音频放大器学年论文

本科学年论文（设计）

题目：音频放大器设计

学 院 ：电子信息工程学院 专 业 ：自动化 年 纪 ：08级 学 号 ：00824037 姓 名 ：赵平

指 导 老 师 ：周润景老师

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音频放大器设计

摘要：设计并制作具有弱信号放大能力的低频放大器,要求设计出电

路并对电路仿真，验算是否满足技术指标；设计出对应原理图的印刷电路板；最后调试电路。音频放大电路主要包括六个方向：（1）设计小信号放大器，信号幅值10mv, 频率范围20到20k，输出电压值5伏 （2）设计并制作交流变换为直流的稳定电源（3）计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波（4）设计并制作一滤波器设计（5）设计并制作程控放大器设计（6）设计并制作信号数据采集系统设计。

关键词：功率放大电路，稳压直流电源，滤波电路，波形发生器，

音频放大电路，PCB板

目 录

第一章 绪论

1.1 音频功率放大电路的概述 „„„„„„„„„„„„„„„3 1.2 音频功率放大电路的发展 „„„„„„„„„„„„„„„4 1.3 音频功率放大电路的分类 „„„„„„„„„„„„„„„5 1.4 设计的总体要求 „„„„„„„„„„„„„„„7 1.5 设计的目的和意义 „„„„„„„„„„„„„„„7

第二章 电路的仿真及其分析

2.1 设计的原理图 „„„„„„„„„„„„„„„7

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音频放大器设计

2.2 稳压电源仿真分析

（1）经整流后仿真波形 „„„„„„„„„„„„„„8 （2）经滤波后仿真波形 „„„„„„„„„„„„„„9 （3）稳压器稳压 „„„„„„„„„„„„„„10 2.3 滤波器的仿真分析 „„„„„„„„„„„„„„11 2.4 该音频放大器的仿真分析

（1）电路的输入与输出分析 „„„„„„„„„„„„„„12 （2）电路频率响应特性分析 „„„„„„„„„„„„„„15 （3）噪声分析 „„„„„„„„„„„„„„17 （4）失真分析 „„„„„„„„„„„„„„18 （5）傅里叶分析 „„„„„„„„„„„„„„20 （6）音频分析 „„„„„„„„„„„„„„21

结论 参考文献 附录

第 一 章

1.1音频功率放大电路概述

音频功率放大器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声元器件获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声元器件，使原声响重现。其电路一般可分为两部分，前一部分进行小信号电压幅值放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相

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连。一般扬声器的阻值较低，仅有8左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电脑的有源音箱大多采用这种方式。

1.2音频放大电路的发展

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

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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。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，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。

1.3 音频功率放大电路的分类

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。具体包括以下几类： 1、A类放大器

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

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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。 2、B类放大器

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；同理，当Vi为负半周期正弦波时与正半周期相反，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。 3、AB类放大器

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。 4、D类放大器

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(脉冲亮度调制)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。

以上几类放大器中AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

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1.4设计的基本要求

（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～10）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足： ① 额定输出功率POR≥2W； ② 带宽BW≥（50～10000）Hz；

③ 在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%； ④ 在POR下的效率≥55%；

⑤ 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。

（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

1.5 本次设计的主要目的、意义

本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用家用电器的内部电路结构，从而为以后的学习和工作作好知识保障。另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。

第 二 章

2.1设计的原理图

原理图的设计如下:

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10kR11100k1kU1(OP)92k415U2(OP)23U66U3(OP)232U3R91k7417100pF100pF7C2C443k43k730k30k1uF1uFR5R60.1uFR9(1)U47815C5(1)1VIVO3C11(1)R122k76R1R2U1741C16C323U274141563C14741B1Q1BDX5312VGNDRV195%BR1C5100uFC61uFC8100uFC111uF1kD1DIODEC13100uFC13(1)LS1SPEAKER2D2DIODEQ2BDX54GNDBRIDGEC7(2)C7100uFC101uFC9100uF2VI1C121uFVO30-vB2R172k12VTR1U5C12(2)7915TR1(P1)TRAN-2P3SU6(OP)R10415R14R13415

2.2稳压电源仿真分析

给定输入为220V，50HZ的交流电。 设计出能稳定提供+15V、

-15V的直流稳定电源，以便对整个电路供电。 实现原理：输入的交流电，经整流、滤波、稳压之后，能输出稳定的直流电压。

仪器选择：TRAN-2P3S型变压器 7815、7915型稳压器 整流器及电容若干。

（1）经整流后仿真波形如下：

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从仿真波形可以看出交流电经过整流后基本上变为直流。但输出的是带有波纹的直流电压，其中还掺杂有较大的交流成分。因此还要经过滤波电路来消除残留的交流部分。将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

（2）经滤波后的波形如下：

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可以看出经滤波后交流成分减少很多，直流曲线较为平滑。

（3）稳压器稳压：

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从输出波形可以看出经过稳压器稳压，能够稳定输出+15V、-15V的直流电压，因此该电源可以很好的对整个电路供电。

2.3滤波器的仿真分析

由频率特性曲线可知，在20.1kHZ时特性曲线由最高点0分贝刚好下降3.07分贝，说明该滤波器的上限截止频率为20kHZ。即，频率高于20kHZ的信号不能够通过。

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从曲线可以看出,在频率为10.1HZ的点曲线由0分贝下降了2.91分贝。也就是说，该滤波器的下限截止频率为10HZ。频率低于10HZ的信号不能通过。

因此，该滤波器实现了10HZ--20KHZ的带通滤波且由于在最高点为0分贝，通带增益为一。

2.4该音频放大器的仿真分析

（1）电路输入与输出分析

设置电路的输入信号为5mV，1KHZ的正弦信号： 输入与输出电压波形

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分析可知，经过两级放大，电压被放大了984倍。由5mV被放大到4.92V。而分析电路中的两级放大可知放大倍数为：

(1+R11/R10)*(1+R13/R14)=1023

放大倍数失真3.96%

输出电压及电流的仿真波形：

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输出功率波形：

从输出功率（或电压及电流）波形可知，输入为5mV时输出的最大

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功率为3.02W。有效功率为：2.14W满足输出的额定功率大于等于2W。

输入为10mV的交流信号时，调节滑动变阻器，得到最大的不失真输出功率波形：

可知输入为10mV的正弦信号时，输出的最大不失真功率为5.30W。有效功率3.75W. 同样满足输出的额定功率大于等于2W。

（2）电路频率响应特性分析：

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从图中的测量结果可知系统的最大频率增益为60.0dB,则截止处频率增益应为60.0*0.707=42.42dB。

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从电路的仿真结果可知，系统通带频率范围为 27.9HZ—31.5kHZ.满足带宽BW大于等于（50--10000）HZ的要求

（3）噪声分析：

（a）系统输出最大噪声电压

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(b)测量频率分别为28HZ、10000HZ时系统的噪声电压

从噪声分析仿真结果可知，系统对输入噪声进行了放大从仿真的结果可知在音频功率放大器的工作频率范围内，系统的噪声范围为3.07uV—22.7uV。

（4）失真分析：

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（a）测量频率分别为28HZ、10kHZ时电路二次谐波失真

由仿真曲线可知频率从28HZ到10kHZ变化时二次谐波失真的变化范围为（56.7--114）dB。

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（b）测量频率分别为28HZ、10kHZ时电路三次谐波失真

由仿真曲线可知频率从28HZ到10kHZ变化时三次谐波失真的变化范围为（134—182）dB。

（5）傅里叶分析：

从傅里叶分析图表中曲线可知，系统输出信号中掺杂有谐波信号

（a）输入信号频率1kHZ、幅值5mV的正弦波信号时输出信号基波增益

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（b）输入信号频率1kHZ、幅值5mV的正弦波信号时输出信号谐波增益

系统的失真度为D=sqrt[(0.14*0.14+0.039*0.039)/4.9*4.9]=0.09%≤3%。从系统的分析结果可知，系统的非线性失真系数满足设计要求。

（6）音频分析：

仿真分析结果如下：

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通过音频仿真分析，能从扬声器上听到较为清晰的音频信号。

结 论

在完成音频功率放大器设计的过程中，我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认识。本设计电路简单高效，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： ⑴虽然理论上达到了设计要求，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。更有一些元件市场上买不到。应此在电路设计时一定要寻求最优化设计。

⑵在设计电路的每一部分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。

⑶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。

⑷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，

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还需要考虑元件散热问题等。

⑸在焊接电路板时需要注意焊接技巧，若不细心则会出现虚焊或焊接不美观，更糟糕的是可能损坏元器件。

总而言之，通过这次小学期设计我相信对我今后学习会有很大帮助！

参 考 文 献

主要参考文献：

[1] .周润景 张丽娜 刘印群 编著.PROTEUS入门实用教程.北京：机械工业出版社，2007.9

[2]. 周润景 张丽娜 编著. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.05.01

[3]. 童诗白 华成英 主编. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2000.3 [4]. 王松武 赵旦峰 于蕾 王扬 编著.常用电路模块分析与设计指导.北京：清华大学出版社2007.4

[5]. 黄正瑾 主编.电子设计竞赛赛题解析.南京：东南大学出版社，2003.5 [6]. 周润景 张丽娜 编著.Protel 99 SE原理图与印制电路板设计.北京：电子工业出版社，2008.8

[7]. 徐治邦 编著 集成电路音响放大器. 北京：新时代出版社,1984.1 [8]. 王增福 李昶 魏永明 编著 新编线性直流稳压电源. 北京：电子工业出版社，2004.11

[9]. 韩广兴 编著 电子元器件与使用电路基础. 北京：电子工业出版社，2002 [10]. 吴运昌 编著 模拟集成电路原理与应用.广东：华南理工大学出版社，1995

附录A：电路元器件清单

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波形发生器

Quantity Description Reference_ID Package

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4 RESISITOR,1K R1,R2,R4,R7 RESO.5 2 RESISITOR,2.2K R3,R5 RESO.5 1 POTENTIOMETER, 1K_LIN R6 LIN_POT 2 DIODE, 1BH62 D1, D2 3-3B1A 2 OPAMP OP44或 (3554AM) 直流稳定电源

Quantity Description Reference_ID Package

1 TRANSFORMER, TS_AUDIO_10_TO_1 T1 XFMR_5PIN 2 CAP_ELECTROLIT, 1000uF C1, C2 ELKO10R5 2 CAP_ELECTROLIT, 10uF C3, C4 ELKO10R5 2 RESISTOR, 510ohm R1, R2 RES0.5 1 FWB, 1G4B42 D1 12-7A2A 2 POTENTIOMETER, 1K_LIN R3, R4 LIN_POT 1 VOLTAGE_REGULATOR, LM7815CT U1 TO-220 1 VOLTAGE_REGULATOR, LM7915CT U2 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 R11 RES0.5 1 RESISTOR, 10kohm R1 RES0.5 1 RESISTOR, 1.0Mohm R14 RES0.5 1 CAP_ELECTROLIT, 100uF C3 ELKO10R5 1 RESISTOR, 8ohm R9 RES0.5 4 RESISTOR, 1.0ohm R5, R6, R8, R10 RES0.5 2 RESISTOR, 51ohm R4 , R7 RES0.5 1 BJT_PNP, D43C12 Q2 TO-202AB 1 BJT_NPN, D42C3 Q1 TO-202AB 1 OPAMP, 3554AM U2 TO-99 2 DIODE, 1N3595 D1, D2 DO-35

附录B PCB板

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