实用音频功率放大器设计

实用音频功率放大器

摘要

介绍了如何设计并制作一款最大不失真输出功率P OR≥15W（失真度小于5%）;带宽BW≥（40～20000）Hz（功放部分）;在P OR下的效率≥50%;在前置放大级输入端交流短接到地时，R L=8Ω上的交流声V PP≤400mV;前置放大器具有低音、中音、高音调节功能;具有音量调节功能的实用功率放大器。

关键词：功率放大；音量调节；音调调节

一总体方案设计

系统的原理方案图如上图所示。它主要由音频功率放大、控制器、键盘、显示电路组成。该系统是一个具有低噪声、输出功率可调控的功放电路。

二单元模块设计

2.1 功率放大模块

由于题目已经要求使用分立元件做功放后级，且也规定使用OCL结构的功放电路，因此，我们就此要求进行方案设计。

（1）方案一

前级使用高性能的集成运放，如NE5532、NE5534、LM381、OPA2134等，后级采用分立元件做后级，即用运放来驱动功放电路。这样的电路制作起来相对简单，性能也不错，但是后级所需的电压值通常较高，难以满足题目的要求。

（2）方案二

整个电路由分立元件构成，后级采用大功率三极管做输出，例如2SC5200，B817，TIP35等，以获得足够的输出功率。但是大功率三极管在低压下难以发挥其作用，不仅系统不稳定，而且波形极易失真，带宽小。

（3）方案三

整个电路也由分立元件构成，前级使用差动放大电路，后级使用中功率管构成互补对称功率放大电路。由于要找到两只性能完全一致的NPN和PNP两种型号的大功率管是很困难的，但要找到两只性能完全相同的同型号的大功率管就容易多了。与此同时，采用复合管作为功率放大三极管，电路简单，易调试。

综上所述，方案三电路比较简洁，功率管容易配对，调整方便，可兼顾多方面的指标要求，所以选择此方案。

其电路原理图如图1所示

图1

电路输入部分，由1VT 、2VT 组成单端输入、单端输出的差动放大电路，它具有一致性好，容易配对，工作噪声低等优点。信号由的1VT 基极输入，从1VT 的集电极输出。3VT 为推动级，它是由一只PNP 管组成的共发射极放大电路，在这里，采用PNP 管是为了和前置级的NPN 管适配，易于中点电压的调零。4VT 、5VT 与6VT 、7VT 组成复合准互补甲乙类推挽功率输出级。2VD 与6R 组成推挽输出级的静态偏置电路，使输出级工作在甲乙类，调节6R 可调整其工作点。

静态时，1VT 、2VT 的基极电流1b I ≈2b I ≈b I ,其基极电位为-b I ×12R 。由于b I 很小，所以基极电位可近似认为1b V ≈2b V ≈0V 。而发射极电位1e V =2e V =e V ≈-0.7V 。所以2R 中的电流

2R I =[-0.7-(-V)]/ 6R =(15-0.7)/7.5×10=1.9mA 。I 为1

VT

、2

VT

两管静态电流之和，故

c

I =2R I /2=0.9mA 。改变2R 的阻值，就可以调整前置放大级的静态工作点。但2R 的值不可过小，否

则抑制零点漂移的效果就会减弱。

1R 既是1VT 的集电极负载，又是推动级3VT 的偏置电阻。改变1R 的阻值，可以调整3VT 的静态

工作电流

3

c I 。当

13

R 和14R 选好后，只要调节1R ，就可使中点电位为0V 。

6

R

为输出级复合管基极的

静态工作点调整电阻，改变

6

R

的阻值，就可调整输出级的静态工作电流，一般应调在10~20mA 为

好。

2.2 音量控制模块

K

0UF

1MOSI

MISO

SCK 信号输入

信号输出

U1

音量等级显示

CPU 部分

音量调节

图2

2.2.1 控制部分

单片机扫描键盘，当功率加减按键按下时，程序自动内部进行运算，当按下功率输出键时，LCD

显示设置的输出功率，一方面，单片机控制DA 转换芯片DAC0832输出控制电压，调整输入信号的强弱；另一方面，程序控制输出功率的强弱限制输出功率的大小符合事先的设置值，此时的输出信号的电压值由ADC0809取得并传送到单片机处理，由此得到的数据反馈到DAC0832中，实现对输出信号的实时监控，以设置的功率恒定输出。于是，功放的输出功率由程序控制，成为数字控制的功

率输出。

2.2.2 显示部分

方案一：使用数码管LED显示。使用LED显示的好处是显示亮度高，元件的价格低，容易购买。

方案二：使用液晶LCD显示屏显示数据。LCD屏可以多行同时显示字符，并且能显示汉字或者任何的字母数字，占用面积小，响应速度快。

方案一有个很大的缺点就是当需要显示的字符很多的时候，PCB布线将变得很繁琐，占用单片机资源比较多，虽然串行显示可以解决这个问题，但是为了避免不必要的麻烦，把时间浪费在程序编写以及PCB 布线上，使用LCD显示是一个很好的选择。字符显示方面，一个方案是使用LED数码管显示，另一个方案是使用LCD液晶显示屏显示数据。而且现在的LCD自带字库，编程显示字符变得非常简单。

2.2.3 键盘部分

方案一：所有的数字字符采用4*4按键控制。

方案二：采用一个控制按键加一个设置按键来控制单片机的运行。

方案一明显不能体现简约的设计方法，因此如果使用方案二的话，只要在程序上稍微编写一下，将能省下很多接口资源，并且控制起来简单很多，布线也非常简单，因此键盘使用方案二。

2.2.4 输入信号控制部分

方案一：采用数字电位器控制输入信号。

方案二：采用DA控制输入信号。

方案一采用数字电位器，目前数字的数字电位器可控制的电压幅度有限，最大电压不超过5V，且课通过电流也很小，线性度差，单片机控制起来不方便。所以采用方案二，DA采用DAC0832，单片机控制起来极其方便，线性度也较好，但信号经过DA后，被掺入噪声，所以在输出端需加电容滤波。

2.2.5 整流电路部分

方案一：采用一般的桥堆整流滤波。

方案二：采用带反馈的运放整流电路。

方案一中，整流桥堆在整流时电压会有压降，将导致在计算功率时出现较大误差。方案二采用了反馈技术保证了在整流时不会产生压降，在计算功率时精度大大提高。

2.2.6 输出功率测量部分

方案直接确定为：功放的输出电压经过整流电路得有效值，有效值经过ADC0809将模拟电压值转换成数字量，在单片机内换算成功率值显示在LCD上。

2.2.7 滤波电路部分

方案一：采用普通电容滤波。

方案二：采用8阶有源滤波。

方案一中采用传统电容滤波方式，但是需使用大小不一的多种电容，占空间大，且效果不一定好。如采用有源滤波，电路简单，滤波效果好，最高只能让0.0001Hz的频率通过。