一种简单而用电子分频音频放大电路设计

电子分频音频放大电路设计

1、概述

在现代人类社会的生产活动中，经常需要将各种声音信号转换为电信号，然后进行储存、放大后再输出。音频是指人耳能够感知的声音频率范围，电子分频是指对人能感知的声音频率分别进行低中高音的放大。音频功率放大则是指音频电信号被放大以后，还要能够有足够大的功率去推动扬声器或耳机等负载，重新将电信号转换为声音输出。

人耳所能感知到得声音频率范围大约为20Hz到20kHz，而人的语音频率范围则大约集中在80Hz到12kHz之间，因此在电子分频电路中将主要放大此部分音频，考虑到现在市场音响的供应基本为二扬声器音箱，因此此电子分频设计将包含低通滤波放大和带通滤波放大，低通为300Hz，带通为300Hz~20kHz，超出此频率范围的信号不给予考虑。

另外，人耳对声音的感知有两个重要的特点：1、人耳对声音强度的感知是对数性的，而不是线性的，这一特点能够保证人耳既能听到及极其细微的声音，也能承受巨大的声响。

2、人耳对声音频率的感知也是对属性的，这一特点能够保证人耳对声音频率的感知也有一个足够宽广的范围。

3 电路结构分析与设计

3.1直流电源分析与设计

在直流电源的设计中，为了降直流电压源的脉动成分以及提高音质和保真度，本实验的设计中专门增加了线性稳压电路，具有较大的输出功率，由三端集成稳压器构成，专门提供给音频放大电路中的功率放大部分使用。

3.2全桥整流电路

从上面可以看到，220V 的交流电源经变压器降压后，由全桥整流电路输出直流，再由稳压电路输出稳定的直流，提供给放大电路使用。在设计中，音频放大电路部分需要对称的双电源，因此必须选择次级有三端抽头（双绕组）的变压器，如图2（a）所示，经全桥电路整流和电容C1 至C4 滤波后，输出对称的正负电源（图 2 中电路节点标记为DC＋和DC －）。

如图2（b）所示，线性直流稳压电源采用一只7815和一只7915的三段集成稳压器，此稳压器有三端，分别接输入电源（Vin），地（GND），另一个端口输出，按规定连接，就可以产生＋15V和－15V的稳压电源输出。图中电容C5 至C8也是滤波电容，一般由一只容量较大的电解电容和一只容量较小的无极性电容构成，起蓄能和稳压的作用。从理论上来说，这些电容的容量越大，则电源的稳定质量越好，但成本也会越高，因此其容量的选择是按照输出电流来确定的，在工程设计中，一般根据经验选取。之所以要用两只电容并联的方法，在于电解电容的容量可以做得很大，但是高频特性差，滤除不了高频纹波信号；而无极性电容的容量虽然难以做大，但是高频特性较好，并联上去后可以增强电路的高频滤波特性。

3.3元件参数选取的说明

1、由于一般多媒体音箱的输出功率为10－20W，所以本设计采用输出功率为30V A，输出电压（有效值Vrms）为12V的双绕组变压器。电路的主要功耗在音频放大电路中的功率放大部分，本实验中功率放大器选择TDA2030，当供电为±15V时，该集成块的最大输出功率约12W（具体输出功率和负载扬声器的阻抗相关，左右两声道共24W），再考虑到效率，30V A 的变压器基本能够满足需要。

2、变压器输出的交流有效值为12V，因此经全桥整流电路后产生的直流电压为：

（即图 2 中的DC＋和DC－）。四只整流二极管的耐压必须大于2×16

＝32V，整流电流应当大于30W / 32V ≈1A。在条件允许的情况下，二极管的参数应该尽量保证足够的裕量，因此可以用50V / 3A的二极管或桥堆（实验中拟采用的是50V / 3A的肖特基势垒二极管SR360）。

3、在桥式整流电路和三端集成稳压器后接的滤波蓄能电容为25V / 2200μF 的铝电解电容和63V / 220nF的无极性电容，三端集成稳压器采用7915 和7815，输出电压为±15V

3.4电子分频放大电路分析和设计

1、前置放大

前置放大器的作用简单说来就是“缓冲”，将外部输入的音源信号进行放大并输出。外部音源信号由较长的导线输入，并且信号源可能存在较高的内阻，电流输出能力不强，因此需要“缓冲”来将其转换为低内阻的信号源，以便驱动后级电路。对于音频信号，一般考虑为电压信号，因此“缓冲”电路应当采用高输入电阻，低输出电阻的结构。

音频信号是交流信号，放大器只需要放大交流，因此输入端通常采用电容耦合形式，以避免输入信号源中可能存在的直流分量的影响。电路如图三所示。

图三前置放大电路原理图

在信号放大电路中，每一级放大器之间无论采用电容耦合还是直接耦合，都应当尽量保证每级放大器能够实现“零输入”——“零输出”的性质，以避免失调、漂移对放大性能的影响。对于图中的电阻R16 是必不可少的。电阻R16决定了输入电阻值，虽然它的存在对放大倍数没有影响，但能够保证运放同相端的直流电位接地，输出端的直流电位也为零。如果没有R16，由于运算放大放的输入电阻很高，同相端相当于“浮空”，电路不能工作。

图中的C1、C7为耦合电容，C18起隔直通交的作用，即只放大交流信号，输入电阻在理想情况下可以趋于无穷大。前置放大的放大倍数由电阻R14和R17决定，放大倍数为（R17+R14）/R14=11倍。

C1与R16实际构成一阶低通滤波器，由于人耳能听到的声音信号最高为20kHz，所以该低通滤波器的截止频率应当高于20kHz，才能保证音频信号的完整传输，即：

如果R16取100k，则C1约为82pF，由于没有82nF的电容规格，一般耦合电容的取值都应该远大于计算值，所以在此采用250pF。

2、二阶低通滤波电路

所谓滤波器，就是一种选频电路，它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。低通滤波武器用来通过低频信号，而抑制或衰减高频信号，如图四所示。

图四二阶低通滤波电路

在图四中，C6为耦合电容，电容取值越大，耦合特性越好，C6与R3构成一阶高通滤波电路，在此可去除也可保留，R4、R5、C8、C9构成二阶低通滤波电路，其截止频率为：

=300Hz

本实验中的功率放大器采用TDA2030 集成块，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。如图五所示，TDA2030 系列集成功率放大器采用TO220 封装，使用时必须在外部加装散热器。另外，集成块内部已经集成了过温保护，过流保护等电路，因此使用十分简单。对于使用者而言，只需按要求在外部连接上少量的元件，就可以正常使用了。

该集成功率放大器有5 个外部引脚，分别的定义是：

1: Non inverting input（同相输入端）2: Inverting input（反相输入端）

3: –VS（负电源）4: Output（输出）5: +VS（正电源）