哈工大_模电自主设计实验报告

模拟电子技术课程大作业

姓名：

学号：

院系：控制科学与工程系

题目：音频功率放大器的设

计与实现

音频功率放大器的设计与实现

1.实验目的

设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度≤5mV，负载电阻等于8Ω的

条件下，音频功率放大器满足如下要求：

1、最大输出不失真功率P OM≥8W。

2、功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz。

3、在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。

4、输入阻抗R i≥100kΩ。

5、具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz处有±12dB的调

节范围。

2.总体设计方案

该音频功率放大器可由图1所示框图实现。前置放大级主要实现对输入信号进行放大，从而与功率放大器的输入灵敏度进行匹配。音调控制级主要实现对输入信号的提升或衰减作用，以满足不同听众的需求。功率放大级是此音频功率放大器的核心部分，它决定了输出功率的大小。下面介绍各模块的实现方法。

图1 音频功率放大器组成框图

1.前置放大器

由于输入信号非常微弱且音频宽度过大，需要前置放大器有较高的输入阻抗，较低的输出阻抗，噪声小，频带宽。为达到预期的效果，有两种选择。一是由分立元件搭建的放大电路，二是采用合适的集成放大电路。由于集成放大电路性能稳定，外围电路简单，便于调试，本前级放大电路选择集成放大电路实现。

2.音调调节级

音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。因此，选用负反馈式音调控制电路。下面介绍典型电路的实现。

由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是

低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。

低音

高音

图2 负反馈式音调控制电路图

在电路图2中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图3(a)。由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图3(a)电路的频率响应分析如下：

dB

10

20

2

L

1L

Rp2

(a) 低音提升等效电路图(b) 低音提升等效电路幅频响应波特图

图3 低音提升等效电路图及幅频响应曲线

图3所示的电压放大倍数表达式为：

1

2

2

2

2

2

1

2

.

/)

1

(R

R

C

j

R

C

j

R

Z

Z

A

P

P

Vf

+

+

-

=

-

=

ω

ω

化简后得：

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

.

1

1

P

P

P

P

Vf R

C

j

R

R

R

R

C

j

R

R

R

A

?

+

+

?

+

?

+

-

=

ω

ω

所以该电路的转折频率为：

2

2

12

1

C

R

f

P

L?

=

π

，

2

2

2

2

2

22

1

)

//

(

2

1

C

R

C

R

R

f

P

Lπ

π

≈

=

可见当频率0

→

f时，

1

2

2

.

R

R

R

A P

Vf

+

→；当频率∞

→

f时，1

1

2

.

=

→

R

R

A

Vf

。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增

益可以得到提升，最大增益为

1

2

2

)

(R

R

R

P

+。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3(b)所示。

同样当R p2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图4(a)所示。由于电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图4(a)电路的频率响应分析如下： 该电路的电压放大倍数表达式为：

1

121

22122112.

)//(11//)1(C R R j C R j R R R R C j R R A P P P P Vf ωωω++?+-=+-

=，

其转折频率为：

12'121C R f P L π=

，1

12'

221)//(21R R R f P L ππ≈=

可见当频率0→f 时，212.

P Vf

R R R A +→

；当频率∞→f 时，11

2.=→R R

A Vf 。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R 2与R 1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为)(212P R R R +。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4(b)所示。

在电路给定的参数下，'

11L L f f =，'

22L L f f = 。

-10

-20''

(a) 低音衰减等效电路图 (b) 低音衰减等效电路幅频响应波特图

图4低音衰减等效电路图及幅频响应曲线

同理，图2电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图5（a ）就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图 中的R1、R2、R3组成的Y 型网络转换成△连接方式，如图

5（b ）。其中2

3131R R R R R R a ?+

+=，13

232R R R R R R b ?++=，

3

2

121R R R R R R c ?+

+=。在假设条件R 1=R 2=R 3的条件下，R a =R b =R c =3R 1。

高音

高音

(a) (b)

图5 高音等效简化电路

如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过R c 支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，R c 的反馈作用将忽略不计（R c 可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：

[]4

34343.

1()(1//)1(R C j R R R C j R R R C j R A a a b a b Vf ωωω+++=+=

其转折频率为：

)(21431a H R R C f +=

π 4

3221

R C f H π=

当频率0→f 时，1.

=→a

b Vf

R R A ；当频率∞→f 时，44

.R R R A a

Vf +→。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为

4

4R R R a

+。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图6(b)所示。

1020

2H 1

H (a) 高音提升等效电路 (b) 高音提升等效电路的幅频响应波特图

图6 高音提升等效电路及幅频响应曲线

当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图7（a ）所示。

-10

Rb

Ra

''

(a) 高音衰减等效电路 (b) 高音衰减等效电路的幅频响应波特图

图7 高音衰减等效电路及幅频响应曲线

该电路的电压放大倍数表达式为：

)

(11//)1

(434

334.

b a

c a b

Vf R R C j R C j R R R R C j R A +++?

=+

=

ωωω 其转折频率为：

)(2143'

1b H R R C f +=

π，4

3'

221R C f H π=

当频率0→f 时，1.

=→a

b Vf

R R A ；当频率∞→f 时，b Vf R R R A +→

44

.。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频响应曲线的波特图如图7(b)所示。 在电路给定的参数下，'

11H H f f =，'

22H H f f

= 。

（2）音调控制器的幅频特性曲线

综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。

1020f

图8 音调控制电路的幅频响应波特图

3. 功率放大级

功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。

功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有OTL 型、OCL 型、DC 型和CL 型。有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。

3.实验电路图

本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。首先根据输出功率的确定电源大小和整个系统的增益。因为音频功率放大器的输出功率P OM ≥8W 。所以音频功率放大器的输出幅值3.118822=??=≥L OM OM R P V （V ）

。当输入信号最小值为5mV 时，整个放大系统的电压放大倍数为：22601053.113

=?==-i OM V V V A （倍），即672260lg 20=（dB ）。

根据整个放大系统的电压增益，合理分配各级单元电路的增益。功率放大器级（采用集成功放）电压放大倍数取30倍；音调控制器放大器在中频（1KHz ）处的电压放大倍数取1；前置放大器的电压放大倍数取80（考虑到实际电路中有衰减）。

音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。如上所述，该系统的输出信号幅值为11.3V ，从提高效率的角度考虑，电源电压越接近11.3V 越好，但这样输出信号的失真将增大；从减小失真的角度考虑，可适当的提高电源电压。综合考虑，音频功率放大器整个系统的电源电压采用±15V 供电。 1、 前置放大器电路

根据音频信号的特点，前置放大器选择由NE5532集成运算放大器构成的电压放大器完 成。NE5532在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具有优异的指标，由它组成的电压放大器可以很好的满足设计要求，电路如图9所示。前置放大器有两级放大器组成，第一级采用NE5532构成的电压串联负反馈电路，具有输入阻抗高的特点。第二放大器采用NE5532组成的电压并联负反馈电路，该电路具有输出电阻小、抗共模干扰信号强的特点。第一级放大器的电压放大倍数为：7.510

471123=+=+

R R ；第二级放大器的电压放大倍数为：204

5

-=≈-

R R ；电容C 5、C 6的作用是高频滤波，电容C 3、C 4是去耦电容，消除低频自激振荡。前置放大器的下限频率由电容

C 1和电阻

R 1决定。

2、 音调控制器电路

该音频功率放大系统的音调控制电路的控制特性要求为：低音在100Hz 时为±12dB ， 高音在10kHz 时为±12dB 。设计满足要求音调控制器的一般步骤为： （1） 选择电路结构和放大单元器件

电路结构选用图2所示的负反馈式音调控制器。放大单元器件选择集成运算放大器LF356。LF356的输入阻抗非常高，可达1012Ω，可以很好地满足控制特性要求，只需采用小容量电容器即可。

（2） 计算低音调节转折频率和高音调节转折频率

根据R P1=R P2=9R 1的条件，该音调控制放大器电路的最大提升和衰减量为：

20lg

20122+=+R R R P （dB ），20lg 202

21

-=+R R R P （dB ）

。 根据图 可知，f L1、f L2、f H1、f H2为转折频率，且幅频特性是按±6dB/倍频程的斜率变化的。

已知要求在低音100Hz 处的提升或衰减±12dB ，所以低音调节转折频率： 68.392

1006

12201==-L f （Hz ），4002

1006

122=?=-L f （Hz ）。

同理，根据高音10kHz 处的提升或衰减±12dB ，可得高音调节转折频率： 5.22

)1010(6

0123

1=?=-H f （kHz ），2.252

10106

12

203

2=??=-H f （kHz ）。

（3） 音调调节电位器选择

因为LF356集成运算放大器的输入阻抗很高，电位器R P1、R P2的阻值可适当高一些。现选R P1=R P2=200k Ω。

（4） 低、高音调整电容及电阻的选择

02.01020068.3921

213

2

121≈???=

=

=ππP L R f C C （μF ），可采用两个0.01μF 电

容并联。

电阻22.2292002321≈====P R R R R （k Ω），选标称值22k Ω。 当f=f H2=25.2kHz 时，高音提升20dB ，即20lg

2044=+R R R a （dB ），所以104

4=+R R R a

。

因为R a =3R 1，所以3.79/2239314=?==R R （k Ω），取标称值7.5k Ω。

840105.7102.2521

213

34

23≈????=

=

ππR f C H （pF ），取标称值C 3=1000pF 。

最后设计好的音调控制器电路如图10所示。

+

_

A 200k ΩRp2

C1C2

R1R2R3R4C3C V01

Vo2

0.02uF 0.02uF

22k

22k

22k

LF356+15V -15V

1uF

7.5k 1000pF

图10 音调控制电路图

3、 功率放大器电路

采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组装、调试方便，成本低 廉，所以本设计选用集成功放实现。目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取SGS 公司生产的TDA2030/2030A 集成功放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单，可以作OTL 使用，也可作OCL 使用。

TDA2030/2030A 的外引线如图11所示。1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4脚为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。电路特点是引脚和外接元件少。其主要特点为：电源电压范围为6V ~18V ，静态电流小于60μA ，频响为10Hz ~140kHz ，谐波失真小于0.5，在V CC = ±14V ，R L =4Ω时，输出功率为14W 。在8Ω负载上的输出功率为9W 。

TDA20301234

5

相输入相输入

-Vs

输出端

+Vs

Rp 100k

V02

C1+10uF

R322k 12+

_TDA2030

5

3

4R1680

C2+

22uF

R222k

-15V

+15V ++

D1

1N4001D2

1N4001C3C4C5

C6C3=C4=100uF C5=C6=0.1uF

R41ΩC70.22uF

8Ω

Vo

图11 TDA2030管脚图 图12 TDA2030组成的OCL 功率放大器电路

由TDA2030/2030A 构成的OCL 功率放大器电路如图12所示。该电路由TDA2030组成的负反馈电路，其交流电压放大倍数3368

.0221121≈+=+

=R R A Vf （倍），满足设计要求。

二极管D1、D2起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。R4、C2组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容C1是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。电容C3、C6是低频旁路电容，电容C5、C4是高频旁路电容。电位器R P是音量调节电位器。

4. 仪器设备名称、型号

仪器名称型号

Agilent示波器

Agilent信号发生器

毫伏表DA-16

5.理论分析或仿真分析结果

本实验采用multisim11.0进行仿真，首先对各个模块电路进行仿真，检验是否能完成相应的功能。然后再将各个模块连在一起进行整体仿真。以下为仿真电路及仿真结果：

1. 前级放大电路

前级放大电路仿真电路图

零输入情况下：

第一级输出直流电压第二级输出直流电压

第一/二级的输出交流电压

前级放大电路

15KHZ时的波形，此时电压放大倍数为79.88

50HZ时的输出电压波形，此时电压放大倍数为79.88

由以上仿真知道前级放大电路的放大倍数为79.88倍，与理论值80接近，满足设计要求。下面为前级放大电路的波特图

最大增益38.05dB

下限频率

372,759mHZ

上线截止频率572.485khz

由波特图可知前级放大电路的频带宽度为372,759mHZ 到572.485khz ，满足设计要求。 2、音调调节电路

C11μF

C30.02μF C4

1000pF

R122kΩ

R222kΩ

R322kΩ

R4

7.5kΩ

R6

200kΩKey=D

100%U1

LF356AH

3

2

4

7

6

5

1

V115 V

V215 V

XMM1

XSC1

A B

Ex t Trig

+

+

_

_

+

_

XFG1

XBP1

IN OUT

C20.02μF

R5

200kΩ

Key=A 50%

音调调节电路电路

2.1 静态测试：

2.2 中音测试

可以看到中音时（1khz）电路的放大倍数为1

2.3 低音测试

2.3.1低音提升测试

由上图可以看出低音时最大可以放大8倍，在100hz处能放大3.7倍，约为11.5db，基本满足要求。

2.3.2低音衰减测试

频率低时发生了衰减，在100hz处衰减了12.8倍，满足要求

2.4 高音测试

2.4.1 高音低升

达到了高音提升的目的，在10khz处放大倍数为12.66db，满足条件2.4.2 高音衰减

高音发生了衰减，在10khz处衰减达-12.65db，满足设计要求。

3. 功率放大电路

R1

100kΩ

Key=A

100%

C1

10μ

F

C2

22μF

C3100μF

C4

100μF

C5

0.1μF

C6

0.1μF

C7

0.22μF

R2

22kΩ

R3

22kΩ

R4

680Ω

R5

1Ω

U1

TDA2030

1

2

3

5

4

D2

1N4001

V1

15 V

V2

15 V

D1

1N4001

R6

8Ω

XMM1

XSC1

A B

Ex t Trig

+

+

_

_+_

XFG1

XSC2

A B

Ex t Trig

+

+

_

_+_

XBP1

IN OUT

3.1 静态测试

静态测试正常

3.2 动态测试

输入为400mv是未出现失真

输入为405mv时底部已有失真

输入为410mv时已出现明显失真

综上分析：放大倍数为33.215。输入为400mv时已达到最大输出电压13.286v。此时输出功率最大为11.03W，满足设计需要。

当输入为340mv时输出波形如下：

此时输出为额定功率8w

从上面的仿真结果可以看出功率放大级的通频带为10.6695hz到17.1029khz，满足设计要求。

4.整个电路仿真

级联后的电路图

4.1 静态测试

几乎为零，没有发生自激振荡。

4.2 动态测试

输入为vpp=5mv，1khz，此为输出波形。没有发现失真。

输入为5.1mv时，底部发现失真。近似可以将输入为5mv时输出为最大不失真输出幅度，此时，最大不失真幅度为13.215v，最大不失真输出功率为10.9W.

由上图可以知道上线截止频率为17.0432khz，下限截止频率为11.6455hz

由上图可知噪声非常之小为16.078nv。

6.详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）

1、按照电路图连接前级放大电路，进行前置放大器调试。安装电路时注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反。同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象，同时测量前置放大器的噪声输出大小。加入幅值5mV、频率1000Hz的交流正弦波信号，测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。改变输入正弦波信号的频率，测试前置放大器的频带宽度。

静态测试数据（u i=0mv）：

第一级静态输出mv 第二级静态输出mv 是否放生自激振荡（是/否）

5.0 4.8 否

动态测试数据（u i=5mv）：