带电子分频器的音频功率放大器

带电子分频器 的音频功率放大器
队员： 张
晓
07 信工 2 班 07 信工 1 班
吴琼森
带电子分频器的音频功率放大器
电子与信息学院 队员：张晓 吴琼森
摘要：本功放通过二阶有源滤波电路，把音频信号三分频，然后用三个放大电路分别对
三种信号进行放大。其中低频分频点为 913Hz，高频分分频点为 9.37KHz。电路分成三大模 块：电源、前级分频、后级放大。其中，前级对信号进行初步放大后再分频。
这样就好很多了。所以最终确定的电阻值为： R70=R90=R150=10K R14=13K
3.24 功放模块的设计
TDA2030 是一款很经典的芯片，失真度很小，而且能提供较大的输出功率。它的外围电 路比较简单， 要计算的东西不多。 我下载了 TDA2030 的技术资料， 参考了官方测试的电路。 并把放大倍数设定为 11（前级为 5 倍，整个电路放大 55 倍）地中频放大电路图如下图。 放大倍数 A=1+
2.2 分频模块的选择
方案一：采用运放 LM324，构建四阶的林克威茨分频电路。LM324 是低噪声高输入
阻抗的通用运放，价格便宜，容易买到。四阶的林克威茨威茨分频电路能以 24dB/oct 速率 对频段以外的信号进行衰减，分频特性较好。
方案二： 前级分频用运放 NE5532,这是非常经典的运放， 在前级用的较多， 失真度低，
关键字：有缘滤波、分频、电源
1、设计预期目的
对信号进行三分频，低频分频点为 913Hz,高频分频点为 9.37kHz。放大倍数在 50 倍左右。 输出功率能达到十瓦以上，失真度在 1%以内 ，电源纹波电压小于 1mv.
2、方案论证与比较
2.1、电源模块的选择与比较
方案一：制作两个电源，用 LM317 和 LM337 制作个线性电源为前级供电，再另外用
低通滤波器电路图如下：
这是一个二阶的林克威茨滤波电路，最大的特点是 R1=R2=R , C1=C3=R 设 R1 和 R2 之间的节点为 M,则有节点电压方程如下：
UP
= UN =
UO ………..(1)
U M −U P R U i −U M R
= =
UP
1 SC
………..(2) U M −U O
1 SC
R7 R4
反馈电阻能引入噪声，不易太大，这里取 R7=10K ,则 R4=1K 为防止电源电压过高而烧坏芯片，在芯片的电源端和输出端反接一个二极管 IN4001. 电位器起到音调调节的作用。
上图是三个功放模块中的一个 C7、C15、C16、C17 是退耦电容。C1 是隔直电容。 由于负载扬声器是感性负载，所以为了改善相位特性，减少无功功率，应在输出端给负 载并上容性负载，也就是在电路中接入 R10 和 C4. 高频信号的放大器和低频信号的基本相似，只是在反馈电阻两端并上了一个 30pF 的小 电容，以减少自激的可能性。电路图如下：
大电容制作一个纹波较小的普通电源为后级供电。这样能减少两级之间的干扰，减少失真。
方案二：只用一个电源，同样用大电容和 LM317 及 LM337 制作一个线性电源，同
时为前级及后级供电。因为前级消耗的电流非常小，而根据功率计算公式，后级电流不超过 1A，稳压器足以提供这样的电流。 两种方案比较：第一种方案能减少干扰，是高保真功放电路的理想电源，但成本较高， 特别是变压器的价格较高。而且本功放定位不在于高保真系。而第二种方案较为经济实惠， 而且能满足要求，所以，综合考虑各种因素，选择第二种方案。
f(Hz) Uo(V)
50
1.658
100
1.654
200
1.631
400
1.551
500 600 700 800 900 1k
1.495 1.423 1.348 1.270 1.193 1.117
1.1k 1.2k 1.3k
1.043 0.971 0.842
f(Hz) Uo(V)
1.4k
0.784
转换速率远高于 LM324,而且价格不高。分频电路采用二阶的林克威茨分频电路。二阶的分
频电路分频特性不如四阶的，但在 Multisim 上仿真发现，二阶的失真度比四阶的低很多， 电路也较为简单。 方案选择：由于是第一次做分频电路，为了提高电路的可靠性，宜用二阶分频。为保证前级 的保真度，用专用芯片 NE5532 更合适。综合考虑各种因素，采用方案二。
U M −U P R
……….(3)
由（1）～（3）式，可以得出：
UO Ui
=
1 1−(WRC )2 +2jWRC
2 2
……………(4)
当 f=fL 时，有： 1 − （WRC） 由（5）得 + (2WRC)2 = 2…………….(5)
fL =
0.1024 RC
当 C=22 nF ，fL =900Hz 时，算得 R=5.172K ，在这里，取标称值 R=5.1K
则fL =913Hz
所以低通滤波电路如上图所示。
高通滤波器的设计类似于低通滤波器，电路图如下：
类似于低通滤波器，对节点列出方程，再求解，由于键入公式麻烦，所以，不再赘述。最 后fH 的表达式为： 1 fH = 4.0437RC 当 C=22 nF ，fH =9kHz 时，R=1.249 K 在这里，电阻 R 取标称值，R=1.2K,则fH = 9.37kHz 所以，高通滤波电路元件取值如上图所示
差 动 放 大 器 由 图 中 的 U3A 组 成 ， 设 低 通 输 出 电 压 为 U1, 高 通 输 出 电 压 为 U2, 令 R14=R140+R141 电压跟随器的输出电压为 U3,得到输出电压的表达式：
U0=(1+ R14 )R90+R70U1+(1+ R14 )R90+R70U2 R150 R90 R150 R70 R150 R140
失真度非常低，成本低，外围电路简单，被很多功放玩家所采用。 方案选择：考虑电路的复杂程度、制作的难度以及成本因素，决定采取第二种方案。
3、系统设计
3.1 总体设计。
音频信号先通过前级放大器进行初步放大， 然后再用低通滤波器和高通滤波器对信号进行 分频， 再利用差动放大器把低频信号及高频信号和原信号进行比较放大， 相当于一个带通滤 波器，从而得到中频信号。系统的原理框图如下：
4、系统测试
4.1 电源纹波测量
测试条件：室温下，用数字交流毫伏表测量
节点 +12V -12V
纹波电压（mV） 0 0.101
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 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 的信号，用数字交流毫伏表测输出电压， 用示波器监测波形 实验数据如下： 低通滤波器： Ui=332mV
高通滤波器
f(kHz) Uo(V) f(Hz) Uo(V)
0.2 0.015 15 1.436 0.5 0.018 16 1.460 1 0.048 17 1.482 2 0.170 18 1.50 4 0.523 19 1.516 6 0.836 20 1.530 8 1.067 50 1.650 9 1.153 100 1.680 10 1.223 150 1.70 11 1.283 12 1.331 13 1.372 14 1.406
2.3 功放模块的选择与比较。
方案一：采用芯片 TDA7265 构建功放电路。它能输出较大的功率，而且一块芯片集
成了两个运放，能两个功放电路共用一个芯片。失真度低，是理想的功放电路芯片。三诺公 司出了一款带电子分频的音箱，就是用 TDA7265 做的，获得了一致的好评。缺点是芯片价 格较高。
方案二：采用芯片 TDA2030。这是一款很经典的芯片，虽然输出功率不然 7265，但
二阶低通 滤 波器
后级放大器
初步放大 音频信号输 入
差动放大器
带通信号
后级放大器
二阶高通 滤 波器
后级放大器
3.2 单元设计
3.2.1 前级电路的设计。电路图如下。
3.2.2 电源模块的设计
本功放电路采用双电源供电。为了减小纹波干扰，故采用线性电源为前级供电。在这里， 采用 LM317 和 LM337,这两个芯片能通过较大的电流， 而且在调整端串联一个电位器能实现 输出电压的调节，具有较大的灵活性。 首先，变压器的选择。以输出功率 18W(在 THD=10%的条件下)、效率为 50%来计算， 要使得电路能稳定工作，则应该使用 36 瓦的变压器，而市场上能买到 34W 的变压器。再考 虑到电源要提供± 12V 的电压，所以，决定选用 34 瓦±12V的变压器。 其次，电容的选择。要提供稳定的电压及足够的功率，大容量的电容是必不可少的。 参考有关资料，滤波电容至少在 1000uF 以上，而且耐压值越大越好。在这里，我用了 3300u/63v 和 4700u/35v 的电容并联。电容并联能增加等效电容值。而且 3300u/63v 的电容 能储存足够的能量，保证电路的稳定。 最后，稳压器及其外围电路参数计算。为了使得输出电压可调，我们选用了 LM317
和 LM337。它们的基准电压分别是 1.25V 和-1.25V.接法如下图：
则正电源的输出范围： U+=1.25(1+
RW 1 R1
) ………….(1)
负电源的输出范围： U−=-1.25(1+
RW 2 R2
) ………..(2)
考虑到稳压器空载时的静态电流，调整端和输出端之间接入的电阻在一百到几百欧左 右较为合适。故选 R1=R2=100 欧 再由（1） （2）式，计算出 RW1,RW2 的取值范围。在这里取 RW1=RW2=1K 另外，调整端接了 10u 的电容，主要是为了防止稳压器自激以及降低纹波的作用。而 输出端的 100u 电容则是进一步降低纹波。 至于整流管,选用 1N4004 即可满足要求。