低频功率放大器毕业设计

基于Multisim的

实用低频功率放大器仿真设计

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目录

第一部分摘要、引言

一…………………………………

二、…………………………………低频功放的概念

三、…………………………………设计框架的形式

四…………………………………系统总增益

第二部分各部分电路的选择与设计

一、…………………………………输入级的设计

二、………………………………前置放大级的设计

1，电路的设计

2，电路参数的计算

三、………………………………音频控制级的设计

1，反馈式高低音电路的设计电路工作原理

2，设计方法

四、…………………………末级功率放大级的设计

1，基本要求

2，电路形式的要求

3，末级功放参数计算

五、…………………………供电电路与接地

六、…………………………总体电路

第三部分问题与分析

结束语

参考文献

正文

1.1

摘要

1.2

低频功率的理念

低频功率放大器是一种能量转换电路，在输入信号的作用下，电路把直流电源的能量，通过前置放大级，功率放大级，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载。

功率放大器不仅仅是消费产品中不可缺少的部分，例如音响，还广泛应用于控制系统和测量系统中，用途相当的广泛。在科学技术日新月异的今天，低频功率放大器已经是一个技术相当成熟的领域。很多年以来，人们付出了不懈的努力，使它无论是在线路技术方面还是在元器件方面乃至思想认识上都取得了长足的进步。

由于低频功率放大器运行中的信号幅度，如电压、电流都很大，其突出的问题是要解决非线性失真和各种瞬态失真。因为，功率放大器的主要任务是在不失真的前提下放大信号的功率。

一般在功放电路结构上可采用不同的形式，以满足人们对音响设备的不同要求。

1.2

设计框架的形式

常见的音频功率放大器电路可以分为甲类，乙类和甲乙类三种。另外为了完全消除甲乙类和乙类功率放大器产生的交越失真，又出现了超甲类放大器和直流放大器等等。可供选择的方案有很多。根据设计题目要求，功率放大可由分立元件组成，也可以由集成电路完成。当然如果电路选择的好，参数恰当，元件性能优越，制作调试得好，则由

分立元件组成的功放的性能还有可能高过集成功率放大器。

由于本设计不是对单一信号频率实施放大，而是对一个输入电压变化幅度大（5~700mV），频带范围宽（50~10000Hz ）的频带信号实施功率放大，所以不能只从简单的功率放大上考虑。至少应从以下几方面作较为全面的考虑：

1，解决本设计的电路对信号源，尤其是信号幅度小的影响。

2, 要求对整个频带内不同频率范围i，不同电压幅值信号都能均匀放大。

因此，所设计的低频功率放大电路，既能有效实现隔离，完成电路阻抗匹配，又能在一个频率范围内进行信号均衡放大的实用性电路。均衡部分，借鉴了音频放大电路的音调控制电路，将音调控制的输出信号送入功放，提升到所需的额定输出功率。作为信号电路，还有波形变换电路，来增加对称方波的输出功能，故得设计的方框原里图：1.2.1；

设计的整个电路有正弦信号源，放大通道，直流电源，负载部分组成。在放大通道的正弦信号输入幅值大约在5——700mv，在等效负载电阻RL为8偶的情况下，其放大通道的额定功率应大于或等于10W。通道带宽大于或等于50——10000Hz，在额定功率小剑侠非线性失真小于或等于3%

系统组成：系统主要是有

输入级，前置放大、音调控制，功率放大器级等几个部分组成。

其中，变换电路负责执行波形变换，前置放大级主要完成信号电压的分幅度范围放大任务

音调控制电路实施完成对几段音调控制中心频率电平控制；功率放大级则是实现对信号的电压和电流放大任务。直流稳压电源部分则是为整个电路提供能量。下面作介绍。

1.3

系统总增益

由于任务要求额定功率不小于10W ，考虑流出50%的裕量，所以输出功率应该在15W 以上，同时输出电阻负载为8Ω。 则：

系统的最大增益为 m ax

3

1720lg()71510

A

dB -=≈? 系统的最小增益为 m i n

3

1720lg(

)27.770010

A

dB

-=≈?

所以在整个放大电路的增益应该在27.7dB~71dB 范围内可调。为了保证放大器的性能，单级放大器的增益不宜过高，通常20~40dB （放大倍数在10~100倍之间）

的带宽能保证信号在低中高频均能不失真的输出，使电路的整体指标大大提高

内部结构图：

他效果器的输入部分设计都用到了这个电路，正格输入级电路图如下;

输入级输出为：

考虑到时题目所给的正弦信号入电压幅度范围很宽，为了均衡放大并使大多数类型的音源处于低噪声工作状态，所以前置放大级的电压增益分成两档，用开关K2控制。

当开关K2断开时，要求电路增益大于16dB，用于放大V1为

40-700mV 时的信号，当K2闭合时，电路增益大于35 dB ，用于放大V1为5-40mV 时的信号，故得电路2.2.2。

2.2.2电路参数的计算

因为开关的K2的闭合和断开，有两种情况下，下面分别对应其断开和闭合两种情况对电路参数进行确定。

因为当输入信号在40—700nV 时，K2断开，要求20 lgA ≥16dB 有

42

0.8

42

42

20lg(1)16110

8

7R R R R R R +=+

===

若取2

4.7R k =Ω

则可得：4

2733R R k =≈Ω

取标称值为

427R k =Ω

又因为当输入在5~40mV 时，开关闭合，要求 ：

20lg 35V A dB

≥

故 ：

423

20lg(1)35//R R R +

=

3.5

42

23

423323110

65

////40064

400400400

R R R R R R R R R +

====Ω=

=Ω

-

取标称值470Ω

。最后经过核算，能够达到设计要求。

其耦合电容等，考虑信号低频率低，均采用耐压50V 、容量为33μ的电解电容。

输入端电阻R1取100kΩ电阻（应远大于前级输出阻抗），并一个小电容改善输入特性。

2.3音调控制级的设计

人们在欣赏音乐时，总希望听到悦耳的声音，但是由于爱好不一，有的喜欢音浑厚深沉，有的人则喜欢清脆嘹亮。而低频功率放大器是一般音响设备中最为重要的一部分，这就要求在该级中对信号频率特性进行人为控制，使频率特性中某一频率的功率增益增加或是降低达到音调控制的效果，这就是音量调节控制。

在一般音响设备中都装有音调控制电路，普通收音机中音调控制电路比较简单，高质量的收录机、扩音机中电路则比较复杂。音调控制又称音质调节，按其调节的频率范围分，有高低音音质和多频音质调节。高低音音质调节，即在通频带的两端进行频率特性调节时，例如100Hz左右，10KHz左右，并且要求在进行高低音调节时，中音频率（一般指1KHz）附近频率特性应该保持基本不变，以保持音量。多频段音质调节，如五频段其调节频段一般在60Hz、250Hz 、1KHz、5KHz、15KHz附近，十频段调节频段100Hz、180Hz、310Hz、550Hz、1.8KHz、3.1KHz、5.5KHz、10KHz、16KHz各频率附近。

音调控制电路种类很多，有RC无源调节电路，有有源反馈音质调节电路等等。RC无源调节电路，调节范围宽，但中音电平也要衰减，并且在调节过程中，整个电路的阻抗也在改变，失真较大。而有源反馈式音质调节电路中，RC调节电路仅作为放大器反馈电路的一部分，用来改变反馈量的频率成分，使调节器的提升或衰减更加显著，

失真较小，使用的较多，本设计按要求进行通频带两端频率特性调节，即高低音音质调节。

2.3.1反馈式高低音调节电路的设计和电路工作原理

2.3.1.1电路组成

反馈式高低音调节是由放大电路中的阻抗元件R 、C 组成的。为了使这种电路得到满意的效果，要求电路输入信号源的内阻应足够小，另外要求用来实现反馈式高低音单调节电路的放大级开开环增益应足够大（电路中运放的采用正是为此）。

放大增益为 F uf

f

Z A Z

=-

当频率改变时，Z F ，Z f 的比值改变，放大器增益随之改变。若改变阻抗元件的电路结构，Z F ，Z f 随频率而改变，即达到了由改变电路结构来改变高低音的目的。从图2.3.1的4种电路结构就可以清楚的

看到这些电路对不同频率其增益改变的情况。

在图2.3.1（a ）的电路里，

1f

Z

R =

21

1F Z R jw C =+

当C 1取值较大时，其容抗只有在低频时才有较大的变化，频率越低，Z F 越大，电路增益越高，这样就达到了低音提升的目的。

在图2.3.1（b ）的电路里，把容量较小C 3放在输入电路中，此电路

11

1//f Z R jw C =

2F Z R =

由于C 3容量较小，只有在高频时Z f 随频率明显的变化，频率越高，电路增益越高，达到了高频提升的目的。同理，图2.3.1（C ）可以使高音衰减，图2.3.1（d ）可以使低音衰减。

综合以上4种情况，可以得到图2.3.2所示的反馈式音调控制电路，图中R W2为低音调节，R W1为高音调节，为了使电路得到较满意的效果，C 3、C 2容量要适当，其容抗和有关电阻相比在低频时要够大，在中高频时要足够小，而C 3的容抗选择是在低、中频时足够大，而在高频时要足够小，就是说C 1、C 2只让中、高音信号通过不让低音信号通过，而C 3只在电路设计时时常设：

12312123

9w w R R R R R R R C C C =======

2.3.1.2电路的幅频特性 1、信号在低频区

由于C 3的数值较小低频时呈现的阻抗很大，上下两个支路相比R 4、C 3支路相当于开路。设运算放大器为理想元件，则同、反相端电位相等且近于0，R 3的影响可以忽略。当Rw2的触点移到A 点时C 1被短路。在此电路中信号通过R 1加到反相输入端，对中、高音信号而言，C 2相当于短路，反馈支路只有R 2,反馈量最大时的电路增益很小，输出U O 很小。随着频率的降低，C 2容抗增大，反馈支路除R 2 外，还有R W2 // Xc 2,而且由于R W2>>R 1 ，此时反馈量极小，从而获得最大增益，输出U o 很大，这就是低频提升。低频提升的数学关系式为：

F uf f

Z A Z

=-

此时：

222

1

1(//)

F W f Z R R jw C Z R =+=

则：