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音频功率放大器的设计
题目:
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。
完成将输入为(5-10)mV的小信号、在负载为8欧的情况下得到功率为(1-3)W。
同时该系统还实现了滤波特性,自制直流电源等实用功能。
通过软件Multisim完成基本的电路原理图并进行防真和调试,使其满足基本设计要求。
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。
关键词:
功率放大电路,稳压直流电源音频放大电路
目录
第一章绪论…………………………………………………………………4
1.1本次设计的主要的…………………………………………………………………4
1.2功率放大器的发展程………………………………………………………………4
1.3音频功率放大电路的类……………………………………………………………6
第二章系统设计…………………………………………………………………7
2.1设计要求…………………………………………………………………………7
2.1.1基本要求……………………………………………………………………7
2.1.2发挥部分……………………………………………………………………7
2.2设计思想…………………………………………………………………………8
2.3系统设计组成…………………………………………………………………9
第三章单元电路设计与仿真……………………………………10
3.1功率放大电路的选择设计…………………………………………………10
3.2滤波器设计……………………………………………………………………11
3.3带有滤波器的功率放大电路设计与仿真……………………………………13
3.4直流稳压电源的选择设计与仿真……………………………………………16
3.5信号发生器的选择设计与仿真……………………………………………18
结论………………………………………………………………………21
主要参考文献……………………………………………………………21
附录………………………………………………………………………………21
第一章绪论
1.1本次设计的主要目的
随着科学技术的飞速发展,人类进入高速发达的商品社会,市场里各种电子商品琳琅满目,给生活带来极大的方便。
但是不少非常实用的电子制品成果,或者受到多方面因素的制约,或者时机尚未成熟,往往很难转化为商品。
然而,如果我们能够亲自动手制作,不仅可以使自己的创意得以实现,还能丰富生活,体味乐趣,更重要的是通过制作,有利于我们掌握电子制作技术的技能,激发创造性。
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。
1.2功率放大器的发展过程
1.2.1早期的晶体管功放
半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。
自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器。
早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高,例如,共发射极截止频率fh的典型值为4kHz,大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。
这样,放大器的频率响应也就很狭窄,其3dB截止频率通常在10kHz左右,大大影响了音乐中高频信号的重现。
再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约,制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管于,所以不得不采用变压器耦合输出。
变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难,谐波失真得不到充分的抑制,因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。
随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。
最初的大功率PNP管是锗管,而NPN管是硅管,两者的特性差别非常显著,电路的对称性很差,人们更多采用的是图二所示的准互补电路,通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。
到了六十年代末,大功率的PNP硅管商品化的时候,互补对称电路才得到广泛的应用。
元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃,在主观音质评价方面,
也改变了过去人们对晶体管功放的看法,无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放,晶体管功放都被大量地采用,首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。
在商品化的晶体管扩音机中,相继出现了一些摧琛夺目的名机,如JBL的SA600,Marantz互补对称电路MOdel15等等。
尽管电子管的拥护者仍大量存在,人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了,认为晶体管机频响宽阔,层次细腻,与电子管机比较起来有一种独特的舱力,而不是简单的谁取代谁的问题。
瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代,功率放大器的发展史中出现了一件最引人注目的事情,这就是瞬态互调失真(Transientlntermodulation)及其测量方法的提出。
1963年,芬兰Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时,由于接线失误,使电路的负反馈量减少了,后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好,客观技术指标较差,而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了,音质反而比误接时明显下降。
这一现象引起了当时同一工厂的Mr.Otala的重视,之后,他对此进行了悉心研究,于1970年首先发表丁关于晶体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。
至197年,Otala博士及其研究小组就TIM失真理论发表的论文已经超过20篇,引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。
1.2.2功放的发展方向—数字放大器、无线功率放大器
(1)数字放大器
功率放大器通常根据其工作状态分为五类。
即A类、AB类、B类、C类、D类。
在音频功放领域中,前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入,放大后将此信号用以推动扬声器发声。
D类放大器比较特殊,它只有两种状态,不是通就是断。
因此,它不能直接输入模拟音频信号,而是需要某种变换后再放大。
人们把此种具有"开关"方式的放大,称为"数字放大器"。
1998年10月天奥公司首次将拥有自主知识产权的数字音频功放在《第四届国产音响器材大展》亮相,引起了国外和舆论界强烈的凡响,也向国人展示了我们的高薪技术产品。
同年,美国TACTaudio公司也发表了数字功放。
2000年4月14日第八届上海国际音响影视展览会上,天奥公司和美国TACTaudio二公司展出的全数字音频功放成为本次大展技术创新的二个亮点。
国外这几家公司研制的数字功放价格均在一万美元以上,远远超过了普通大众的承受能力,因此,从世界水平来看,现有功放仍停留在模拟放大的水平上,而数
字功放技术尚未大规模商业应用。
国内市场也开始出现AV数码功放,但所谓的数字功放实质上仅仅是指音频处理,分别采用了数字处理,其功率放大器则仍然采用模拟放大,这与真正意义的数字功放相差甚远。
音响产品的数字化是必然趋势。
由于数字功放有很多优点,如体积小、功率大、高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等。
在数字音源已经大量普及的时代,数字功放将会取代现有的模拟功放。
(2)无线功率放大器
市场研究公司In-Stat/MDR最近发表的报告指出,无线功率放大器(cellularpoweramplifier)市场将在未来几年里保持相对平稳,但出货量显著低于前几年的水平In-Stat/MDR预测,2003年无线功率放大器出货量估计为200多万个,而2007年则将降至190万个。
“无线功率放大器的短期前景看来并不太好,但长期来看,则可能出现一些令人振奋的迹象。
”In-Stat/MDR的首席分析师AllenNogee表示。
“总体来看,显然,W-CDMA功率放大器的增长前景最好,但是,有些障碍必须克服。
”2007年W-CDMA功率放大器销售额将超过6.4亿美元,而几年前还是一片空白。
In-Stat/MDR还在其报告中指出,GSM功率放大器仍将最受欢迎,在预测期内占总体无线功率放大器销售额的比例将超过60%。
2003年功率放大器销售额预计仅略高于30亿美元,到2007年将降至不足28亿美元。
由于全球各地的运营商继续由PDC和TDMA技术转向其它技术,明年PDC和TDMA功率放大器将会消失。
尽管这两种技术仍将使用许多年,但现有网络的扩张速度将放慢。
总的看来,功率放大器的发展前景有着不可估量的潜力。
它的发展将使人类的生活水平得到更高的提高,数字放大器和无线功率放大器快速发展使得全世间的科学技术迈向另一个新的台阶。
1.3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。
第二章 系统设计
2.1设计要求
2.1.1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。
2.1.2发挥部分
(1)稳压电源在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%-20%条件下:
a.输出电压可调范围为0±5V;b.最大输出电流为0.1A;
c.电压调整率≤0.2%;
d.负载调整率≤1%;
e.纹波电压≤5mV;f.效率≥40%;
g.有过流及短路保护功能.
(2)波形发生器
a.具有产生正弦波的功能
b.输出波形的频率范围为10Hz-20Hz
c.输出波形幅度范围0-5V
(3)滤波器设计
a.10Hz-20Hz的带通滤波,增益为一
b.50Hz干扰抑制
2.2设计思想
输入为(5-10)mV,额定输出功率POR=2W时,在RL=8Ω上的正弦输出电压幅值为
Vom=√2×POR×RL=√2×2×8=5.65V
假设输入正弦波幅值为最小值5mA时,则整个放大器的电压增益为
Av=20lgVom/Vi=20lg5.65/5×0.001=24dB
指标中要求放大器的带宽BW≥50Hz-10kHz,对50Hz的低频响应就要求各级的输入耦合电容和输出电容足够大,特别是耦合到负载Rl=8Ω的电容Cl要求很大。
Cl可以按如下关系估算
1/ωCl< 所以,Cl>>1/ωRl=1/2×п×50×8=397.89μF。 为满足耦合要求,Cl应大于1/ωRl值的50倍,即Cl=19894.5μF。 这样大的电容是无法选用的,只能采用没有输出电容Cl的OCL电路。 着就要求稳压电源为双输出电源。 指标中的非线性失真系数γ≤30‰和效率η≥550‰是有联系的。 非线性失真小,末级功放就要工作在甲乙类,这时就必然使效率降低,故两者必须兼顾。 因此该功率放大电路主要由两部分组成,即前置放大器和OCL功率放大。 用下图表示为: 信号源→前置放大器→功率放大器→负载 目前有大量高性能的集成运放和专用前置低频放大器的集成电路,因此前置放大级采用集成运放来设计。 采用集成运放设计时,必须选用满足指标要求的集成运放芯片。 其要求主要是带宽、增益、转换速率、噪声、电流等指标,而电压增益指标通常总是可以实现的。 集成运放构成前置放大电路时,为提高其输入电阻和共摸抑制性能,减少输出噪声,必须采用相同放大电路结构。 OCL放大器的基本原理就是利用两只处于乙类工作状态的异型三级管的互补对称性,使其轮番工作。 设计乙类功率放大器时,一般的技术要求为最大输出功率PLM、负载电阻RL、工作温度范围、频带等。 (1)计算两管应输出的最大信号功率POM 要求送到负载的输出功率为PLM,考虑到功率放大输出电路的损耗并留有适当的余量,则 POM=(1+25%)PLM (2)计算每支三级管最大集电极功耗 理想情况下,PCM1=0.25POM,但实际设计上必须考虑留有一定安全因数,取 PCM1=0.25POM(每管) (3)选择三级管 如果电源电压VCC已经给定,则按以下要求来选择三极管。 PCM≥PCM1=0.25POM VCEO≥2VCC VCEO≥VCC 0.7ICM≥Icm=2POM/VCC 2.3系统设计组成 本次设计共由滤波器、功率放大器、自制直流电源和波形发生器四部分组成。 这四个部分相互影响,相互制约,因此设计时要兼顾考虑,才设计出最佳方案。 以下是低频功率放大器设计方案的组成框图。 信号源→滤波器→前置放大器→功率放大器→输出 自制电源↗ 第三章单元电路设计 3.1功率放大电路的设计 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500到1000,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。 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。 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: 上图即为典型的功率放大电路。 通过集成运算放大器OP07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 3.2滤波器的设计 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 上图左边是一低通电路,右图是一高通电路低通 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=1nF,C2=0.33nF,R1=6.2KΩ+910Ω,R2=27KΩ。 二阶高通滤波器: C1=C2=C=1Μf,R1=11KΩ+240Ω,R2=22.51KΩ 带通滤波器电路: 带通滤波频带分析: 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。
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