考試答題紙(以論文、報告等形式考核專用)二○○九～二○一零學年度第 一 學期課程編號2316990502課程名稱實用電子電路設計主講教師評分學 號姓名專業(yè)年級教師評語：題目：音頻功率放大電路實驗實驗報告音頻功率放大電路實驗實驗報告一、 前言本實驗的內(nèi)容是設計和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，從而了解音頻功率放大電路的基本結構和工作原理，同時也進一步加深對模擬電路中所學知識的掌握和認識，并通過單元電路的分析，了解電路系統(tǒng)設計的步驟和組合方法實驗中重點要求復習和掌握運算放大器的基本使用方法，即運放同相比例放大和反相比例放大器的結構，計算和運用同時也要求復習和掌握有源濾波電路的基本結構和原理在電路設計中和實驗中也需要了解對元器件的選擇標準，掌握一些常用元件的性能另外，在本實驗中還增加了一部分線性直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)容，要求通過實驗掌握線性穩(wěn)壓電源的基本結構、工作原理以及三端集成穩(wěn)壓器的使用方法，同時復習和加深對橋式整流電路理解二、 實驗電路原理分析本實驗的內(nèi)容是設計和制備一個可以供多媒體音箱使用的音頻功率放大電路，整體功能框圖如圖1 所示，可以分為音頻放大和直流電源兩大部分。

其中音頻放大電路的功能是將其它電子設備（如MP3，計算機聲卡，VCD 機等）的音源信號進行放大，然后再經(jīng)過功率放大，最后去推動揚聲器輸出，簡單來說，就是一個擴音器，但為了提高聲響的品質(zhì)，內(nèi)部要求有能夠?qū)Ω咭艉偷鸵暨M行調(diào)節(jié)的均衡電路（即音調(diào)電路）直流電源部分則負責將220V 的交流電源轉換為低壓直流電供放大電路使用，同時，為了減小電源電壓波動引起的噪聲對放大電路的影響，電源部分要求采用線性直流穩(wěn)壓電源在音頻放大電路中，左右聲道的放大結構完全相同，因此以下的分析中不對左右聲道單獨區(qū)分三、直流電源的分析良好的直流電源是提高音頻放大電路品質(zhì)的關鍵因素之一一般的多媒體音箱中為了節(jié)約成本，都僅僅采用了全橋整流和電容濾波電路產(chǎn)生直流電源提供給音頻放大電路使用這時的直流電壓源含有較高的脈動成分，直接用作音頻放大電路的電源時效果欠佳，有可能影響音質(zhì)，因為電源中的脈動成分會作為干擾信號被逐級放大，甚至在揚聲器中產(chǎn)生明顯的交流噪聲，影響音響系統(tǒng)的保真度為了提高直流電源的穩(wěn)定性，本實驗的設計中專門增加了兩組線性穩(wěn)壓電路，其中一組設計為具有較大的輸出功率，由三端集成穩(wěn)壓器構成，專門提供給音頻放大電路中的功率放大部分使用；另外一組則是小功率輸出的，由運放、基準源等分立器件構成，專門提供給音頻放大電路中的前置放大和均衡電路使用，通過對這一部分電路的學習和了解，可以掌握線性集成穩(wěn)壓電源的基本結構和工作原理：其本質(zhì)就是運算放大器的同相比例放大或反相比例放大。

1、全橋整流電路從圖 1 中可以看到，220V 的交流電源經(jīng)變壓器降壓后，由全橋整流電路輸出直流，再由穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流，提供給放大電路使用在設計中，音頻放大電路部分需要對稱的雙電源，因此必須選擇次級有三端抽頭（雙繞組）的變壓器，如圖2（a）所示，經(jīng)全橋電路整流和電容C1 至C4 濾波后，輸出對稱的正負電源（圖2 中電路節(jié)點標記為DC＋和DC－）2、三端集成穩(wěn)壓器構成的大功率線性直流穩(wěn)壓電源要構成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器這種集成電路塊內(nèi)部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護電路和啟動電路等功能，但是外部引腳只有三個端口，分別接輸入電源（Vin），地（GND），另一個端口輸出，其使用十分簡單，只要將三個端口按規(guī)定接入電路就可以使用典型和常用的三端集成穩(wěn)壓器有78XX / 79XX 系列其中78XX 系列用于產(chǎn)生正電源，79XX 系列用于產(chǎn)生負電源，標號XX 則代表輸出電壓如圖2（b）所示，分別采用一只7812 和一只7912 集成塊，按規(guī)定連接，就可以產(chǎn)生＋12V 和－12V的穩(wěn)壓電源輸出3、線性直流穩(wěn)壓電源的基本結構所有線性直流穩(wěn)壓電源的基本結構都可以理解為一個運算放大器構成的同相比例放大電路（或反相比例放大電路）。

圖3（a）是一個三端集成穩(wěn)壓器的典型結構框圖，由啟動、偏置和保護等電路共七個部分組成其中偏置電路為集成電路內(nèi)部所有模塊的工作提供適當?shù)撵o態(tài)偏置；啟動電路則僅僅是在開始工作的時候激勵偏置電路正常工作；保護電路則提供過溫和過流保護，防止工作時溫度太高或輸出電流太大而燒毀電路其余四個部分：基準電壓，比較放大，調(diào)整電路和采樣反饋放大是理解穩(wěn)壓電源的關鍵，其本質(zhì)就是一個運放的同相比例放大器，如圖3（b）所示其中基準電壓的作用就是產(chǎn)生一個不隨外部電壓，不隨溫度變化的標準電壓，在集成電路中這一電壓通常采用帶隙式基準源，其原理在此不具體介紹比較放大器本質(zhì)上就是一個運算放大器，基準電壓輸入比較放大器的同相端而調(diào)整電路的本質(zhì)則是一只晶體管，也叫做調(diào)整管，在集成電路中通常采用復合管來增強電流輸出能力和β值在電路中，調(diào)整管和比較放大器復合在一起可以簡單地看成一只具有大電流輸出能力的運算放大器電阻R1 和R2 構成的采樣電路，其本質(zhì)就是同相比例放大器中的反饋電阻這樣，整體電路就可以看成是由一個具有大電流輸出能力的運算放大器構成的一個同相比例放大器，有：當外部的輸入電壓發(fā)生變化時，只要基準電壓不發(fā)生變化，則輸出的電壓也不會發(fā)生變化，調(diào)整電阻R1 和R2 的取值，則可以調(diào)整輸出電壓。

這就是線性直流穩(wěn)壓電源的基本原理另外，從以上對于線性直流穩(wěn)壓電源的簡單分析和介紹中，還可以看到這種電路的幾個重要特點：1、線性直流穩(wěn)壓電源只能實現(xiàn)降壓處理，即輸出電壓一定低于輸入電壓2、調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū)，電路才能正常工作這也是這種電路叫做線性穩(wěn)壓電路的原因3、如果不考慮控制部分的電流，調(diào)整管的集電極電流和發(fā)射極電流相等，亦即輸入和輸出電流相等，則：當輸入輸出電壓差值較大時，電源的效率較低，功耗都損失在調(diào)整管的集電極上因此，在功耗較大時，調(diào)整管應該加裝合適的散熱器4、對電源部分反思1.假如我們要改變PVCC和PVEE電壓，只要選擇電壓符合的三端穩(wěn)壓管芯片即可如假如要把PVCC與PVEE的電壓值變?yōu)檎?8V，那么用7818與7918兩個三端穩(wěn)壓芯片組合在一起就可也2.假如我們要把SVCC與SVEE的電壓值改變，由于線性直流穩(wěn)壓電源為一個用輸入電壓為其電源的，其輸輸出端的電壓為電壓的反相或同相放大器（主要利用了運放對電源抑制的特性，把紋波大的輸入電壓，變?yōu)榧y波小的輸出電壓）所以加入我們要改變SVCC與SVEE的電壓值，我們只要改變其放大倍數(shù)即可例如圖三所示的電路，只要調(diào)節(jié)R1與R2的值就能改變SVCCS與VEE的電壓值。

四、音頻放大電路的分析1、前置放大前置放大器的作用簡單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音源信號進行放大并輸出外部音源信號由較長的導線輸入，并且信號源可能存在較高的內(nèi)阻，電流輸出能力不強，因此需要“緩沖”來將其轉換為低內(nèi)阻的信號源，以便驅(qū)動后級電路所以前置放大電路是個輸入阻抗大，輸出阻抗小的放大電路其起到了一個阻抗匹配和預放大作用2.均衡電路（音調(diào)電路）均衡電路是由低通、高通、帶通等濾波器組成的，可以對音調(diào)進行控制的電路，聽者可以根據(jù)具體需求，對聲音信號中某些頻率段的增益（放大倍數(shù)）進行調(diào)整常用的均衡電路只是對高頻段或低頻段的增益進行提升或衰減，而中頻段的增益保持不變均衡電路可以用無源的RC 濾波網(wǎng)絡來構成，也可以用運算放大器組成的有源濾波網(wǎng)絡來構成， 圖7（a）是本實驗設計的電路中采用的均衡電路，由運算放大器構成，可以對高頻段和低頻段的增益分別進行提升/衰減首先對圖7（a）的均衡電路功能和部分元件取值作一簡要說明RP1 和RP2是兩只可調(diào)電位器，其中RP1 對低頻音調(diào)進行控制，而RP2 則對高頻音調(diào)進行調(diào)節(jié)：當電位器從右滑旋向左時，相應的低頻/高頻音量提升；反之，當電位器從左滑旋向右時，相應的低頻/高頻音量衰減。

一般來說，均衡電路設計時要求音調(diào)的提升/衰減量大約為±20DB（分貝），即放大倍數(shù)有0.1～10 倍的調(diào)節(jié)能力3、功率放大電路外部音源信號經(jīng)過前置放大、均衡放大后，輸入最后的功率放大級，然后就可以輸出去驅(qū)動揚聲器，發(fā)出聲音本實驗中的功率放大器采用TDA2030 集成塊，其本質(zhì)就是一個運算放大器，和其它小信號放大用的運放相比，有較大電流輸出能力，可以輸出較大的功率本實驗電路設計中采用的是雙電源下工作的OCL 電路，具體如圖10 所示：下面對其做一簡介RP3 是一只電位器，作用是進行音量（Volume）調(diào)節(jié)輸入信號（均衡電路的輸出信號）通過耦合電容C1 后，再由RP3 進行分壓調(diào)節(jié)，連接到TDA2030 的同相端電阻R1、R2 組成反饋回路，和TDA2030 構成了一個同相比例放大電路，這一部分就是整個功率放大電路的核心，本質(zhì)和普通運放完全一致需要說明的是電容C2 同樣是一只耦合電容，作用同樣是“隔直通交”，使功率放大器僅僅對交流信號產(chǎn)生放大作用，而對直流信號不產(chǎn)生任何放大：1、對于直流信號，電容C2 相當于“開路”，此時電阻R2 不起作用，功率放大器和電阻R1 構成的是一個電壓跟隨器由于電位器RP3 是通過電容C1 和前級電路耦合，因此RP3 上的直流電位一定為零，同時可以保證功率放大器的輸出也一定為零，即有“零輸入，零輸出”的性質(zhì)。

2、對于交流信號，電容C2 相當于“短路”，此時電阻R1 和R2 組成同相比例放大器反饋回路，功率放大器的交流電壓放大倍數(shù)為：3.D1、D2 是兩只起保護作用的二極管，反向并聯(lián)在功率放大器的輸出端和電源之間，雖然對電路的理論分析和理解沒有作用，但在實際電路中則必不可少，原因在于揚聲器揚聲器并不是簡單的純阻性負載，而是線圈和永磁體復合組成的，當揚聲器的線圈振動時，切割磁力線會產(chǎn)生感生電動勢，這種感生電動勢反過來加在功率放大器的輸出端口，太大的話有可能造成功率放大器的損壞二極管D1、D2 在電路正常工作時處于反向，是不導通的，對電路工作沒有影響，而如果感生電動勢過大，超過了電源電壓的范圍，則開始導通，將輸出端的感生電動勢進行鉗位，保護功率放大器不會損壞4.電阻R3 和電容C3 串接在電路的輸出端，和揚聲器一起可以看成功率放大器的負載，其作用是對揚聲器的頻響特性進行補償，使功率放大器輸出端的總負載趨近于純阻性它們的補償作用可以用以下簡單的分析來做一個定性理解五、數(shù)據(jù)測量和分析1.輸入阻抗： 27.8 (歐姆)2.靜音輸出噪聲電平（V）： 3mv由測得的數(shù)據(jù)可知，在沒有信號輸入時，整個電路的輸出噪聲信號非常小，因此該電路在沒信號時非常“靜”。

3.電源電壓記錄：節(jié)點名稱SVCCSVEEPVCCPVEE電壓值（V）10.59-10.6411.92-11.91由測得的數(shù)據(jù)可知，SVCC，SVEE，PVCC，PVEE的電壓值都十分的接近理論電壓值，由此可知電路是正常工作的4.前級放大電路測試：輸入信號為頻率為1KHz的正弦波.輸入電壓（V）0.51.522.53輸出電壓（V）左聲道1.684.966.648.209.00右聲道1.685.006.608.408.80放大倍數(shù)左聲道3.363.313.313.283.00右聲道3.363.333.303.362.93由測得的數(shù)據(jù)可知：有計算表明測量計算值與理論值的差值非常小，由此可知前級放大器正常工作5.幅頻特性：(音調(diào)電路的測試)1.輸入信號的電壓均為0.33V,。