音频功率放大器的设计毕业论文

音频功率放大器的设计毕业论文

单刀音频功率放大器的设计

摘要

本次课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放，音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放。

设计中主要采用OP07进行音频放大器的设计，OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。设计中的音频功率放大器主要由直流稳压电源、前置放大电路、二级放大电路和功率放大电路组成。前置放大电路采用了反相比例运算放大器，二级放大电路用一个低通滤波器和一个高通滤波器组成一个带通滤波器，功率放大电路采用了OCL电路。直流电源采用桥式电路进行整流，输出则采用了三端集成稳压器。

对前置放大电路和二级放大电路进行了输入、输出分析和频率响应分析。对功率放大电路进行了输入和输出功率分析。对直流电源进行了输出电压验证。最后对总电路进行了输入、输出

分析、频率响应分析、噪声分析。

关键词： OP07 音频功率放大器

目录

摘要................................................................ I Abstract.......................... 错误!未定义书签。第一章音频放大器的概述.. (1)

1.1音频放大电路的回顾 (1)

1.2音频功率放大器的介绍 (2)

1.2.1 A类(甲类)功率放大器 (3)

1.2.2 B类(乙类)功率放大器 (3)

1.2.3 AB类(甲乙类)功率放大器

(4)

1.2.4 C类(丙类)功率放大器 (4)

1.2.5 D类(丁类)功率放大器 (5)

1.3放大器的技术指标 (5)

第二章音频功率放大器的设计 (11)

2.1设计方案分析 (11)

2.2前置放大电路设计 (11)

2.3二级放大电路设计 (15)

2.2.1 低通滤波器设计 (15)

2.2.2 高通滤波器设计 (17)

2.2.3 二级放大电路电路设计 (20)

2.4功率放大器设计 (21)

2.5 直流稳压电源设计 (23)

2.6 OP07的功能介绍 (25)

第三章电路的仿真 (27)

3.1 前置电路的仿真 (27)

3.1.1 输入与输出分析 (28)

3.1.2 电路频率响应特性分析 (29)

3.2二级放大电路仿真 (30)

3.2.1电路输入与输出分析 (31)

3.2.2电路频率响应特性分析 (31)

3.3 功率放大电路功率仿真 (33)

3.4 直流稳压电源仿真 (35)

3.5音频功率放大电路仿真和分析 (36)

3.5.1 电路输入与输出分析 (37)

3.5.2电路频率响应特性分析 (38)

第四章焊接调试组装 (40)

4.1焊接 (40)

4.2组装 (41)

4.3调试 (41)

4.4结果 (41)

总结 (43)

致谢 (45)

参考文献 (47)

第一章音频放大器的概述

1.1音频放大电路的回顾

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。

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，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。

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。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。

1.2音频功率放大器的介绍

按照电流导通角的大小可分为A类(甲类)、AB类(甲乙类)、 B类(乙类)、C类(丙类)和D 类(丁类)功率放大器。

1.2.1 A类(甲类)功率放大器

A类(甲类)功率放大器电流导通角θ=180°，理想效率为50%，一般适用于小信号电压放大器。

A类功率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。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。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。

1.2.2 B类(乙类)功率放大器

B类(乙类)功率放大器电流导通角θ=90°，理想效率为78.5%。

B类功率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，一管导通另一管截止，输出端为正半周正弦波；同理，当Vi为负半周期内，输出端为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78.5%)，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，两管都无法导通而引起的。

1.2.3 AB类(甲乙类)功率放大器

AB类(甲乙类)功率放大器电流导通角90°<θ<180°，理想效率为50%<η<78.5%。AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)。AB类功率放大器的好处是：可以避免交越失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

1.2.4 C类(丙类)功率放大器

C类(丙类)功率放大器电流导通角θ<90°，理想效率η>78.5%。

C类功率放大器的主要特点是：处在C类状态时，放大器的电流波形有较大的失真，因此只能用调谐回路作为负载，以滤除谐波分量，选出信号基波，从而消除失真。

1.2.5 D类(丁类)功率放大器

D类(丁类)功率放大器功率管处于开关状态，理想效率为90%～100%。

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号变换成脉冲信号,然后用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。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器等四部分组成。它有以下好处：

1．具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

2．体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

3．低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

1.3放大器的技术指标

评价一个功放系统或设备是否符合高保真要求，一般应采用主观听音评价和客观指标测试相结合的方式来进行，并以客观测试指标为主要依据。因为采用仪器测试设备的性能指标．能得

到很直观的可供参考比较的定量结果，无疑是最科学而值得信赖的。音频功放的技术指标，主要包括输出功率、频率特性、信噪比、瞬态响应以及非线性失真等。其中，输出功率、频率特性等，通常称为静态特性指标，它们是用稳态信号测量的。而瞬态特性和非线性失真等，则称为动态特性指标，它们是用非稳态信号测量确定的。

1、额定功率

音响放大器输出失真度小于某一数值(r<1%)的最大功率称为额定功率，表达式；

P

o = U

o

2/R

L

(1-1)

U

o 为负载两端的最大不失真电压，R

L

为额定

负载阻抗。

测量条件如下：信号发生器输出频率为1kHz，电压U

i

=20mV正弦信号。功率放大器的输

出端接额定负载电阻R

L

(代替扬声器)，输入端接

U

i ，逐渐增大输入电压U

i

；直到U

o

的波形刚好不

出现谐波失真(r<1%)，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小U

i

，以免损坏功率放大器。

2、频率响应

音频功放的频率特性，是反映它对不同信号

频率放大能力的物理量。通常采用输出电平随频率变化的关系曲线来描述。指的是振幅频率特性，习惯上称为幅频特性或频率响应(简称为频响)。

在说明音频功放的频率特性时，有两点必须

明确给出。即：一是有效频率范围。频率范围，20Hz ～20kHz 全面反映出该功放的频率特性指标。对于音频功放的频率特性指标而言，其有效频率范围越宽，且在该频率范围内相对参考电平的不均匀度越小。则说明该音频功放的频率特性指标就越好。

放大器的电压增益相对于中音频f o (1kHz)

的电压增益下降3dB 时所对应的低音频率f L 和高音频率f H 称为放大器的频率响应。

3、谐波失真

谐波失真是指信号通过音频设备后，新增加

的谐波成分。它是原信号波形中没有的波形变化，是不希望发生的。其值以新增加的谐波成分的均方根值与原信号电压的均方根值的百分比来表示。 即：122322U U U U THD n

（1-2）

式中 Ul—正弦波基波电压有效值;U2 ,U s. ?Un— 2次、3次、n次谐波电压有效值。谐波失真是电路或器件工作时的非线性引起的。高保真放大器的谐波失真一般应控制在0.05％以下，目前许多优秀的放大器失真度均可达到＜

0.01％。降低放大器谐波失真度的措施有：

①施加适量的电压或电流负反馈。

②选用fT较高、线性好的放大器件。

③尽可能提高各级对管参数的一致性或对称性。

④采用甲类放大，选用优秀的电路，如双差分放大、全互补输出或全对称等。

4、信号噪声比

信号噪声比 (S/N)指信号通过音频设备后增加的各种噪声(如低频呼声、感应交流声、嘀嘀声等)与指定信号电平的dB差值，或信号幅度与噪声幅度之比，其值常用分贝表示，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，这时标为噪声电平。现代高保真后级功放的S/N 一般能达到90dB以上，问题不会很突出。我们知道，多级放大器的S/N主要取决于第一级，故在系统中，我们要着重提高前级或前置放大器的

S/N。由于影响S/N的因素很多，提高S/N便显得很棘手，有时费了九牛二虎之力，能使之提高两三个dB已届战果辉煌。而人耳对噪声又很敏感，所以提高S/N往往成为设计及制作的主攻目标。虽然因素很多，但也不是无章可循，除了器件本身的噪声以外、放大器噪声的来源概括起来主要有三个途径：电源干扰、空间干扰和地线干扰。只要从以下几个方面人手，S/N一般便可达到令人满意的水平。

①适当降低信号源的输出内阻。合理设定前级或前置放大器的增益，避免使之过大，能满足系统增益要求略有富余便可，这在业余制作时往往被忽略。

②使用高性能的稳压电源供电。

③各放大级尽可能单独或并联供电(即各级电源端经一只隔离电阻直接与电源连接，并加接退耦电容)。

④严格区分模拟地线与数字地线，各级地线分别定线，一点接地。机壳的接地点应通过试验确定。

⑤合理布线、使输入信号引线尽可能短。超过4cm长的均应使用屏蔽线，屏蔽层单端接地，

各电位器、开关外壳也应可接地．小信号放大电路板应远离电源变压器。

第二章 音频功率放大器的设计

2.1 设计方案分析

本次设计的音频功率放大器分为音频放大

和直流电源两大部分。可由以下所示框图实现。

图2-1 音频功率放大框图

音频放大电路的功能是将其他电子设备的

音源信号进行放大，然后再经过功率放大，最后去推动扬声器输出，简单说就是一个扩音器。

图2-2 直流电源框图

直流电源部分则负责将220V 交流电转换为

低压直流电供放大电路使用，为了减小电源波动引起的噪声对放大电路的影响，电源部分将采用线性直流稳压电源。

2.2前置放大电路设计

声音源的种类有很多种，如传声器（话筒）

、

电唱机、及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。

一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号直接输入到功率放大器中的话，如输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这将失去音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。

前置放大电路的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音频信号进行放大并输出。本次设计的前置放大电路是一个高输入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信号放大电路，设计中将采用OP07来设计前置放大电路。

对于前置放大电路来说，输入阻抗越大越好，输出阻抗越小越好，所以本设计采用反相比例放大器，如图2-3。

图2-3 反相比例放大器

输出电压 U o =-I f R f （2-1）

而 I f =I 1=1R U U

i =1R U i （2-2） 最后得出 A uf =i o

U U =1

R R f

（2-3）

输入电阻为 r if =R 1

（2-4）

输出电阻为 r o =0

（2-5）

平衡电阻为 R 2=R 1∥R f

（2-6）

若设计一个放大倍数为10倍的前置放大电

路，输入电阻 R1将采用10k 的电阻，希望达到的放大倍数为10倍。则根据公式，负反馈Rf 将采用100k 的电阻。因为R 2=R 1∥R f ，且R 1<

源供电。

若在输入端加入一电容，则电容C是耦合电容，其容量取值可以按如下规则来考虑：因为运放的反相端相当于“虚地”，故电容C和电阻R 构成一阶高通滤波器，人耳能听到的声音信号最低为 20HZ，故该高通滤波器的截止频率应当低于 20HZ，才能保证音频信号的完整传输，即：

（2-7）R 取 10K，可以求得电容 C 的容量应当大于 0.96μF。但是在实际工程设计中，上述计算值只能做一个参考，一般耦合电容的取值都应该大于计算值。所以我电容值取4.7μF。

画出前置放大电路原理图如图2-4。

图2-4 前置放大器电路

2.3二级放大电路设计

二级放大电路的设计将由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成，形成一个带通滤波器。

2.2.1 低通滤波器设计

低通滤波器容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。

典型的一阶有源低通滤波器如图2-5：

图3-5（a）反相输入低通滤波器（b）同

相输入低通滤波器

设计中采用集成运放低通滤波器的同相输入接法。

则

输出电压U

o =

U

R

R

1

2

1