一种简单而用电子分频音频放大电路设计

电子分频音频放大电路设计

1、概述

在现代人类社会的生产活动中，经常需要将各种声音信号转换为电信号，然后进行储存、放大后再输出。音频是指人耳能够感知的声音频率范围，电子分频是指对人能感知的声音频率分别进行低中高音的放大。音频功率放大则是指音频电信号被放大以后，还要能够有足够大的功率去推动扬声器或耳机等负载，重新将电信号转换为声音输出。

人耳所能感知到得声音频率范围大约为20Hz到20kHz，而人的语音频率范围则大约集中在80Hz到12kHz之间，因此在电子分频电路中将主要放大此部分音频，考虑到现在市场音响的供应基本为二扬声器音箱，因此此电子分频设计将包含低通滤波放大和带通滤波放大，低通为300Hz，带通为300Hz~20kHz，超出此频率范围的信号不给予考虑。

另外，人耳对声音的感知有两个重要的特点：1、人耳对声音强度的感知是对数性的，而不是线性的，这一特点能够保证人耳既能听到及极其细微的声音，也能承受巨大的声响。

2、人耳对声音频率的感知也是对属性的，这一特点能够保证人耳对声音频率的感知也有一个足够宽广的范围。

3 电路结构分析与设计

3.1直流电源分析与设计

在直流电源的设计中，为了降直流电压源的脉动成分以及提高音质和保真度，本实验的设计中专门增加了线性稳压电路，具有较大的输出功率，由三端集成稳压器构成，专门提供给音频放大电路中的功率放大部分使用。

3.2全桥整流电路

从上面可以看到，220V 的交流电源经变压器降压后，由全桥整流电路输出直流，再由稳压电路输出稳定的直流，提供给放大电路使用。在设计中，音频放大电路部分需要对称的双电源，因此必须选择次级有三端抽头（双绕组）的变压器，如图2（a）所示，经全桥电路整流和电容C1 至C4 滤波后，输出对称的正负电源（图 2 中电路节点标记为DC＋和DC －）。

如图2（b）所示，线性直流稳压电源采用一只7815和一只7915的三段集成稳压器，此稳压器有三端，分别接输入电源（Vin），地（GND），另一个端口输出，按规定连接，就可以产生＋15V和－15V的稳压电源输出。图中电容C5 至C8也是滤波电容，一般由一只容量较大的电解电容和一只容量较小的无极性电容构成，起蓄能和稳压的作用。从理论上来说，这些电容的容量越大，则电源的稳定质量越好，但成本也会越高，因此其容量的选择是按照输出电流来确定的，在工程设计中，一般根据经验选取。之所以要用两只电容并联的方法，在于电解电容的容量可以做得很大，但是高频特性差，滤除不了高频纹波信号；而无极性电容的容量虽然难以做大，但是高频特性较好，并联上去后可以增强电路的高频滤波特性。

3.3元件参数选取的说明

1、由于一般多媒体音箱的输出功率为10－20W，所以本设计采用输出功率为30V A，输出电压（有效值Vrms）为12V的双绕组变压器。电路的主要功耗在音频放大电路中的功率放大部分，本实验中功率放大器选择TDA2030，当供电为±15V时，该集成块的最大输出功率约12W（具体输出功率和负载扬声器的阻抗相关，左右两声道共24W），再考虑到效率，30V A 的变压器基本能够满足需要。

2、变压器输出的交流有效值为12V，因此经全桥整流电路后产生的直流电压为：

（即图 2 中的DC＋和DC－）。四只整流二极管的耐压必须大于2×16

＝32V，整流电流应当大于30W / 32V ≈1A。在条件允许的情况下，二极管的参数应该尽量保证足够的裕量，因此可以用50V / 3A的二极管或桥堆（实验中拟采用的是50V / 3A的肖特基势垒二极管SR360）。

3、在桥式整流电路和三端集成稳压器后接的滤波蓄能电容为25V / 2200μF 的铝电解电容和63V / 220nF的无极性电容，三端集成稳压器采用7915 和7815，输出电压为±15V

3.4电子分频放大电路分析和设计

1、前置放大

前置放大器的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音源信号进行放大并输出。外部音源信号由较长的导线输入，并且信号源可能存在较高的内阻，电流输出能力不强，因此需要“缓冲”来将其转换为低内阻的信号源，以便驱动后级电路。对于音频信号，一般考虑为电压信号，因此“缓冲”电路应当采用高输入电阻，低输出电阻的结构。

音频信号是交流信号，放大器只需要放大交流，因此输入端通常采用电容耦合形式，以避免输入信号源中可能存在的直流分量的影响。电路如图三所示。

图三前置放大电路原理图

在信号放大电路中，每一级放大器之间无论采用电容耦合还是直接耦合，都应当尽量保证每级放大器能够实现“零输入”——“零输出”的性质，以避免失调、漂移对放大性能的影响。对于图中的电阻R16 是必不可少的。电阻R16决定了输入电阻值，虽然它的存在对放大倍数没有影响，但能够保证运放同相端的直流电位接地，输出端的直流电位也为零。如果没有R16，由于运算放大放的输入电阻很高，同相端相当于“浮空”，电路不能工作。

图中的C1、C7为耦合电容，C18起隔直通交的作用，即只放大交流信号，输入电阻在理想情况下可以趋于无穷大。前置放大的放大倍数由电阻R14和R17决定，放大倍数为（R17+R14）/R14=11倍。

C1与R16实际构成一阶低通滤波器，由于人耳能听到的声音信号最高为20kHz，所以该低通滤波器的截止频率应当高于20kHz，才能保证音频信号的完整传输，即：

如果R16取100k，则C1约为82pF，由于没有82nF的电容规格，一般耦合电容的取值都应该远大于计算值，所以在此采用250pF。

2、二阶低通滤波电路

所谓滤波器，就是一种选频电路，它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。低通滤波武器用来通过低频信号，而抑制或衰减高频信号，如图四所示。

图四二阶低通滤波电路

在图四中，C6为耦合电容，电容取值越大，耦合特性越好，C6与R3构成一阶高通滤波电路，在此可去除也可保留，R4、R5、C8、C9构成二阶低通滤波电路，其截止频率为：

=300Hz

本实验中的功率放大器采用TDA2030 集成块，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。如图五所示，TDA2030 系列集成功率放大器采用TO220 封装，使用时必须在外部加装散热器。另外，集成块内部已经集成了过温保护，过流保护等电路，因此使用十分简单。对于使用者而言，只需按要求在外部连接上少量的元件，就可以正常使用了。

该集成功率放大器有5 个外部引脚，分别的定义是：

1: Non inverting input（同相输入端）2: Inverting input（反相输入端）

3: –VS（负电源）4: Output（输出）5: +VS（正电源）

图五TDA2030外观

其中，R10是一个电位器，作用是进行音量调节，输入信号通过耦合电容C6以及低通滤波器后再由R10进行分压调节，连接到TDA2030的同相端。

电阻R20和R8组成反馈回路，和TDA2030构成了一个同向比例放大器，这一部分是整个功率放大电路的核心，其中C4是一只耦合电容，作用为“隔直通交”，使功率放大器仅仅对交流信号产生放大作用，而对直流信号不产生任何放大。对于交流信号，其放大倍数为：

A=（R20+R8）/R8

D1、D3是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，虽然对电路的理论分析和理解没有作用，但在实际电路中则必不可少，原因在于扬声器。当扬声器的线圈振动时，切割磁力线会产生感生电动势，这种感生电动势反过来加在功率放大器的输出端口，太大的话有可能造成功率放大器的损坏。二极管D1、D2 在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。根据参考手则，这两只二极管采用1A 的普通整流二极管1N4001。

Q1、Q2构成推挽电路，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。信号进过推挽电路后再去推动后面的扬声器。

电阻R13和电容C16串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频率响应特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯电阻。

3、二阶带通滤波器电路

所谓的带通滤波器，就是由高通滤波器和低通滤波器组合而成，高通滤波器和低通滤波器的交汇公共部分即为带通频率宽度。电路如图六所示。

图六二阶带通滤波器原理图

如图六，C20、C21、R21、R18构成高通滤波器，其截止频率为：

=300Hz

R6、R7、C22、C10构成低通滤波器，其截止频率为：

=3kHz

带通滤波器的放大倍数由R23和R9决定，放大倍数为：

A=(R23+R9)/R9

D2和D6同样为保护二极管，功能和低通滤波器的一样。

R15、C15和扬声器一起构成带通滤波器的负载，具体参照低通滤波器。

4 电路系统测试

4.1电源纹波测量

上表数据说明了电源的纹波电压非常低，质量优越，已经完全满足要求。

4.2 前级放大电路检测

固定频率f=5kHz

前级放大倍数A = 1/6 (0.412/0.1 + 0.88/0.2 + 1.32/0.3 + 2.22/0.5 + 3.52/0.8 + 4.44/1)

= 4.42

此计算值跟实际计算的值有出入，主要原因是：电阻的阻值有一定的误差，实际放大电路往往比计算值要小。

4.3分频器频响曲线测量

测试条件：室温下，函数信号发生器提供332mV的输入信号，用示波器测量音频输出电压以及监测波形。

4.3.1低通实验数据如下：

低通滤波器：Ui=332Mv

低通滤波频响曲线如下：

由频率响应曲线可知，频率在800Hz以后将快速衰减，而在800Hz之前的频率将大部分被保留，曲线的最高点为400Hz，与计算的300Hz有一定的差距，主要是电阻电容存在误差以及实际的测量值往往和计算值有出入，在曲线的低频部分（100Hz以下），发现也被衰减到很小，主要原因是电路中的C6以及R3本身构成了一阶高通滤波。

4.3.2高通实验数据如下：

带通滤波器；Ui=332Mv

带通滤波频响曲线如下：

由以下的带通滤波器的频响特性可知，在低频部分（500Hz左右）的信号被迅速衰减，在高频部分（4000Hz左右）的信号也被迅速衰减，由计算值可知带通滤波器的频响部分为300Hz~3kHz，测量值为500Hz~4kHz左右，由于实际电路和理论计算值往往存在出入，因此此部分由测量结果可知是符合实际的。

5、结论

本文设计了一种基于电子分频的音频功率放大电路，由于使用了分频放大的技术，因此比一般市场上单单只是进行功率整体放大的电路效果要好。本设计经过测试与优化，输出的音频低音纹波小，高保真，声音清脆，达到了本设计的要求。

.参考文献

[1] 黄智伟，基于Mutisim的电子电路计算机仿真设计分析[M] 电子工业出版社2008

[2] 康华光，电子技术基础模拟部分第五版[M] 高等教育出版社

[3] 孙余凯，吴鸣山，项绮明。集成运算放大器使用电路识图[M] 电子工业出版社

参考网站：中国音响DIY https://www.360docs.net/doc/bc8386405.html,/

21社区https://www.360docs.net/doc/bc8386405.html,/

.附录

.附一：仪器清单

数字万用表

示波器

函数信号发生仪

直流稳压电源

PC机以及电路模拟软件

PCB布线软件

电烙铁

.附二：电路图

PCB布线采取最短布线和正横背竖的原则，同时为了避免散热片之间构成短接，采取远离摆放的原则，其布线图如下：

本PCB板为单声道集成板，这样设计原因有二：

1）节约成本；

2）设计时预留了J3接口（见上图右下脚旁），此接口为电源引出口，只要焊接另一块相同的板接另一声道，电源由此接口提供就完成了多声道的应用。

音乐由PC机播放，通过PC机的音频接口连接至电路板上，经过一系列的放大和滤波，音频输入连接至扩音器上，从而实现了整版的测试。经测试，电路板正常工作，音频音质清脆悦耳。