音频功率放大器的设计

目录

一、设计意义 (4)

二、设计方案比较 (7)

三、电路组成框图 (8)

四、电路原理图 (9)

五、组装及技术指标测试 (14)

六、总结…………………………………………………………

一、设计意义

在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

功率放大电器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。

1、功率放大电路的分析

能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

1)功率放大器的概述

音频功率放大器：把微弱的电信号放大为较强电信号的电路。基本特征是功率放大。声音先经过话筒转换成随声音强弱变化的电信号；再送入功率放大器进行放大；最后通过扬声器把放大的电信号还原成比原来响亮得多的声音。

2)放大器的放大原理框图

放大器的框图如图1所示。左边是输入端，外接信号源，v i、i i分别为输入电压和输入电流；右边是输出端，外接负载，v o、i o分别为输出电压和输出电流。

图1 放大器的框图

2、功率放大器的特点

功率放大器简称功放,它和其它放大电路一样，也是一种能量转换电路，这一点它和前面学的电压放大电路没有本质区别。但是它们的任务是不相同的，电压放大电路属小信号放在电路，它们主要用于增强电压或电流的幅度，而功率放大器的主要任务是为了获得一定的不失真的输出功率，一般在大信号状态下工作，输出信号去驱动负载。

1)要求足够大的输出功率

为了获得足够大的输出功率，要求功放电路的电压和电流都根足够大的输出幅度，所以，功放管工作在接近极限的状态下。

2)效率高

负载所获得的功率都是由直流电源来提供的。对于小信号的电压放大器来说，由于输出功率比较小，电源供给的功率较小，效率问题还不突出，而对功率放大器来说，由于输出功率大，需要电源提供的能量也大，所以效率问题就变得突出了，功率放大器的效率是指负载上的信号功率与电源的功率之比。效率越高，放大器的效率就越好。

3)非线性失真小

功率放大电路是在大信号状态工作，所以输出信号不可避免地会产生非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真往往越严惩这使输出功率和非线性失真成为一对矛盾。在实际应用时不同场合对这两个参数的要求是不同的，例如，在工具控制中，主要以输出足够的功率为目的，对线性失真的要求不是很严格，但在，测量系统、偏转系统和电声设备中非线性失真就显得非常重要了。

3、设计目的

1）学习使用集成功率放大电路LA4102组成简单的功率放大器。

2）掌握LA4102的各引脚的功能。

3）学会按电路图组装电路。

4、LA4102的介绍

LA4102是一种应用很广的集成功放。它常被用于收录机、对讲机等小功率电路中。

LA4102 引脚分布如图 2-1 所示。它是带散热片的 14 脚双列直插式塑料封装，其封装外形与内部框图各引脚功用如下：

引脚1：输出端 引脚3：接地 引脚4、5：

消振

引脚6：反相输入端 引脚8：公共射极电位 引脚9：同相输入端

引脚10、12：退耦滤波 引脚13：接自举电容 引脚14：正电源

引脚2、7、11：空脚

LA4102内部框图如图 2所示，a)LA4102 的引脚排列、b）LA4102的内部框图，主要包括以下部分：输入级为差动放大电路；激励级为高增益共射放大电路；输出级为复合管构成的准互补对称电路；偏臵电路给各级提供稳定的偏臵电流。

图2 LA4102 的结构图

5、LA4102的等价回路即分立元件电路见图3所示

图3 LA4102内部逻辑图

6、LA4102的主要技术指标参数 详间表1所示

表1 LA4102主要技术指标参数

二、设计方案比较

在互补功率放大电路中，目前使用最广泛的是无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）和无输出电容的功率放大电路（OCL电路）。通过比较OCL电路和OTL电路，选择一种合适的电路进行设计。

1、OCL电路简介

OCL电路称为无输出电容直接耦合的功放电路。如图4所示。图中VT1为NPN型晶体管，VT2为PNP型晶体管，当输入正弦信号ui为正半周时，VT1的发射结为正向偏置，VT2的发射结为反向偏置，于是VT1管导

通，VT2管截止。此时的ic1≈ie1流过负载RL。当输入信号ui为负半周时，VT1管为反向偏置，VT2为正向偏置，VT1管截止，VT2管导通，此时有电流ic2通过负载RL。

图4 OCL电路

由此可见，VT1、、VT2在输入信号的作用下交替导通，使负载上得到随输入信号变化的电流。此外电路连成射极输出器的形式，因而放大器的输入电阻高，而输出电阻很低，解决了负载电阻和放大电路输出电阻之间的配合问题。

其主要特点如下所示：

1)采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好扬声器一段接地，一端直接与放大器输出端连接，因此须设置保护电路。

2)具有恒压输出特性：允许选择4欧、8欧或16欧负载。

3)最大输出电压振幅为正负电源值,额定输出功率约为/(2RL)。

2、OTL电路简介

OTL电路称为无输出变压器功放电路，是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而输出变压器的功放电路。

O TL电路是输出通过电容C与负载RL相耦合的单电源功放电路。图5为OTL 电路原理图，其中C为容量较大的输出耦合电容。在无输入信号时，VT1、VT2中只有很小的穿透电流通过，若两管的特性对称，则C上将被充电至电压为UCC/2。

当输入信号ui（设为正弦电压）在正半周时，VT1的发射结为正向偏置，VT2的发射结为反向偏置。VT1导通，VT2截止，UCC通过VT1对电容器C充电，负载电阻RL中的电流方向如图中实线箭头所示。当输入信号ui在负半周时，VT1的发射结为反向偏置，VT2的发射结为正向偏置。

VT1截止，VT2导通。这时的电容器C起负电源的作用，通过VT2对负载电阻RL放电，负载中的电流方向如图中虚线箭头所示。这样就在负载中获得了一个随输入信号而变化的电流波形。

其主要特点如下所示：

1）采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；

2）输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；

3）据有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4欧、8欧、16欧负载。

经过查阅资料、认真比较和考虑后，决定选择OTL电路来进行设计。

图5 OTL电路

三、电路组成框图

在分析电子电路时，首先将整个电路分解成具有独立功能的几个部分，进而弄清每一部分电路的工作原理和主要功能，然后分析各部分电路之间的联系，从而得出整个电路所具有的功能和性能特点。

1、整体电路框图的确定

输入信号输入的是交流小信号，经过电压放大电路，在进行功率放大，.输出端与负载之间采用大容量电容耦合，在输入功率为正弦波且输出基本不是真的情况下，输出功率是交流，最后经过耦合电容把放大的电信号还原成大功率的音频。

输入信号

输入级

推动级

输出级

输出信号

图6 电路基本框图

2、单元电路设计

1)根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，分别设计各级

电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。

2)负载阻抗RL=8，输入阻抗 Ri>=20。

3)输出部分的滤波电容应尽量选择大电容以使输出中的直流分量尽可能的被滤除。这里选择220uf的电容。

4)话筒的输出电压为5mV，Vcc=+9V。

3、元件选择及其作用

1)Rf、Cf与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制电路的闭环电

压增益A v

2)Cb相位补偿。一般取几十至几百pF；

3)Cc-OTL电路的输出端电容。一般取耐压大于V CC/2的几百μF电

容；

4)Cd反馈电容，消除自激，一般取几百pF；

5）Ch自举电容；

6)C5、C4滤除纹波，一般取几十至几百μF；

7)C2电源退耦电容

4、电路原理图

通过比较OCL电路和OTL电路，选择OTL电路进行设计。然后按照单元电路设计及元件选择的思路，再用画图软件protel 99se或protel DXP进行绘图。

1、元件清单

在下列表格中，所示为该设计电路的组成成分，以及各组成成分的

参数型号。

表2 组成电路的元件清单

元件名称及序号型号参数数量价格

电阻器R114D471K6001 R214D543K81

R314D874K 3.3k1

电容C0220uF3 C1100uF1 C2 4.7uF1 C333uF1 C451pF1 C5560pF1

C6470uF

集成

功放

LA41021

扬声器8 /4W

1

麦克风201 2、电路原理图

图7电路原理图

3、主要参数

因为本任务要求负载阻抗为4Ω，输出额定功率为10W。通常为保证工作可靠，可选集成块的额定输出功率比实际要求功率大一些，例如1.5倍左右，因此上述的LA4102是比较合适的。常用的电路程式有OTL和OCL两种，为提高效率，一般工作于接近乙类。由于OTL电路可用单电源供电，因此为了供电方便，采用单电源供电的OTL电路，其电路如图4-1所示。

音响放大器输出失真度小于某一数值（如γ＜5%) 时的最大功率称为额定功率，其表达式为：

P0=V02/RL

式中，为额定负载阻抗；（有效值）为两端的最大不失真电压。VO常用来选定电源电压（≥2V0）。

测量的条件如下:信号发生器的输出信号(音响放大器的输入信号)的频率=1KHz,电压=5mV,音调 控制器的两个电位器、置于中间位置,音量控制电位器置于最大值,用双踪示波器观测Vi及Vo的波形,失真度0测

量仪监测Vo的波形失真。测量Po的步骤是:功率放大器的输出端接额定负载电阻 (代替扬声器),逐渐增大输入电压Vi,直到Vo的波形刚好不出现削波失真,此时对应的输出电压为最大输出电压,由式即可算出额定功率Po。

注意：在最大输出电压测量完成后应迅速减小Vi,此时会损坏功率放大器。这里采用了同相输入，由于LA4102芯片的开环增益一般为

90dB，因此是工作在深度负反馈条件下，故其中频增益近似为：Au=1+此外由于扬声器的音圈是线圈，具有一定的电感量，因此采用C5、R7组成一补偿网络，其作用是把扬声器的电感性负载补偿成接近纯电阻性。此网络在小功率放大电路中也可不用或只用一个电容近似补偿，但在大功率电路中必须采用，以防止扬声器音圈的反电势击穿输出管，并有抑制高频自激作用。一般取，可取为0.1～0.01uF。

4、电路调试过程与结果

(1）理论数据：

放大倍数为：当输入100mV、1kHz时

图8 输入Ui 图9 输出Uo

放大倍数：当输入50mV、1kHz时

图10 输入Ui图11 输出Uo (2)通频带分析

图12 通频带的仿真及分析仿真结果说明：

图12中下限频率fL=630.9573Hz 上限频率fH=17.4532KHz，

fH - fL=（17.4532 -0.6309573）KHz =16.822427KHz， 频带宽50H Z～20kH Z

(3)波形图

图13 波形图的仿真及分析

仿真结果说明：

图13中上面的红色波形为输入端的交流小信号Ui波形，下面的蓝色波形为输出端Uo波形，经过放大使输出波形的峰峰值大于输入波形的峰峰值，因此输出的波形比输入的波形高一些。

五、组装及技术指标测试

通过在电子实验室的对实验器材的操作，连接电路原理图，给电路输入交流小信号，并用示波器观察输出波形及与输入波形比较，并用实验器材对电路元件进行测试。

1、信号源电压，Ui与Uo的实测数据

用实验室仪器测试并记录所测的电路元件的的大小，并记录测试仪器的型号。测试指标如下：

表3 实测数据

Ui Uo放大倍数

信号源

（1KHZ）

100mV32.9mV 1.076V32.705

50mV17.1mV0.561V32.807用型号为YB1602的函数信号发生器产生交流小信号源，频率

f=1kHz,用型号为GOS-6021的示波器测试输入交流小信号波形Ui的大小为32.9mV，频率为1kHz；输出波形用型号为GOS-6021的示波器测试输出波形Uo的的大小为1.076V，频率为1kHz。

放大倍数Av=Uo/Ui=1.076V/32.9mV=32.705

六、设计总结

通过电子技术课程设计的训练，可以全面调动学生的主观能动性，融会贯通其所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法，进一步把书本知识与工程实际需要结合起来，实现知识向技能的转化，以便毕业生走上工作岗位能较快地适应社会的要求。这次课程设计对我来说是一个很好的锻炼机会，让我能够充分地利用所学过的理论知识还有自己的想象能力，另外还让我学习查找资料的方法以及加强自己分析电路，设计电路的能力，除了加强了分析电路和设计电路的能力外，对模电知识更加巩固了，而且扩大了我的知识领域，同时也发现了自己的很多不足之处。

虽然理论上达到了设计要求，但在实际操作过程中理想与现实总是存在很大差异。在一些元器件的选择上，性能较好的管子参数很好但性价比较低。更有一些元件市场上买不到。应此在电路设计时一定要寻求最优化设计。

在设计电路时考虑到元器件差异，理论与实际的差异及元器件对电路复杂程度的影响和电路的性价比等因素，所以在设计电路时一般都有多于一套的方案及备用元件来更好的完成此次试验。

通过这次课程设计，我发现动手实践和理论是有差距的，这让我明白在以后的学习生活中要更多的去动手实践，这样才能学到更多的东西和巩固自己的理论知识，为以后在社会上工作打下坚实的基础。

本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用家用电器的内部电路结构，从而为以后的学习和工作作好知识保障。另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。这一实践与理论相结合的

过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。