音频功率放大器的设计

C30=1500pF时的XC2
3.1.3
1.电路原理图
前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。本文中采用集成运放并采用双电源供电，电路原理图如图3-2所示。
2.参数计算与元件选择
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R12、R11决定：Av=- R11/R12。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图3-2中所给数值，Av=-2。此电路输入电阻为R12。一般情况下先取R12与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定R11。C16和C12为级间耦合电容。集成运放交流放大器只放大交流信号，输出信号受运放本身的失调影响较小，因此不需要调零。没有必要加接调零电路。
图3-2同相输入放大电路
元件的选择：R12取10KΩ，由Av=-R11/R12可知R11取100KΩ，R13为平衡电阻，根据平衡电阻的概念，R13=R12//R11=1KΩ的电阻，C16一般取几微法，本文中取4.7μF/25V的电解电容。
综上所述,四个前置放大器都用运放来完成，因此可用一个单片集成电路集成四个运放的集成运放，这类型的常用四运放也很多，如UPC324C、TLC27M4、LF347N、LM324等，本文中就选取LM324作为前置放大器。
2.1.2
首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前逐级计算。基于模拟功放TDA2030的音频放大器如图2-2所示，主要由电源模块、前置放大模块、音量控制模块及功率放大模块和扬声器组成。
图2-2基本组成框图
各部分的基本功能如下：
关键词低音控制；高音控制；音频功率放大器
音频放大器也叫功率放大器，其作用是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，产生足够大的电流驱动扬声器发声。
早在60年代以前，电子管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用A类(甲类)或AB类(甲乙类)，并由变压器与负载偶合。这一趋势，随着半导体技术的发展，可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。随后，使用锗器件的设计首先出现，但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难，热逃逸这个词由此诞生。之后硅材料的NPN型半导体管出现，在一段时期里，绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖于输入和输出变压器进行偶合。显然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，再加上其低频和高频相移，严重地限制了可安全使用的负反馈量，从而增加了其伤害性。
信噪比：是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比，用“dB”表示，这个数值越大越好。一般家用HI-FI功放的信噪比在60dB以上。
输出阻抗：对扬声器所呈现的等效内阻。
按信号处理方式分类，音频放大器可以分为模拟功放和数字功放。本设计提供了基于D类数字功放和模拟功放TDA2030实现的两种方案。
2.1
后来，人们已认识到在功率晶体管和8Ω扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变压器了。于是出现了无变压器的Lin氏电路组合，从而构成了准互补输出级。因为当时已有相当不错的PNP激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成NPN型管，合适的互补功率器件，出现在60年代后期。这时，全互补输出级立刻证明了它比准互补电路具有失真较小的优点。大约在同一时期．由于晶体管差放对已成为人们熟悉的电路单元，直流偶合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。
a)引脚图b)实物图
图3-1 LM324的引脚图和实物图
表3-1LM324引脚功能表
引脚
功能
引脚
功能
1
输出1
8
输出3
2
反向输入1
9
反向输入3
3
正向输入1
10
正向输入3
4
电源
11
接地
5
正向输入2
12
正向输入4
6
反向输入2
13
反向输入4
7
输出2
14
输出4
LM324内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1.5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM124、LM224和LM324引脚功能及内部电路完全一致。LM124是军品，LM224为工业品，而LM324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。
图2-1 D类音频功率放大器基本构成图
以上两个方案中，D类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等特点，但保真度不及传统功放。传统的模拟音频功放保真度高，但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备。本设计选用第一种方案，以性价比较高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放TDA2030为核心设计相关硬件。
3.1
前置放大模块基本组成是有输入放大和音质控制等电路。其作用一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。这里的前置电路是由集成运放和外围元件组成的。
3.1.1
集成运放的应用十分广泛，包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性和非线性的处理。集成运放的种类很多，而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集成的运放的个数不同，有单片集成电路集成四个运放的，如LM324、TLC27M4、UPC324C、LF347N、LM2902N等，也有单片集成电路集成一个运放的，如UA741、UA709、LM301、LM308、TD07、LF356、OP07、OP37、MAX427等。
根据现在人们消费和生活质量的提高，对音频功率放大器的要求也相对有了更高的基准，一个新型高效率音频功率放大器可以带来很高的效益，所以有很多的企业投入到了对高效率音频功率放大器的设计中。下面是一个有关D类放大器的高效率音频功率放大器。
功放的主要性能指标有输出功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻抗，阻尼系数等。
方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器基本构成框图如2-1所示，它是用音频信号的幅度调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率（理论上为100%，实际电路可以达到80%～95%），但D类功放也有不足之处，就是保真度低、输出音质较差，所以一般应用于手持式设备（如手机、PDA等）。
输出功率：是指输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。
峰值功率：是指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率。
额定输出功率：当谐波失真度为10%时的平均输出功率。也称做最大有用功率。
频率响应：表示功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与否一般用分贝“dB”表示。家用HI-FI功放的频响一般为20HZ～20KHZ正负1Db。这个范围越宽越好。
失真度：理想的功放应该是把输入的信号放大后，毫无改变的忠实还原出来。但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较，往往产生了不同程度的畸变，这个畸变就是失真。用百分比表示，其数值越小越好。HI-FI功放的总失真在0.03%～0.05%之间。功放的失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、瞬态失真、瞬态互调失真等。
1.前置放大模块
前置放大模块是把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。它具有两个功能：一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。其基本组成由音源选择、输入放大和音质控制等电路。
2.音量控制模块
音量控制模块是将前置放大后的信号通过电位器来控制TDA2030A芯片的输入信号的大小，用来控制整个音量的大小。
2.1.1
方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这几种放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中，它按输入音频信号的大小控制着输出信号，但自身也在消耗电能。A类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主，通常需要偏置电压才能工作，能量转换效率很低，输出功率一般较小并且理论效率只有50%，所以不行。B类功率放大器虽然不需要偏置电压，靠信号本身来导通放大管，理论效率可达78.5%，但电路在小信号时失真严重。通常，在电路中略加一点偏置形成AB类功率放大器，虽然效率略有下降，但保真度高、小信号时失真减弱。
集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路，例如比例、加减、积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。由于放大电路只限于放大音频输入信号，且放大倍数也不高，因此采用单片集成电路集成四个运放的LM324较为合适。
3.1.2 LM324
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，其引脚图和实物图如图3-1和引脚功能如表3-1所示。
音频功率放大器是音频系统中最重要的组成部分，它的作用是对各种音源设备送来的微弱音频信号进行放大，并进行控制、加工和处理,使其达到一定的功率，去推动扬声器音箱发出声音。而音频功率放大器一般由前置放大器、推动级、功率输出级组成，也简称功放。在设计中采用了TDA2030功放芯片，使电路的可靠性提高。本文介绍了家用功放的基本结构及工作原理，设计了一款具有音调控制，适用于家用的简易音频放大器，并介绍了主要性能参数的测试方法。
3.功率放大模块
给音频放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。
2.2
根据方案规划及任务指标设计基本组成框图，如图2-3所示。
图2-3音频放大器的基本组成框图
首先电源模块经整流滤波后，为前置放大器LM324和功率放大器TDA2030提供±12V的双电源，将音频信号分别输入到左右输入端，信号经前置放大器对电压和电流进行放大，同时对信号进行高低音的提升或衰减控制，输出信号经音量控制电位器对功率放大器的输入信号进行大小调节，最后信号经功率放大器输出后幅度为4V的音频信号，驱动扬声器工作。
音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节的频率失真，或满足听者对音色的爱好和需求。
图3-3负反馈高低音调节的音调控制电路
表3-1不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值
音调
频率F/(Hz)
C21=0.015μF时的XC1
信息职业技术学院
毕业设计说明书(论文)
设计(论文)题目:音频功率放大器的设计
专业:应用电子技术
班级:应电08-2
学号:
姓名:
指导教:
二〇一〇年十二月十日
目 录
摘 要
在现代音频普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，对相同电气指标的音频设备得出不同的评价。所以，就高效率音频功率放大器而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。音频放大器的发展已经有快要一个世纪的历史了，从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断的更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断的加以改进。
3.1.4
负反馈式高低音调节的音调控制电路比较简单，图中只画出了一个声道的电路,如图3-3所示。不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值如表3-1所示。
所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音频不足。音调控制电路用以改变放大器的频率特性，补偿整个放音系统频率特性的偏差，也用来满足听从对音色的不同需要。音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。正是这些滤波器构成了音频电路中的音调控制器。音频器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡器，均由各种有源或无源滤波器组成。利用这些滤波电路，可以组成各种高通、低通滤波器和带通滤波器，以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。