畢業(yè)論文-高保真功率放大器的設計【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　高保真功率放大器的設計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘　要III</b></p><p>

2、;　　AbstractIV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　第二章 高保真功率放大器概述2</p><p>　　2.1 高保真功率放大器的基本要求2</p><p>　　2.2 高保真功率放大器的分類2</p><p>　　2.2.1 以

3、晶體管的靜態(tài)工作點位置分類2</p><p>　　2.2.2 以功率放大器輸出端特點分類3</p><p>　　2.2.3 功率管的安全使用知識4</p><p>　　2.3 功率放大電路的主要特點4</p><p>　　第三章 高保真功率放大器的設計5</p><p>　　3.1 設計框架的形式

4、5</p><p>　　第四章 各部分電路的選擇設計8</p><p>　　4.1 輸入級的設計8</p><p>　　4.2 前置放大級的設計11</p><p>　　4.2.1 電路參數(shù)的計算12</p><p>　　4.3 音調控制級的設計13</p><p>　　4.

5、3.1 反饋式高低音調節(jié)電路的設計和電路工作原理14</p><p>　　4.3.2 電路的幅頻特性18</p><p>　　4.3.3 設計方法25</p><p>　　4.4 末級功率放大級的設計28</p><p>　　4.4.1 基本要求28</p><p>　　4.4.2 電路形式的選擇

6、29</p><p>　　4.4.3 末級功放參數(shù)計算30</p><p>　　4.5 供電電源與接地32</p><p>　　4.6 總體電路33</p><p>　　第五章總 結35</p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p>

7、<b>　　致 謝37</b></p><p>　　高保真功率放大器的設計</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　高保真功率放大器簡稱功放，可以說是各類音響器材中最大的一個家族了。高保真功率放大器的設計是很有意義的：它可將音源器材輸入的較微弱信號進行放大，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重

8、放。目前高保真功率放大由分立元件組成，或集電極輸出完成，由分立元件組成的功放，電路結構簡單，由集電極輸出的功放，可減少信號失真。在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為5～700mV在等效負載電阻RL為8歐姆的情況下，其放大通道的額定功率應大于或等于10W ，通道帶寬大于或等于50～10000Hz在額定功率條件下通帶內(nèi)的非線性失真系數(shù)小于或等于3％。</p><p>　　由于D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的模擬功放相比，具有

9、體積小，效率高，低失真，大功率的特點所以具有廣闊的發(fā)展前景。D類音頻功率放大器，由脈寬調制電路、驅動電路、功率輸出電路、濾波電路四部分構成。在本文里，對放大器的各個模塊（包括放大電路、比較器電路、三角波產(chǎn)生電路、驅動電路、功率輸出級電路、過流保護電路、過溫保護電路、欠壓保護電路、檢測和關斷模式控制電路、接口電路等）進行了設計。 </p><p>　　本文首先介紹了聲音的基本特性、音響放大器的技術指標、放大器分類和

10、D類放大器的工作原理，接著對D類音頻放大器電路的各個模塊進行了電路設計及測試，并完成了數(shù)字音頻功放的仿真測試工作。</p><p>　　關鍵詞: 高保真功率放大器；分立元件；集電極輸出</p><p>　　Hi-Fi power amplifier design</p><p><b>　　Abstract</b></p><

11、;p>　　Hi-Fi power amplifier can be said that the various types of audio equipment in one of the biggest of the family. Practical low-frequency power amplifier design is a lot of significance: it can be imported audio e

12、quipment for a weak signal amplification, to generate enough current to drive the speakers to voice playback. At present power amplification by discrete components, or complete collector output from the amplifier compose

13、d of discrete components, circuit structure is simple, from the coll</p><p>　　Compared with the analog power amplifier, Class D audio power amplifier has a small size, high efficiency, low distortion and hig

14、h-power. Therefore, it has broad prospects for development. Class-D Audio Power Amplifier is made up of the PWM circuit, driving circuit, power output circuit and the filter circuit. This paper designs each modules for t

15、he amplifier, which include amplifier circuit, compare circuit, the circuit for generating triangular wave, driving circuit, power output circuit, over</p><p>　　At first, this paper introduces the basic char

16、acteristics of the voice, the technology indicators for the audio amplifier, amplifiers classification and the principle for the Class-D amplifiers. Then accomplish the circuit design and test for each module of the Clas

17、s-D audio amplifier. And complete simulation testing for Digital Audio Power Amplifier.</p><p>　　Key words: Hi-Fi power amplifier ，discrete components，collector outp</p><p><b>　　第一章 緒論<

18、;/b></p><p>　　在模擬電子線路中信號經(jīng)過放大后，我們往往要去推動執(zhí)行機構完成人們所預期的功能，例如推動喇叭發(fā)出聲音，推動繼電器實現(xiàn)控制等等。這些執(zhí)行機構是把電能轉換成其他形式能量的器件，它們正常工作需要從電路中獲取較大的能量。所以放大電路的末級多有功率放大器組成，以便為負載提供足夠的信號功率。本次課程設計就是簡易高保真功率放大器。隨著現(xiàn)代社會電子科技的迅速發(fā)展，要求我們要理論聯(lián)系實際，電子技術

19、課程設計的進行使我們有了這個非常寶貴的機會，通過這種綜合性訓練，要求我們達到以下目的和要求：</p><p>　　首先，結合課程中所學到的理論知識，獨立設計方案。</p><p>　　其次，學會查閱相關手冊與資料，通過查閱手冊和文獻資料，進一步熟悉常用電子器件類型和特性，并掌握合理選用的原則，培養(yǎng)獨立分析和解決問題的能力。</p><p>　　這次課程設計是對我們所

20、學習的電子技術的一次實際應用,也是對我們所學知識的一次練習和提高。</p><p>　　第二章 高保真功率放大器概述</p><p>　　2.1 高保真功率放大器的基本要求</p><p>　　功率放大器和電壓放大器是有區(qū)別的，電壓放大器的主要任務是把微弱的信號電壓進行放大，一般輸入及輸出的電壓的電流都比較小，是小信號放大器。它消耗能量少，信號失真小，輸出信號的

21、功率小。功率放大器的主要任務是輸出大的信號功率，它的輸入、輸出電壓和電流都較大，是大信號放大器。它消耗能量多，信號容易失真，輸出信號的功率大。這就決定了一個性能良好的功率放大器應滿足下列幾點基本要求：</p><p>　　■為了得到足夠大的輸出功率，三極管工作時的電壓和電流應盡可能接近極限參數(shù)。</p><p>　　■功率放大器是利用晶體管的電流控制作用，把電源的直流功率轉換成交流信號功率

22、輸出，由于晶體管有一定的內(nèi)阻，所以它會有一定的功率損耗。我們把負載獲得的功率Po與電源提供的功率PE之比定義為功率放大電路的轉換效率η，用公式表示為：</p><p><b>　　η＝×100%</b></p><p>　　顯然，功率放大電路的轉換效率越高越好。</p><p>　　■功率大、動態(tài)范圍大，由晶體管的非線性引起的失真也大

23、。因此提高輸出功率與減少非線性失真是有矛盾的，但是依然要設法盡可能減小非線性失真。</p><p>　　■散熱性能要好[1]。</p><p>　　2.2 高保真功率放大器的分類</p><p>　　2.2.1 以晶體管的靜態(tài)工作點位置分類</p><p>　　常見的功率放大器按晶體管靜態(tài)工作點Q在交流負載線上的位置不同，可分為甲類、乙類

24、和甲乙類3種，如圖1.1所示。</p><p>　　(a) 3種工作狀態(tài)下對應的工作點位置</p><p>　　(b) 甲類功放的輸出波形 (c) 乙類功放的輸出波形　(d) 甲乙類功放的輸出波形</p><p>　　圖1.1 功率放大器的3種工作狀態(tài)</p><p><b>　　■甲類功率放大器</b><

25、;/p><p>　　工作在甲類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作Q選在交流負載線的中點附近，如圖1.1(a)所示。在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管都處于放大區(qū)內(nèi)，輸出的是沒有削波失真的完整信號，如圖1.1(b)所示它允許輸入信號的動態(tài)范圍較大，但其靜態(tài)電流大、損耗大、效率低。</p><p><b>　　■乙類功率放大器</b></p><p>　　工作在乙

26、類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作Q選在晶體管放大區(qū)和截止區(qū)的交界處，即交流負載線和IB＝0的交點處，如圖1.1(a)所示。在輸入信號的整個周期內(nèi)，三極管半個周期工作在放大區(qū)，半個周期工作在截止區(qū)，放大器只有半波輸出，如圖1.1(c)所示。乙類工作狀態(tài)的靜態(tài)電流為零，故損耗小、效率高，但非線性失真太大。如果采用兩個不同類型的晶體管組合起來交替工作，則可以放大輸出完整的不失真的全波信號。</p><p><b>

27、;　　■甲乙類功率放大器</b></p><p>　　工作在甲乙類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點Q選在甲類和乙類之間，如圖1.1(a)所示。在輸入信號的一個周期內(nèi)，晶體管有時工作在放大區(qū)，有時工作在截止區(qū)，其輸出為單邊失真的信號，如圖1.1(d)所示。甲乙類工作狀態(tài)的電流較小，效率也比較高。</p><p>　　2.2.2 以功率放大器輸出端特點分類</p>&l

28、t;p>　　■有輸出變壓器功放電路。</p><p>　　■無輸出變壓器功放電路(又稱OTL功放電路)。</p><p>　　■無輸出電容器功放電路(又稱OCL功放電路)。</p><p>　　■橋接無輸出變壓器功放電路(又稱BTL功放電路)。</p><p><b>　　最大輸出功率Pom</b></p&g

29、t;<p>　　功率放大電路提供給負載的信號功率稱為輸出功率。在輸入為正弦波且輸出基本不失真條件下，輸出功率是交流功率，表達式為Po=IoUo,式中Io和Uo均為交流有效值。</p><p>　　2.2.3 功率管的安全使用知識</p><p>　　就功率管而言，為了保證其安全運用，必須做到以下幾個方面：</p><p>　　首先，避免發(fā)生集電結的擊

30、穿。</p><p>　　其次，避免集電結過熱，集電極的功率損耗應低于最大容許值PCm。晶體管的集電極容許損耗PCM不是一個固定不變的值，它和器件的散熱情況有關，根據(jù)環(huán)境溫度和器件的散熱裝置[2]不同而有所不同。</p><p>　　最后，功率管在工作時不能進入二次擊穿區(qū)。</p><p>　　2.3 功率放大電路的主要特點</p><p>

31、;　　基于輸出較大功率的基本任務，對功率放大電路的討論主要針對以下幾個方面： </p><p>　　首先，大信號工作狀態(tài)</p><p>　　為輸出足夠大的功率，功率放大電路的輸出電壓、電流幅度都比較大，因此，功率放大管的動態(tài)工作范圍很大，功放管中的電壓、電流信號都是大信號狀態(tài)，一般以不超過晶體管的極限參數(shù)為限度。 </p><p>　　其次，非線性失真問題<

32、/p><p>　　由于功放管的非線性，功率放大電路又工作在大信號工作狀態(tài)，必然導致工作過程中會產(chǎn)生較大的非線性失真。輸出功率越大，電壓和電流的幅度就越大，信號的非線性失真就越嚴重。因而如何減小非線性失真是功率放大電路的一個重要問題。 </p><p>　　最后，提高功率放大電路的效率、降低功放管的管耗</p><p>　　從能量轉換的觀點來看，功率放大電路提供給負載的交

33、流功率是在輸入交流信號的控制下將直流電源提供的能量轉換成交流能量而來的。任何電路都只能將直流電能的一部分轉換成交流能量輸出，其余的部分主要是以熱量的形式損耗在電路內(nèi)部的功放管和電阻上，并且主要是功放管的損耗。對于同樣功率的直流電能，轉換成的交流輸出能量越多，功率放大電路的效率就越高。因為功率大，所以效率的問題就變得十分重要，否則，不僅會帶來能源的浪費，還會引起功放管的發(fā)熱而損毀。 </p><p>　　第三章

34、高保真功率放大器的設計</p><p>　　3.1 設計框架的形式</p><p>　　我們常見的音頻功率放人器電路 可以分為甲類，乙類和甲乙類三種。另外為了完全消除甲乙類和乙類功率放大器產(chǎn)生的交越失真，又出現(xiàn)了超甲類放大器和直流放大器等等?？晒┻x擇的方案有很多。根據(jù)設計題目要求，功率放大可由分立元件組成，也可以由集成電路完成。當然如果電路選擇的好，參數(shù)恰當，元件性能優(yōu)越，制作調試得好，

35、則由分立元件組成的功放的性能還有可能高過集成功率放大器。</p><p>　　由于本設計不是對單一信號頻率實施放大，而是對一個輸入電壓變化幅度大（5 ～700mV)，頻帶范圍寬（50～10000Hz）的頻帶信號實施功率放大[3]，所以不能只從簡單的功率放大上考慮。至少應從以下幾方面作較為全面的考慮：</p><p>　　首先，解決本設計的電路對信號源，尤其是信號幅度小的時候影響。</

36、p><p>　　其次，要求對整個頻帶內(nèi)不同頻率成分，不同電壓幅度信號都能均勻放大。</p><p>　　因此本設計所要求的高保真功率放大電路，應該是一個既能有效實施隔離放大的完成電路阻抗匹配；又能在所規(guī)定的頻帶范圍內(nèi)進行信號均衡的放大的一種實用型電路。就其理念上，均衡部分可借鑒音響放大電路中的音調控制電路，將音調控制的輸出信號送入功放，提升到所需的額定輸出功率。此外若作為信號電路，應具有波形變

37、換的方式，增加對稱方波信號的輸出功。所以本設計擬采用故得本設計的方框原里如圖3.1：</p><p>　　圖3.1 設計框圖</p><p>　　該設計的整個電路由正弦信號源，放大通道，直流電源，負載部分組成。在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為5～700mV在等效負載電阻RL為8歐姆的情況下，其放大通道的額定功率應大于或等于10W ，通道帶寬大于或等于50～10000Hz在額定功率條件下

38、通帶內(nèi)的非線性失真系數(shù)小于或等于3％。系統(tǒng)組成：</p><p>　　系統(tǒng)主要是由輸入級、前置放大、音調控制、功率放大器級等幾部分組成。其中變換電路負責執(zhí)行波形的變換，前置放大級主要完成信號電壓的分幅度范圍放大任務；音調控制電路實施完成對幾段音調控制中心頻率處的電平控制；功率放大級則是實現(xiàn)對信號的電壓和電流放人任務。直流穩(wěn)壓電源部分則是為整個低頻功率放大電路提供能量[4]。下面就將本次設計方案的設計思路，原理電路

39、，以及參數(shù)的計算進行簡單的介紹。</p><p>　　系統(tǒng)總增益任務要求額定功率不小于10w，考慮留出50％的裕量，故設計輸出功率應該在15W以上，同時輸出負載8Q ，則： </p><p>　?。?==15.5V16V (3.1.1)</p><p>　　系統(tǒng)的最大增益為： </p><p>　　Amax

40、=20lgdB (3.1.2)</p><p><b>　　系統(tǒng)的在校增益為：</b></p><p>　　Amin=20lgdB (3.1.3)</p><p>　　所以整個放大電路的增益應該在27.7dB～7ldB范圍內(nèi)可調。為了保證放大器的性能，單級放大器[4]的增益不宜過高，通常2

41、0～ 40dB（放大倍數(shù)在10～100倍之間）。</p><p>　　第四章 各部分電路的選擇設計</p><p>　　4.1 輸入級的設計</p><p>　　放大器的輸入級是指多級放大器最前面的1 ～2級。對它的要求是：</p><p>　　首先，應要求具有很高的輸入電阻，以免影響信號源的正常工作，其阻值高達幾十千歐到幾兆歐。<

42、/p><p>　　其次，它的輸出阻抗要越小越好。</p><p>　　最后，由于輸入級在多級放大級的最前面，輸入信號電平很低，輸入級本身產(chǎn)生的噪聲要和信號一起經(jīng)過放大器全程放大，當噪聲較大時，就可能將信號淹沒，這就要求噪聲系數(shù)要小。</p><p>　　針對上述要求，本設計擬采用由NE5532構成的電壓跟隨電路作為信號源與放大電路之間的連接電路，如圖 4.1</p

43、><p>　　圖4.1 分檔轉換電路</p><p>　　開關Kl作為方波，正弦波轉換開關。將電路分為兩檔，一 檔是直接輸出到前置放大級；另外一檔是進行波形轉換后再順至前置放大級。采用NE5532作為阻抗變換電路的原因是為了滿足題目指標要求，減小非線性失真，提高電路的低頻特性。在輸入級電路部分的正弦波~~~~方波轉換電路中采用集成運放NE5532。因為與其他集成運算放大器相比，NE5532具

44、有高精度，低噪聲，高阻抗，高速，頻帶寬等優(yōu)良特性。</p><p>　　下面對NE5532進行以下簡單的介紹： </p><p>　　NE5532是一種內(nèi)部補償?shù)碾p重低噪聲的運算放大器。其具體指標參數(shù)為：</p><p>　　轉換速率為 15F/us</p><p>　　增益帶寬積為 10MHz&l

45、t;/p><p>　　直流增益為 1000倍</p><p>　　最高工作電壓為 22V</p><p>　　這種集成運放的高速轉換性能可以大大改善電路的瞬態(tài)性能，較寬的帶寬能保證信號在低、中、高頻段均能不失真的輸出，使電路的整體指標大大提高。</p><p>　　最大額定值如表4.1</p>

46、<p>　　表4.1 NE5532最大額定值</p><p>　　輸入信號經(jīng)過隔離電容C1和NE5532[5]之后進入輸入級的第二部分。該級的第二部分是一個比較器。通過該比較器，使信號轉化為相應的方波信號。正弦波~~~~方波轉換電路如圖 4.1 所示，利用運放NE5532在開環(huán)狀態(tài)下的飽和特性，正弦波信號經(jīng)過兩次運放放大之后，產(chǎn)生正弦波飽和失真的方波信號。由于方波幅值遠大于題日要求，于是采用兩個二極

47、管削波，便將方波形式鉗制在700mV以下，最終得到正負對稱的200mVp-p的方波信號。</p><p>　　由于該電路利用了高精度集成運算放大器 NE5532的開環(huán)狀態(tài)下的飽和特性和高轉換速率，因而輸出的方波信號瞬態(tài)特性好，上升沿和下降沿都非常陡，能達到設計要求。</p><p>　　具體電路圖如下圖 4.2：</p><p>　　圖4.2 正弦波-方波轉換電路

48、</p><p>　　電壓比較器（vohage comparator）[6]的功能：比較兩個電壓的大?。ㄓ幂敵鲭妷旱母呋虻碗娖剑硎緝蓚€輸入電壓的大小關系）</p><p>　　電壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接日，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。注：電壓比較器中的集成運放通常工作在非線性區(qū)。及滿足如下關系： </p><p>　　U_>U+時：

49、 U0=UOL</p><p>　　U_<U+時： U0=UOH</p><p>　　我們把參考電壓和輸入信號分別接至集成運放的同相和反相輸入就組成了簡單的電壓比較器輸入電壓從低逐漸升高經(jīng)過其傳輸特性。他表明：輸入從低逐漸升高經(jīng)過UR時U0將從低電平變?yōu)楦唠娖?。相反，當輸入電壓從高逐漸降低經(jīng)過UR時，U0將從低電平變?yōu)楦唠娖健?lt;/p><p>　　經(jīng)過比較器轉

50、化為方波的信號，并沒有直接送到下一級放大電路，而是先經(jīng)過了跟隨器。在這里說的電壓跟隨器是用一個集成運放NE5532構成的電路，它的電壓增益為 1。那么電壓跟隨有什么作用呢？該電路是輸入高阻抗，輸出低阻抗，這就使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。舉一個應川的例子：電吉他的信號輸出屬于高阻，接入錄音設各或者音箱時，在音色處理電路之前加入這個電壓跟隨器，會使得阻抗匹配，音色史加完美。很多電吉他效果器的輸入

51、部分設計都用到了這個電路。整個輸入級電路圖如下：</p><p>　　圖4.3 輸入級電路</p><p>　　4.2 前置放大級的設計</p><p>　　電路的設定從我們的任務要求中可以知道，從信號源輸出的信號非常弱(5～ 700mV）。只有經(jīng)過多級放大之后，這種信號才能送到末級，激勵功率放大器，最后達到功率放大的目的。因此在音量控制級之前，輸入級之后加上前

52、置放大級。放大器采用 LM833。電路基本形式采用同相放大器，其理由是：其輸入高阻抗可以減小電路對前級電路的影響；深度電壓負反饋可提高帶負載的能力[7]。</p><p>　　基本電路如圖4.4 :</p><p>　　圖4.4 同相放大</p><p>　　我們考慮到題目所給的正弦信號輸入電壓幅度范圍很寬，為了均衡放大并使大多數(shù)類型的音源處于低噪聲工作狀態(tài)，所以

53、前置放大級的電壓增益分成兩檔，用開關K2控制。</p><p>　　當開關K2斷開時，要求電路增益大16dB，用于放大Vi為40～700mV時的信號；當 K2閉合時，電路增益大于35dB，用于放大Vi為5～40mV時的信號，故得電路 4.5：</p><p>　　圖 4.5 前置放大級</p><p>　　4.2.1 電路參數(shù)的計算</p><

54、;p>　　因為開關的K2的閉合和斷開，有兩種情況，下面分別對應其斷開和閉合兩種情況對電路參數(shù)進行確定。</p><p>　　因為當輸入信號在40～70 mV時，K2斷開，要求201gAv≥16dB</p><p>　　所以有 20lg=16 (4.2.1)</p><p>

55、　　所以 1+ =8 (4.2.2)</p><p>　　所以 R4=7R2 (4.2.3)</p><p>　　若取

56、 R2 = 4 . 7kΩ (4.2.4)</p><p>　　則可得： R4 = 7R2=33kΩ (4.2.5)</p><p>　　取標稱值為 R4 =27kΩ</p>

57、<p>　　又因為當輸入在5～40mv時，開關閉合，要求20lgAV≥35dB </p><p>　　∴ 20lg (4.2.6)</p><p>　　∴ R//R= (4.2.7)&l

58、t;/p><p>　　∴ (4.2.8)</p><p>　　∴ RR=400R+400 (4.2.9)</p><p>　　∴ R=

59、 (4.2.10)</p><p><b>　　取標稱值470Ω；</b></p><p>　　最后經(jīng)過核算，能夠達到設計要求。</p><p>　　其耦合電容等，考慮信號低頻頻率低，均采用耐壓50V、容量為33的電解電容。</p><p>　　輸入端電阻Rl取100kΩ電

60、阻（應遠大于前級輸出阻抗），并一個小電容改善輸入特性。</p><p>　　4.3 音調控制級的設計</p><p>　　人們在欣賞音樂時，總希望聽到悅耳的聲音，但是由于愛好不一，有的喜歡聲音渾厚深沉，有的人則喜歡清脆嚓亮。而高保真功率放大器是一般音響設備中最為重要的一部分，這就要求在該級中對信號頻率特性進行人為控制，使頻率特性中某一段頻率的功率增益增加或是降低達到音調控制的效果，這就是

61、音量調節(jié)控制。</p><p>　　我們在一般音響設備中都裝有音調控制電路，普通收音機中音調控制電路比較簡單，高質量的收錄機，擴音機中電路則比較復雜。音調控制又稱音質調節(jié)，按其調節(jié)的頻率范圍分，有高低音音質和多頻段音質調節(jié)。高低音音質調節(jié)，即在通頻帶的兩端進行頻率特性調節(jié)，例如100Hz左右、1OKHz左右，并且要求在進行高低音調節(jié)時，中音頻率（一般指 1KHz ）附近頻率特性應該保持基本不變，以保持音量。多頻段

62、音質調節(jié)，如五頻段其調節(jié)頻段一般在60Hz、250Hz、1KHz、5KHz、15KHz</p><p>　　附近，十頻段調節(jié)頻段100Hz、18OHz、310Hz、550Hz、1KHz、l.8KHz、3.1KHz、5.5KHz、10KHz、16KHz各頻率附近。音調控制電路種類很多，有RC無源調節(jié)電路，有有源反饋音質調節(jié)電路等等。RC無源調節(jié)電路，調節(jié)范圍寬，但中音電平也要衰減，并且在調節(jié)過程中整個電路的阻抗也在

63、改變，失真較大。而有源反饋式音質調節(jié)電路中，RC 調節(jié)電路僅作為放大器反饋電路的一部分，用來改變反饋量的頻率成分，使調節(jié)器的提升或衰減更加顯著，失真較小，使用的較多。本設計按要求進行通頻帶兩端頻率特性調節(jié)，即高低音音質調節(jié)。</p><p>　　4.3.1 反饋式高低音調節(jié)電路的設計和電路工作原理</p><p><b>　　電路組成</b></p>

64、<p>　　反饋式高低音調節(jié)是由放大電路中的阻抗元件R、C組成的。為了使這種電路得到滿意的效果，要求電路輸入信號源的內(nèi)阻應足夠小，另外要求用來實現(xiàn)反饋式高低音調節(jié)電路的放大級開環(huán)增益應足夠大（電路中運放的采用正是此）。</p><p>　　放大增益為： A＝ </p><p>　　當頻率改變時，Z,Z的比值改變，放大器增益隨之

65、改變。若改變阻抗元件的電路結構，Z,Z隨頻率而改變，即達到了由改變電路結構來改變高低音的目的。從圖4.6的4種電路結構就可以清楚的看到這些電路不同頻率其增益改變的情況。</p><p>　　圖4.6 四種電路結構（a）</p><p>　　圖4.6 四種電路結構(b)</p><p>　　在圖4.6(a）的電路里</p><p><

66、b>　　Z=R</b></p><p><b>　　Z=R+</b></p><p>　　當C1取值較大時，其容抗只有在低頻時才有較大的變化，頻率越低，Z越大，電路增益越高，這樣就達到了低音提升的目的。</p><p>　　在圖4.6(b）的電路里，把容量較小的C放在輸入電路中，此電路</p><p>

67、　　Z=R∥ (4.3.1)</p><p><b>　　Z=R</b></p><p>　　由于C容量較小，只有在高頻時Z隨頻率有明顯的變化，頻率越高，電路增益越高，達到了高頻提升的日的。同理，圖4.6(c）可以使高音衰減[8]，圖4.6(d）可以使低音衰減。</p><p>　　綜合以上

68、4種情況，可以得到圖4.7所示的反饋式音調控制電路，圖中R為低音調節(jié)，R為高音調節(jié)。為了使電路得到較滿意的效果，C,C容量要適當，其容抗和有關電阻相比在低頻時要足夠大，在中高頻時要足夠小，而C的容抗選擇是在低、中頻時足夠大，而在高頻時要足夠小，就是說C,C只讓中、高音信號通過不讓低音信號通過，而C只一讓高音信號通過而不讓中低音信號通過。在電路設計時時常設。</p><p><b>　　R=R=R=R&l

69、t;/b></p><p><b>　　R=R=9R</b></p><p><b>　　C=C=C</b></p><p>　　圖4.7 反饋式音調控制電路</p><p>　　4.3.2 電路的幅頻特性</p><p><b>　　■信號在低頻區(qū)<

70、;/b></p><p>　　由于C的數(shù)值較小低頻時呈現(xiàn)的阻抗很大，上下兩個支路相比R,C支路相當于開路。設運算放大器為理想元件，則同、反相端電位相等且近于0，R的影響可以忽略。當R的觸點移到A點時C被短路在此電路中信號通過R加到反相輸入端，反饋信號通過R、R、C也加到反相輸入端，對中、高音信號而言，C相當于短路，反饋支路只有R，反饋量最大時的電路增益很小，輸出U0很小。隨著頻率的降低，C容抗增大，反饋支路

71、除R外還有R//X，而且山于R>>R,此時反饋量極小，從而獲得最大增益，輸出U0最大，這就是低頻提升。</p><p>　　低頻提升的數(shù)學關系式： </p><p>　　A=- (4.3.2)</p><p><b>　　Z=R+（R∥）</b></p>

72、<p><b>　　Z=R</b></p><p>　　則 A= (4.3.3)</p><p>　　其中 (4.3.4)</p><p><b>

73、　　(4.3.5)</b></p><p>　　根據(jù)假設條件 </p><p>　　即： </p><p><b>　　(4.3.6)</b></p><p>　　當時（信號頻率接近中頻時）</p><p>　　20lg=0

74、 (4.3.7)</p><p>　　當時 = (4.3.8)</p><p><b>　　20lg=3dB</b></p><p>　　即在此時頻率上調節(jié)電路可以提升3dB</p><p>　　當 =

75、 (4.3.9)</p><p><b>　　20lg17dB</b></p><p>　　當時 (4.3.10)</p><p><b>　　20lg=20dB</b></p><p>　　從上面幾種情況可

76、以看出，當頻率分別為當,,,時，對應的提升量為0dB,3dB ,17dB,20dB，低頻提升量較人。兩轉折頻率,之間按照倍頻程6dB變化。</p><p>　　利用同樣的分析方法，當R滑動B點時。對高，中音信號來說，此電路中的C相當于短路，R被短接，放大倍數(shù)為1，無衰減也沒有提升。隨著頻率的降低，C的容抗增大，輸入信號衰減量增大，反饋量也加大增益下降。當頻率很低時，C相當于開路，輸入信號衰減最大反饋最深，增益最小

77、，這就是低頻衰減。其幅頻特性的數(shù)學表達式為：</p><p>　　A= (4.3.11)</p><p>　　令 </p><p>　　即 A= (4.3.12)</p><p>　　A=

78、 (4.3.13)</p><p><b>　　a</b></p><p><b>　　b</b></p><p>　　圖4.8 音調控制級低頻時的等效電路和波特圖</p><p>　　用低頻提升電路同樣的分析方法，可得到圖 4.8b 的幅頻特性曲線，在二中頻區(qū)域增

79、益為OdB，在，時增益為-3dB ,時增益為-17dB ,在之間為倍頻程6dB變化，最大衰減為20dB,為轉折頻率。</p><p><b>　　■信號在高頻區(qū)</b></p><p>　　由于頻率較高，大電容C1、C2可以視為短路，而C3再不能視為開路了，其等效電路如圖4.9A 所示，為了討論方便，把Y型接法改成△接法，如圖4.3.4B 所示：</p>

80、<p>　　圖 4.9 Y型接法</p><p><b>　　圖4.9 接法</b></p><p>　　其中 (4.3.14)</p><p><b>　　(4.3.15)</b></p><p>&

81、lt;b>　　(4.3.16)</b></p><p>　　從圖 4 .9B的電路叮以看出，通過Rc、Ra反饋到輸入端的信號極小，這一支路的反饋信號大部分被信號源短路，同樣，信號Ui通過Rc、Rb加到反相輸入端的也極小，可見，Rc對電路的影響相當于開路。</p><p>　　另外R數(shù)值較大，當觸點移動到C點時經(jīng)R送回的反饋信號相當微弱，D、C點相當于開路。當觸點移動到D點

82、時，由于R很大，信號幾乎不可能通過R送到反相輸入端，C、D間相當于開路。當觸點接到C與D這兩個特殊點時其等效電路相當于下圖4.10 所示：</p><p>　　圖4.10 等效電路(a)</p><p>　　圖4.10 等效電路(b)</p><p>　　高頻提升： A= (4.3.17

83、)</p><p>　　= (4.3.18)</p><p>　　其中 (4.3.19)</p><p><b>　　(4.3.20)</b></p><p><b>　　高

84、頻衰減</b></p><p>　　A= (4.3.21)</p><p>　　= (4.3.22)</p><p>　　其中 (4.3.23)</p>

85、<p><b>　　(4.3.24)</b></p><p><b>　　其規(guī)律為：</b></p><p>　　中頻區(qū)增益為0dB，時增益為3dB,時增益為17dB，之間為6dB倍頻程變化，最大提升和衰減量為20dB。</p><p>　　曲線在、之間或是、之間有倍頻程6dB的變化規(guī)律。設、與之間的某一頻率

86、，是與之間的某一頻率，則有以下關系式：</p><p>　　=2 (4.3.25)</p><p>　　=2 (4.3.26)</p><p>　　通過以上分析可以看出：</p><p>　　R控制低音，R控制高音。</p>

87、<p>　　當R從A向B滑動時，低音信號衰減逐漸加強，使低音從提升轉向衰減，同樣的道理，當R從C向D滑動時，高音信號衰減加大，反饋也增強，使高音信號從提升轉向衰減，把R、R放在不同的位置時，可以得到高低音的不同提升和衰減。音調控制電路中增益A不因R、R改變而改變。</p><p>　　電路的最大提升量是依靠減少輸入信號衰減和減弱負反饋量來達到的，因此電路的放大級必須有足夠的開環(huán)增益，才能依靠強的負反饋獲

88、得較寬的調節(jié)量。</p><p>　　4.3.3 設計方法 </p><p><b>　　■選擇組件</b></p><p>　　根據(jù)對組件的要求選擇組件，因高低音調節(jié)電路一般放在多級放入器的中間部位，對其沒有特殊要求故選用通用型就可以了 。</p><p><b>　　■確定轉折頻率</b>&l

89、t;/p><p>　　在己知、轉折頻率及要求的、處的提升或是衰減量時，可以根據(jù)與、與之間的關系求出、。</p><p><b>　　■確定R、R數(shù)值</b></p><p>　　前面已經(jīng)假定R=R=9R。它的確定影響著轉折頻率及其他元件參數(shù)。因組件差模電阻較大，R、R可以選的大些，一般選幾十千歐到幾百千歐。</p><p>

90、<b>　　■元件參數(shù)計算</b></p><p>　　由上面公式（4.3.26） 可知</p><p>　　R= R=R=R= (4.3.27)</p><p>　　C=C= (4.3.28)</p><p>　　由上面公式4.3.

91、19可知</p><p>　　C= (4.3.29)</p><p><b>　　■藕合電容</b></p><p>　　設放大器的下限頻率為,在低頻時音調控制電路的輸入電阻R,按照一般RC藕合電路計算出電容：</p><p>　　C>>(0—10)

92、 (4.3.30)</p><p><b>　　綜上所述：</b></p><p>　　可以得到如圖4.11 所示電路。運算放大器選用單電源供電的四運放LM324 ，其中RP3稱為音量控制電位器，其滑臂在最上端時，輸出最大功率。</p><p><b>　　轉折頻率以及：</b><

93、;/p><p>　　=Hz (4.3.31) </p><p>　　則 = (4.3.32)</p><p>　　= (4.3.33)</p><p>　　==25

94、 (4.3.34) </p><p>　　圖 4.11 音調控制級</p><p>　　A= (4.3.35)</p><p>　　Rl、R2、RP1不能的太大，否則運放飄移電流的影響就不可忽略，但也不能太小，否則流過它們的電流將超出運放的輸出能力。一般取幾千歐到幾百千歐。</p>

95、<p>　　表 4.2 LM324 特性表</p><p><b>　　表 4.21續(xù)</b></p><p>　　現(xiàn)在取 RP=470kΩ </p><p>　　R=R=47kΩ </p><p>　　則

96、 A===11（20.8） (4.3.36)</p><p>　　由式4.3.5 可得 = (4.3.37)</p><p>　　C==0.008 (4.3.38)</p><p>　　取標稱值0.01,

97、即 </p><p><b>　　C= C=0.01</b></p><p>　　R=R=R=3R=3R=3R</p><p>　　R=R=R=47 R=3R=141</p><p><b>　　取R=143</b></p><p><b>　　A=

98、</b></p><p><b>　　R==14.1</b></p><p><b>　　取標稱值13</b></p><p>　　由4.3.19 可得： = (4.3.39)</p><p>　　則

99、 C==490 (4.3.40)</p><p><b>　　取標稱值510</b></p><p>　　取RP2=RP1=470,RP3=10級間耦合與隔直電容C=C=10經(jīng)過核算，能夠達到要求。</p><p>　　4.4 末級功率放大級的設計</p&g

100、t;<p>　　4.4.1 基本要求</p><p>　　功率放大電路的主要任務是：在允許的失真限度內(nèi)，盡可能高效率的向負載提供足夠大的功率。因此，功率放大電路的電路形式，工作狀態(tài)，分析方法等等都一與小信號放大電路有所不同。在實用的電路中，往往要求末級輸出一定的功率以驅動負載。從能量轉換的角度來看：功率放大電路一與其他放大電路在本質上并沒有什么區(qū)別，只是功率放大既不是純追求輸出高電壓，也不是單純追

101、求輸出大的電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。 </p><p>　　對功率放大電路的基木要求是：</p><p>　　首先，輸出功率要大；</p><p>　　輸出功率 P0= U0，要獲得大的輸出功率，不僅要求輸出電壓高而且要求輸出電</p><p>　　流大。因此，晶體管工作在大信號極限運行狀態(tài)，應用時要考慮放大

102、器件的極限參數(shù)，</p><p>　　以保證功放電路的安全運行。</p><p><b>　　其次，效率要高；</b></p><p>　　放大信號的過程就是電路按照輸入信號的變化規(guī)律，將直流電源提供的能量轉換為交流能量的過程。其轉化效率為負載上獲得的信號功率和電源供給的功率之比值。</p><p>　　4.4.2 電

103、路形式的選擇</p><p>　　由于本設計任務要求額定功率不小于10w，考慮留出50％的裕量，故設計輸出功率應該在15w以上，同時輸出負載8歐姆，因此在放大電路中，鑒于這些原因，簡單的分立元件的功放電路要達到上述目標較困難，故選用LM1875 的升級產(chǎn)品：LM3875[9] 。該功放集成塊的性能指標優(yōu)異。</p><p>　　例如在頻率范圍20Hz~20kHz、輸出功率是40W時：<

104、;/p><p>　　THD+N小于0.06%:</p><p>　　轉換速率為11V/:</p><p>　　頻帶寬，1.3dB點可達到20kHz~40kHz ；</p><p>　　信噪比大于114dB。</p><p>　　此外，該功率塊內(nèi)部采用NS公司獨創(chuàng)的Spike專利保護電路，可對輸出級晶體管的安全工作區(qū)進行動態(tài)

105、檢測和保護。因此外圍電路無須再用專門的保護電路，從而使整機電路得以簡化。其外圍電路通過手冊可得到，該功放外圍電路的元件值。</p><p>　　如圖4.12 所示：</p><p>　　圖 4.12 功率放大級</p><p>　　4.4.3 末級功放參數(shù)計算</p><p>　　根據(jù)任務要求留出一定量的功率富裕度，本設計擬選擇輸出功率

106、Po=20W，由于該輸出功率值明顯低于LM3875T[9] 的額定輸出功率，從而可以使其他各項性能指標容易滿足。</p><p>　　輸出電壓和電流幅值： </p><p>　　根據(jù)輸出功率和負載要求：</p><p>　　U== (4.4.1)</p><p><b>　　(4.4.2

107、)</b></p><p>　　直流供電電壓的選擇：考慮齊方面因素的影響，電源電壓應高于U考慮5V的電壓裕度本設計?。?lt;/p><p>　　V= (4.4.3)</p><p><b>　　最大耗散功率：</b></p><p>　　P==934.7W

108、 (4.4.4)</p><p><b>　　效率：</b></p><p><b>　　(4.4.1)</b></p><p><b>　　電壓增益確定：</b></p><p>　　由前置級可知，提供給功放級的最小輸入電壓和電壓增益分別為：<

109、/p><p><b>　　(4.4.5)</b></p><p><b>　　即37dB</b></p><p><b>　　頻帶寬度：</b></p><p>　　LM3875T是我單位增益GBWP=2MHz，因此可以算得功率放大級帶寬BW為：</p><p&

110、gt;　　BW= (4.4.6)</p><p>　　主要外圍元器件的選擇：</p><p>　　為了滿足低頻部分的要求，C1、C2、C3 等選用ELNA公司0.47的無極性電容器。電容量在0.4以下的電容器，如C2、C4、C6、C7等均選用優(yōu)質的MKP系列電容器，</p><p>　　必要時應選用無感金屬化聚丙烯電容器，如

111、C3、C5等等。 </p><p>　　因為電路采用的同相輸入，其放大倍數(shù)：</p><p><b>　　(4.4.7)</b></p><p><b>　　R=69R</b></p><p><b>　　因為R不宜過小。</b></p><p>

112、　　所以取R為表稱值620Ω，則得：</p><p>　　R=69R=42.78Ω</p><p><b>　　取標稱值43kΩ。</b></p><p>　　R1則上應遠大于前級電路的內(nèi)阻，本設計選用阻值為10okΩ的標稱電阻。R2選用阻值為1kΩ的標稱電阻。C4、C6接入目的是為了減小大容量的C3、C5濾波電容器自身線繞電感的影響。為使負載

113、接揚聲器時的變頻特性，接入R5、C7組成消振網(wǎng)絡，按經(jīng)</p><p>　　驗R5一般取幾歐到幾十歐，C7一般取0.7，本設計取R5=2.7Ω。</p><p>　　4.5 供電電源與接地</p><p>　　為保證整體性能，采用功放級獨立供電方式，但是可以與整機其余部分的供電同用一個電源變壓器，變壓器次級有兩個獨立繞組，其中一組交流電經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓后提供1

114、2V 的穩(wěn)定直流電壓。如圖 ：</p><p>　　圖4.13 直流電源電壓</p><p>　　另一繞組則供功放級使用，由LM3875T [9]的電源抑制比可達120dB, 故不必采用穩(wěn)壓電路，只要濾波電容器的容量足夠大即可。一般采用橋式整流電路產(chǎn)生，如欲使100Hz的交流聲極低，則應采用雙橋整流電路[10]。</p><p>　　在音頻電路中接地方法是否正確對

115、保證性能十分關鍵。地線可以分為兩類，一種是信號地，另一種是電源地，也叫功率地。正確的接地法是所一謂星型接地法，即一點接地法。電源地和信號地分別走線，最終接至一點。如圖 4.14 :</p><p>　　圖4.14 菱形接地</p><p>　　如上圖所示稱為“菱形”接地方式，電源地（功率地）、信號地，正負電源的濾波電容器分別接于由粗導線構成的菱形地線4個角上。整機的信號和功率地分別用一導

116、線接至信號地和電源地，可以使電源的脈動成分與信號間的相互影響減至最小。</p><p><b>　　4.6 總體電路</b></p><p>　　低頻功率放大器是一個小型的電路系統(tǒng)，要將各級進行合理布局般按照電路的順序一級一級的布局，每一級的地線要盡量接在一起，連線盡量短，否則很容易出現(xiàn)自激。</p><p>　　將己經(jīng)設計好的各級電路連接起