音频功率放大电路的设计

音频功率放大电路的设计

王##(安庆师范大学物理与电气工程学院安徽安庆246011)

指导老师：祝祖送

摘要：本文的内容是音频功率放大电路的设计，其有操控简单、音质好等特点。本设计电路使用的是TDA2030为音频功率放大器，其工作电压为+15V。它将输入电路的电流放大，之后再将扬声器驱动工作。采用LF353对输入的音频信号前级放大，采用DAC0832对前级放大进行控制，采用STC89C52单片机控制电路的放大倍数，最后由液晶显示器显示出放大倍数。

关键词：功率放大器，前级放大，保护电路

1引言

对音频功率放大电路进行研究，其意义是目前在该领域有很好的发展前景，在我们的实际生活中的应用也是十分广泛的。小至我们经常使用的音乐MP4，大到城市报警系统。该设计的研究分别为硬件及软件两部分。扬声器输入电路、功率放大电路、前级放大电路、以及单片机电路构成本设计的硬件电路；液晶显示、键盘扫描、单片机控制等构成本设计的软件部分。

音频功率放大电路设计过程中困难的是选择各部分硬件电路，由于功率放大器的技术要求比较详细，电路各部分的数据选择及硬件的选择会更加复杂，为达到相应的技术指标，需要多次对电路进行调试。熟练使用C语言，加强分层设计编程能力和程序编写程序的可读性，不断修改程序，以达到设计目的。

2 总体方案

2.1设计思路概述

2.1.1设计要求及目的

(1)学习电路的设计及C语言编程。

(2)了解功率放大电路的工作原理，绘制相应的功率放大电路。

(3)完成硬件电路的制作，完成软件程序的编辑。

(4)完成论文。

2.1.2技术指标

(1)由麦克风输入音频信号，音频功率的范围是10Hz-10KHz。

(2)失真度为0.4%-1%。

(3)输入电压范围为150mV-5V。

(4)输出负载能力为7Ω/3Ω。

2.2总体设计方案

方案一：音频功率放大器使用模电设计，硬件原理图见图1。主要设计电源和功放两部分，稳压电源由稳压电路、整流电路、滤波电路等部分组成；功放电路由TDA2030、耦合电容等部分组成。电源电压可以根据电路需要来改变电压值，而不同的电压值对应的放大器的承载能力是不同的。由扬声器提供信号源，通过功放管进行功率放大，从而达到目的，最后结果由示波器显示出来。

优点：电路中设计了电源部分，所以在连接电源的的时候方便快捷。

缺点：由于元器件较多，在选择时就比较困难，在焊接时难度较大。

图1 硬件原理图

方案二：使用键盘输入放大倍数并且由液晶显示器显示出来，由单片机对音频输入信号进行前级放大，再进行功率放大，由扬声器输出声音。硬件原理图如图2所示。

图2 硬件原理图

优点：由于是单片机控制，使得硬件电路变得简单了，也可以更快的达到设计标准，同时也方便了后期调试。通过按键输入放大倍数，使操作更加简单。这样也使得成果更加人性化[1]。

缺点：由于功放和单片机不是同一电压源供电，所以电源部分连接较为复杂。

3硬件电路的设计

3.1总体硬件电路设计

液晶显示电路、单片机外围电路、前级放大电路、麦克风输入电路和功率放大电路等部分组成音频功率放大电路[2]。硬件部分，音频信号输入电路进行前级放大，由单片机控制放大倍数，再通过功率放大电路进行功率放大，最后通过扬声器输出音频信号。硬件电路总体框图见图3。

图 3 硬件电路总体框图

3.2音频输入电路

电路图如图4所示，因为电路中使用的是驻极体话筒，而这种话筒的缺点是得到的信号十分微弱，所以需要先对此信号进行放大后再通过麦克风输入[3]。

图 4 音频输入电路图

3.3前级放大电路模块设计

3.3.1前级放大模块的比较以及选定

(1)继电器控制前级放大

电路图如图5所示，用继电器控制K1和K2的工作状态，对不同阻值大小的电阻进行选择进而控制不同的放大倍数。

Q1

9014

2K

R3

+5V

Diode 1N4001

10K

R2

+12v VCC

-12v VCC

P3^0

23

1

8

4

A

LF353D

1K

R1Vi

1K

R1K1

Relay-SPDT

8

4

567

B

LF353P 1K

R1Q19014

+5V

Diode 1N400110K

R2

+12v VCC

3.3K

R1K2

Relay-SPDT

-12v VCC

2K

R3P3^1

1K

R51K

R5Vo

1

23

U1A SN74LS86D

4

56

U1B SN74LS86D

图 5 继电器控制前级放大电路图

（2）模拟开关控制前级放大电路

电路图如图6所示，HEF4066BP 是四双向模拟开关，高电平导通，a,b,c,d 为四个控制端，通过a,b,c,d 来控制前级放大倍数。

图 6 模拟开关控制前级放大图

3.4单片机时钟电路设计

STC89C52等单片机内部都有可控制的反相放大器，如图7所示。其输入端和输出端分别为XTAL1、XTAL2，振荡器就是在XTAL1、XTAL2端口上外接晶振管组成的。

电容C1、C2的常用规格是40pF±10pF(陶瓷谐振器)或30pF±10pF(晶振)。晶振（或陶瓷谐振器）的频率大小决定了振荡器的频率大小，而振荡器频率必须小于器件能承载的最高频率。PCON.1控制振荡器，复位以后PD=0，振荡器工作，由软件置PD=1，使振荡器停止振荡，单片机停止工作，以达到省电的目的。同时CMOS型单片机也可从外部输入时钟[4]。

图7 单片机时钟电路图

3.5功率放大模块设计

3.5.1数字语音回放系统包含两个部分

（1）数模信号的转换。

（2）在数字信号转换为模拟信号后，需要将模拟信号通过功率放大器进行放大，如A类、B类及AB类放大器。在1980年代初期，很多学者纷纷专注于新型数字放大器的研发，此类放大器最大的特点就是可以直接将数字信号放大，而不需要转换为模拟信号。这类放大器被称为数字功率放大器或D 类放大器。

①A类放大器

A类放大器如图8所示，其特点主要是——Q工作点大致设定在负载线的中点。当输入信号时，晶体管一直处于导通状态。够单管工作，也能够推挽工作。因为放大器在特定曲线的范围内工作，所以交替失真和瞬态失真都相对较小。电路较简单，调试也方便。但不足是效率不高，晶体管的功耗比较大，理论上功率的最大值只有25％，并且有很大的非线性失真，所以目前设计上已基本不再使用此类放大器。

②B类放大器

B类放大器如图9所示，其特点主要是——放大器的静态工作点在(V CC，0)处，所以当无信号输入时，输出端几乎无消耗。在Vi的正半周期，Q1导通Q2截止，输出端正半周为正弦波；在Vi的负半周期，Q2导通Q1截止，输出端负半周为正弦波，所以需要两管进行推挽工作。由于放大器一段时间会在非线性区内工作，即当信号处于在-0.6V-0.6V的范围时，Q1、Q2全都无法导通，导致交越失真较大，所以B类放大器也慢慢被淘汰[5]。