(gòu)造有OTL型、OCL型、DC型

和CL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用

集成運(yùn)算放大器和大功率晶體管構(gòu)成的功率放大器;隨著集成電路的

開展，全集成功率放大器應(yīng)用越來(lái)越多。由于集成功率放大器使用和

調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電源

利用率高，失真小，具有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)及自啟動(dòng)、

消噪等功能，所以使用非常廣泛。

三、主要單元電路參考設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的音頻功率放大器是一個(gè)多級(jí)放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功率確

實(shí)定電源大小和整個(gè)系統(tǒng)的增益。因?yàn)橐纛l功率放大器的輸出功率

POM28W。所以音頻功率放大器的輸出幅值

VOM>yl2POMRL=72x8x8=11.3（V）。當(dāng)輸入信號(hào)最小值為5mV時(shí)，

整個(gè)放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：Ay=%”/匕=11.3/5x10-3=2260（倍），

即201g2260=67（dB）。根據(jù)整個(gè)放大系統(tǒng)的電壓增益，合理分配各

級(jí)單元電路的增益。功率放大器級(jí)（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取

30倍；音調(diào)控制器放大器在中頻（IKHz）處的電壓放大倍數(shù)取1;

前置放大器的電壓放大倍數(shù)取80（考慮到實(shí)際電路中有衰減）。

音頻功率放大器供電電源的選取主要從效率和輸出失真大小方面考

慮。如上所述，該系統(tǒng)的輸出信號(hào)幅值為1L3V,從提高效率的角度

考慮，電源電壓越接近11.3V越好，但這樣輸出信號(hào)的失真將增大；

從減小失真的角度考慮，可適當(dāng)?shù)奶岣唠娫措妷骸＞C合考慮，音頻功

率放大器整個(gè)系統(tǒng)的電源電壓采用±15V供電。

1、前置放大器電路

根據(jù)音頻信號(hào)的特點(diǎn)，前置放大器選擇由NE5532集成運(yùn)算放大

器構(gòu)成的電壓放大器完

成。NE5532在噪聲、轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積等方面具有優(yōu)異的指標(biāo),

由它組成的電壓放大器可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求，電路如圖9所示。

前置放大器有兩級(jí)放大器組成，第一級(jí)采用NE5532構(gòu)成的電壓串聯(lián)

負(fù)反響電路，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)。第二放大器采用NE5532組成

的電壓并聯(lián)負(fù)反響電路，該電路具有輸出電阻小、抗共模干擾信號(hào)強(qiáng)

的特點(diǎn)。第一級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為：1+裳=1+%=5.7；第二

R)1()

級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為：--20；電容。5、。6的作用是高

頻濾波，電容。3、C4是去耦電容，消除低頻自激振蕩。前置放大器

的下限頻率由電容G和電阻島決定。

。+15V

VI

。

話

筒

輸

入

2、音調(diào)控制器電路

該音頻功率放大系統(tǒng)的音調(diào)控制電路的控制特性要求為：低音在

100Hz時(shí)為±12dB,

高音在10kHz時(shí)為土12dB。設(shè)計(jì)滿足要求音調(diào)控制器的一般步驟為:

(1)選擇電路構(gòu)造和放大單元器件

電路構(gòu)造選用圖2所示的負(fù)反響式音調(diào)控制器。放大單元器件選

擇集成運(yùn)算放大器LF356。LF356的輸入阻抗非常高，可達(dá)1012d

可以很好地滿足控制特性要求，只需采用小容量電容器即可。

(2)計(jì)算低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率和高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率

根據(jù)描,產(chǎn)￡P(guān)2=9島的條件，該音調(diào)控制放大器電路的最大提升

和衰減量為：

20]%2+12.=+2o?B)，201g—0—=-20(dB)。

鳥RP2+R2

根據(jù)圖可知，九1、九2、加1、加2為轉(zhuǎn)折頻率，且幅頻特性是按±6dB/

倍頻程的斜率變化的。要求在低音100Hz處的提升或衰減土

12dB,所以低音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：

/20-1212-0

r

%=100/2丁=39.68(Hz),/,2=100x2=400(Hz)。

同理，根據(jù)高音10kHz處的提升或衰減±12dB,可得高音調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)

折頻率：

/12-020-12

3r

fH]=(10xl0)/2=2.5(kHz),%2=l0xl()3x2【=25.2(kHz)。

(3)音調(diào)調(diào)節(jié)電位器選擇

因?yàn)長(zhǎng)F356集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，電位器RPI、RP2

的阻值可適當(dāng)高一些?，F(xiàn)選KP產(chǎn)Kp2=200k。。

(4)低、高音調(diào)整電容及電阻的選擇

_________1

?0.02(J1F),可采用兩個(gè)

G=2班島22zrx39.68x200x103

O.OlgF電容并聯(lián)。

電阻與=/?2=&=七2/9=200/9^22.22（k。），選標(biāo)稱值22kQ。

當(dāng)戶加2=25.2kHz時(shí)，高音提升20dB,即201g2土&=20(dB),

凡

所以&上%=10。

因?yàn)?=3Ri,所以&=34/9=3x22/9=7.3(k￡2),取標(biāo)稱值7.5kf2。

G=/V=、八。I…"幽(PF)，取標(biāo)稱值C3=1000pFo

2情H?RA2^x25.2x10x7.5x10

最后設(shè)計(jì)好的音調(diào)控制器電路如圖10所示。

圖10音調(diào)控制電路圖

3、功率放大器電路

采用集成功放設(shè)計(jì)功率放大器不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，而且組

裝、調(diào)試方便，成本低

廉，所以本設(shè)計(jì)選用集成功放實(shí)現(xiàn)。目前常用的集成功放型號(hào)非常多,

本設(shè)計(jì)選取SGS公司生產(chǎn)的TDA2030/2030A集成功放，該器件具有

輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護(hù)，外圍電路簡(jiǎn)單，可以

作OTL使用，也可作OCL使用。

TDA2030/2030A的外引線如圖11所示。1腳為同相輸入端，2

腳為反相輸入端，4腳為輸出端，3腳接負(fù)電源，5腳接正電源。電

路特點(diǎn)是引腳和外接元件少。其主要特點(diǎn)為：電源電壓范圍為

6V-18V,靜態(tài)電流小于60S，頻響為10Hz-140kHz,諧波失真

小于0.5,在Vcc=±14V,RL=4Q時(shí)，輸出功率為14W°在8。負(fù)載上

的輸出功率為9Wo

圖11TDA2030管腳圖圖12TDA2030組成

的OCL功率放大器電路

由TDA2030/2030A構(gòu)成的OCL功率放大器電路如圖12所示。

該電路由TDA2030組成的負(fù)反響電路，其交流電壓放大倍數(shù)

%=1+旦=1+焉。33（倍），滿足設(shè)計(jì)要求。二極管。1、S起保

7?20.68

護(hù)作用，一是限制輸入信號(hào)過大，二是防止電源極性接反。R、C1

組成輸出相移校正網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載接近純電阻。電容G是輸入耦合電

容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容。3、。6是低頻旁路電

容，電容。5、。4是高頻旁路電容。電位器RP是音量調(diào)節(jié)電位器。

四、音頻功率放大器的調(diào)試

1、在安裝電子電路前，應(yīng)仔細(xì)查閱電路所使用的集成電路的管腳排

列圖及使用本卷須知，同時(shí)測(cè)量電子元件的好壞。

2、畫出每個(gè)單元電路的電路原理圖和連線圖；畫出整個(gè)電子系統(tǒng)的

原理圖。

3、前置放大器調(diào)試。安裝電路時(shí)注意電解電容的極性不要接反，電

源電壓的極性不要接反。同時(shí)不參加交流信號(hào)時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量每級(jí)

放大器的靜態(tài)輸出值；然后用示波器觀察每級(jí)輸出有無(wú)自激振蕩現(xiàn)

象，同時(shí)測(cè)量前置放大器的噪聲輸出大小。參加幅值5mV.頻率

1000Hz的交流正弦波信號(hào)（注意5mV信號(hào)可以通過一個(gè)10k。和

100。組成的衰減網(wǎng)絡(luò)得到），測(cè)量前置放大器的輸出大小，驗(yàn)證前

置放大器的電壓放大倍數(shù)。改變輸入正弦波信號(hào)的頻率，測(cè)試前置放

大器的頻帶寬度。

4、音調(diào)控制器調(diào)試。（1）首先進(jìn)展靜態(tài)測(cè)試，方法同上。（2）中

頻特性測(cè)試。將一頻率等于1kHz、幅值等于IV的正弦信號(hào)輸入到

音調(diào)控制器輸入端，測(cè)量音調(diào)控制器的輸出。（3）低音提升和衰減

特性測(cè)試。將電位器￡P(guān)I滑動(dòng)端分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從

20Hz~lkHz連續(xù)變化（輸入信號(hào)幅值保持不變），記下對(duì)應(yīng)輸出的

電壓值，畫出其幅頻響應(yīng)特性曲線。（4）高音提升和衰減特性測(cè)試。

將電位器品,2滑動(dòng)端分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從

2kHz~30kHz連續(xù)變化（輸入信號(hào)幅值保持不變）,