模拟电子、音频功率放大器(课程设计报告)

1 概述

在介绍音频功率放大器的文章中，有时会看到“THD+N”，THD+N是英文Total Hormonic Distortion +Noise 的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。

一般说，输出功率小（如几十mW）的高质量音频功率放大器（如用于MP3播放机），它的THD+N指标可达10-5，具有较高的保真度。输出几百mW的音频功率放大器，要用扬声器放音，其THD+N一般为10-4；输出功率在1～2W，其THD+N更大些，一般为0.1～0.5%.THD+N这一指标大小与音频功率放大器的结构类别有关（如A类功放、D类功放），例如D类功放的噪声较大，则THD+N的值也较A类大。

这里特别要指出的是资料中给出的THD+N这个指标是在FIN=1kHz下给出的，在实际上音频范围是20Hz～20kHz，则在20Hz～20kHz范围测试时，其THD+N要大得多。例如，某音频功率放大器在1kHz时测试，其TDH+N=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz,，其他条件不变，其THD+N变为小于0.5%。

输出额定功率的条件

过去有用“不失真输出功率是多少”这种说法来说明其输出功率大小。这话的意思指的是输出的峰峰值没有“削顶”现象出现，即V out(P-P)=Vcc-（上压差+下压差）这种说法是不科学的。即使不产生削顶，它也有一定的失真。较科学的说法是THD+N在某一指标下可输出的功率是多少。即在一定的Vcc电压、一定的负载电阻RL时、一定的THD+N下可输出多少功率。这输出功率一般是在这条件下的最大输出功率，称为额定功率。音频功率的额定功率主要取决于Vcc的大小。在THD+N不变条件下，如Vcc=5V，R L=4Ω时，输出额定功率为2W；若Vcc=3V、RL=4Ω时，输出额定功率降为0.7W。当然，若额定功率为2W，如果增加输入电压使输出超出2W，则其TDH+N必然大于额定值时的THD+N值。

2 原理图设计

2.1 方案选择

本次模拟电子线路课程设计（即硬件设计）我做的是555定时电路设计，本着需要达到一定的性能指标的前提下，同时又考虑到我们这是第一次动手操作焊接电路板，因而电路图不能够太复杂，我在网上搜索到如下两种设计示例：

示例一中具体如图一： U1B AD648A +5

-6V+8

V-4OUT 7U2A

AD648A +3-2V+8

V-4

OUT 1R81k

R9

21k

R10

4.7k

RL 1k R124.7k R13

1k

R1420k R151k C8

22u C90.1u

C10

0.1u 0000Vo V60Vdc V70Vdc V80Vdc

V90Vdc 000V101Vac 0Vdc Vi 0

图2.1 方案一原理图

如上图所示，该电路运用到两个运算放大器。上面一个LM4700是一个反相输出负反馈放大电路。如我们的模拟电子线路中的知识知道：这样的一个电路是为了稳定输出，防止饱和失真以及截止失真。同时，下面的一个LM4700是一个反相输出正反馈功率放大电路，则由理论上来说，这里是对源信号的一个功率放大，以达到对声音功率放大的结果。

如上图所示，方案中也都是利用到了运算放大器的放大运算作用，其中利用到了大量的电阻和电容这样对其中的噪声的过滤就会有很好的作用，但是与此同时，这样的话，元件数太多，焊接的时候会相对比较麻烦。

但是从另外一个方面来说，由于该电路中的放大作用只是利用了运算放大器的运算放大作用，因此最后的性能效果不会很好，对于噪声也没有一定的滤出作用，基于上述分析，

我决定放弃方案一。

如此，我就选择了另外的一个方案，具体电路图如下： U1A AD648A +3

-2V+8V-4OUT

1R11k C1

1u R2

22k R3680

R422k R51C2

22u C30.1u

C40.22u

C50.1u V112Vdc D1

120NQ0451

2D2

120NQ045

12

00V212Vdc RL 1k Vo Vi R610k

R710k

C6

10u

C7

10u 0V30.1Vac 0Vdc

图2.2 方案二原理图

2.2 原理图设计分析

我所选择的电路图中，基本上综合了上面所淘汰的三个原理图的特点，利用了TDA2030的反相输出来稳定输出，同时正反馈中来进行放大，并且利用了二极管VD1、VD2来单向导电，然后在输出端口利用一个电阻和电容的并联关系来选择输出。另外元件数目也不是很多，操作实际可行。

D 类音频功率放大器是基于脉冲宽度调制(PWM)技术的开关放大器,包括PWM 调制器、功率H 桥、三角波发生器和低通滤波器等。文章首先对D 类音频功率放大器与传统的音频功放进行了分析和比较,然后对D 类音频功率放大器的工作原理、系统结构和两种拓扑结构进行了详细的分析和研究,最后对具有低功耗、低失真、高效率等高性能D 类音频功放设计的难点和要点进行了研究,并提供了可行的解决方案,展望D 类音频功放的发展趋势。

在总体网络中，我使用的是桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分构成，即放大电路和选频网络电路。其中放大电路是有输入阻抗高和输出阻抗低的特点。而选频网络

同时兼作正反馈网络。四臂电桥中，对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路的名称由此得来。 U1B

AD648A +5-

6V +8

V -4OUT 7R81k

R91k R101k R111k

C81n

C91n 0

图2.3 网络图

图2.3中所表示的RC 串并联选频网络具有选频作用，它的频率响应特征曲线具有明显的峰值。

由图2.3有：

121

1*1Z R sC

R sC Z R sC =+

=+ 反馈网络的反馈系数为

212

()

()()f V i V s Z F s V s Z Z ==+ 2

13()sCR sCR sCR =++ 就实际的频率而言，可用s j =ω替换，则得

222(1)3V j RC F R C j RC

ω=-ω+ω 故当01RC

ω=，则上式变为 0013()V F j =ωω+-ωω

幅频响应的幅值为最大，即

max 13

V F = 这就是说，当时，输出电压的幅值最大（当输入电压的幅值一定，而频率可调时），并且输出电压是输入电压的，同时输出电压与输入电压同相。

在输出端中放置一个电位器（滑动变阻器），以此来选择信号的输入大小，这样就可以避免在电路中因为信号的过强而导致的饱和失真。因此在这里放置的一个滑动变阻器需要一个较大的阻值，以达到分压的目的，所以我们这里选择一个最大值为10K 的滑动变阻器。

在集成块TDA2030中正负输入端的两个电阻R1、R2，则是作为一个分压作用，以此对集成块进行电压信号的输入，和反馈中的反馈网络的一部分。这样来进行工作。

在正负工作电压旁接一个电容来抵消工作电流对于电路中的而影响，体现了电容“隔直流，通交流”的特点。这是由于它的阻抗是随电压频率变化所致，如其阻抗变化为：

1C Z j C

=ω 可以看出，其阻抗与频率成反比。

在R3构成的负反馈网络中，由于R3>>R2，故在这里是基本上的原样输出，没有进行缩小，因为在输入端口的那里，就已经进行了分压调试。

其中在集成块运算放大电路TDA2030中，集成运算放大器内电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。并且输入级为了减少零漂和抑制共模干扰信号，要求温漂小、共模抑制比高、有极高的输入阻抗，一般采用高性能的恒流源差动放大电路。2．中间级：运算放大器的放大倍数主要是由中间级提供的，因此要求中间级有较高的电压放大倍数，一般放大倍数可达几万倍甚至几十万倍以上。输出级：输出级应具有较大的电压输出幅度较高的输出功率与较低的输出电阻的特点，大多采用复合管构成的共集电路作为输出级。偏置电路：一般由恒流源组成，用来为各级放大电路提供合适的偏置电流，使之具有合适的静态工作点。它们一般也作为放大器的有源负载和差动放大器的发射极电阻。

以上是我对电路进行一个定性的分析，下面我将对电路的具体参数来进行定量的分析，以此来达到我们所需要的最终结果：

首先我们是做的是音频功率放大，则放大的倍数是我们所关心的，因而在R3与R4组成的负反馈的网络中，放大倍数为：

43

()()()o V i V s R F s V s R == 通常这种音频功率放大中，放大倍数为300-1000倍左右，为了保证音频的带宽，我就选择较小的300倍，同时结合市面上常见电阻的阻值，故定3680R =Ω，422R k =Ω。

本图中还有两个为了稳压的稳压二极管D1和D2，因它们在运算放大器的集成块上进行工作，故要求其工作电压在±12V 上下。这样来确定他们最终是否能够正常工作。

在信号输入端口中，由一个为了隔离直流噪声的电容C1。这个电容是工作在信号源旁，直接介入输入端，因而需要一个较高的击穿电压的电容，而且电容的取值不能太大，因而定为1uf 。

同样，在电容中，在工作电压V1和V2的旁边分别有一个旁置电容，这两个电容都是为了隔离直流电源的电流，为了增加它的效率，因而我的电容的容抗取值较小，都是0.1uf 。

在使用运算放大器中的时候，我时刻铭记运放的“虚短，虚断”的两大特点。在这个特点的基础上来进行设计正反馈的功率放大和负反馈的保持输出。负反馈在前已经说明，在此不再赘述。因此在这里具体介绍选频网络以及其构成的正反馈的功率放大电路网络。

首先它作为一个选频网络，可以知道它的振荡频率为：

12f RC

π= 我们的频率要求是20Hz-20kHz ，则我选择了振荡频率为1kHz 左右，再此，在这种电路板的焊接时不方便使用大电容，因此我就使用了1uf 的电容，相应地配备了1k Ω的电阻。这样在中频1kHz 的时候可以达到振荡，成为峰值，以得到较好的频率特性曲线。

最后在输出端并联上一个电阻电容的串联，其中电阻是为了保证输出阻抗比较小，因而取值为1Ω，然后电容是为了隔离直流噪声信号，所以不需要太大的容抗，选择了0.22uf 。还可以防止在输出端的自激振荡，以造成意外结果。

2.3 调试

调试前，首先用干电池检测喇叭保护器灵敏度，合格后，接回电路。短接信号输入端，将VR1、VR2旋到阻值最大处。接通12V 前级电源，用数字万用表监视R14两端电压，用螺丝刀旋转电位器，使其达到2V ；再用数字表监测图中两点电压，调节使其电位为3V ；然后接通后级50V 电源，用数字表监测最后对地电位，旋转电位器监测5W 的电阻两端，即其静态电流约为360mA ，工作于甲类状态，煲机一个小时，再红心调整一次。如果你的

功能散热器足够大，静态电流还可调大，但是不要让散热器温度超过70摄氏度。其中需要注意的地方，在调整到某一点时，电流突然增大或突然减小，即出现“雪崩”现象，这说明电路有自激，可对电容的容量进行调整，适当增大该电容容量，但不要太大，以免影响音质。

全部组装完毕之后，将整机和你的所有音响设备用3kW专用音响交流稳压器稳压。拆除输入端信号短接线，接上音源就可以了。

另外，在本电路图的软件仿真上，我使用的是Orcad Pspice 10.5的版本，进行了放大模拟分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。则在其中进行时域分析，得到如图所示：

图2.5 仿真分析（时域）设置

图2.6 仿真分析（时域）结果曲线

可以看出来，输入是100mV（最大值）的电压，经过功率放大之后得到的是3.2-3.3V （最大值）的输出电压。300多倍的放大倍数可以满足我们的需求，并且同时也满足理论上的设计。

另外，我们还进行了频域的分析。我们知道，人类耳朵的听觉范围是20Hz-20kHz，因而我们需要对其进行频域的分析扫描，分析前的设置定频率范围是20Hz-20kHz，设置与结果如下：

图2.7 频域分析设置

图2.8 频域特性分析扫描结果曲线

在上面的曲线图中可以看出，该电路图的频率特性非常好，中间的峰值是30.4分贝，20Hz是28.9分贝，20kHz时是29.7分贝，其最大的分贝下降也不过是1.5分贝（=30.4-28.9）而已，完全满足要求。另外设置的1kHz的峰值也是与理论完美结合。

3 展望

本电路中，是因为我们第一次操作，因而避难就易，只是为了方便期间故选择了一个期间数目较少的原理图，因此在一些参数上可能取值没有什么空间，只是处于勉强工作的地步，在这个电子制作中，可以改进的地方将会很多，来扩大它的参数范围，以达到更好的要求。

另外，在我所使用的这种D类功率放大器在设计上必须要注意的包括过电流保护及过热保护，此二保护电路为功率IC或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及其所连接之电源器件或整个系统。过电流保护或短路保护的简单测试方式乃将任一输出端与电源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此状况下短路保护电路将被启动而将输出晶体管关掉，此时将没有讯号驱动喇叭而没有声音输出。

而这种保护的电路正是这个电路所缺少的，也是我们今后在学习和实践总应该加以关注的。只有通过我们的不断学习和努力，我们的知识积累的足够的丰富，我们才能够在以后的具体时间中加以运用，才能够体现出“知识就是力量”，表现出当代大学生的风采。

4 心得体会

本学期我们开设了《电子技术基础（模拟部分）》课，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期暨电路刚学完之际，紧接着来一次《模拟电子线路》课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。

在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。例如在硬件制作，电路板的焊接上慢慢元件连接起来的时候，手里握着电焊铁，直冒青烟，心理还是很紧张的，但是看着自己的元件一个个连接了起来，自己的心里面像吃了蜜一样的甜。终于就这样，像爱迪生发明电灯泡的时候一样，历经千万次的猜想与实验，终于使得这个问题得到了圆满的解决。成功的我高兴地无以复加，只是感觉到劳动最光荣，劳动人民最高尚。

历时这一个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。回头看看，不禁感慨众多，没有想到我们的科学家，哪怕是我们身边的老师，原来也是如此这般的努力才能够换来今天的幸福生活；离不开你们这些辛勤的工作者，我们的身边这一切才能够如此快捷方便；没有了这一切，我不敢想象社会会如何发展，难道是倒退到那种封建社会，还是奴隶时代？并且通过了这次模拟电子电路课程设计，我才了解到我们所学的只是原来是如此地贴近我们，其实他们就在我们身边，就在我们身边或大或小的地方，甚至是我们不能发现的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。而如今，我才知道了这一切。我才会，并有这样的动力将我所学的知识来赋予实践。

5 参考文献

[1] 邱关源.电路原理（五版）.北京:高等教育出版社,2006

[2] 曹丙霞.protel原理图设计.北京:电子工业出版社,2007

[3] 周开利,邓春晖.MA TLAB基础及应用教程.北京:北京大学出版社，2007

[4] 张威.MATLAB6.0基础与编程与入门。西安:西安电子科技大学出版社，2007

[5] 张智星.MATLAB程序设计与应用。北京:清华大学出版社，2002