多路音频功放设计

贵州电力职业技术学院电子技术科论文

题目多路音频功率放大电路

姓名熊俊斐毕金娅

学号 23 01

年级专业机电3101

完成时间2011 年 12 月 26 日

多路音频功率放大电路

摘要：这是一个科学技术极度发展的的时代，这是一个人们生活节奏极度快速的时代。在这个极速的时代人们对音乐的播放和演绎都有了更高的要求，一、希望声音的放大倍数尽可能的大；二、希望播放音乐的失真度尽可能的小；三、要求声源的输入越来越多。例如：一台普通的功放机至少会有5到7个音频的输入接口；四、随着社会发展的要求，节能环保的提倡，人们对机体本身的功耗要求越来越高，希望功耗尽可能的小；五、为了节省材料，体积越小越好，耗材越少越好。

由于条件的限制我们设计一个三路音频的功放，一个供CD机的音频输入，一个供MP3的音频输入，还有一个用来供话筒的声音输入。这样就可以做成一个小型的卡拉OK机了。

关键词：运放功率放大器整流稳压音频混合信号放大

目录

摘要 (2)

第一章绪论 (1)

1.1 背景及研究意义 (1)

1.2 开发环境描述 (1)

第二章电路总设计 (2)

2.1 电源 (2)

2.2 音频混合部分 (3)

2.3 音量控制 (3)

2.4 功率放大部分 (4)

2.4 电源指示 (4)

2.4 电路控制 (4)

2.4 总体布局 (5)

第三章电源及电路指示 (5)

3.1 交流电源及电路工作控制 (5)

3.2 直流稳压 (6)

3.3 电源指示............................................错误！未定义书签。

3.4 电源及电路控制电路图................................错误！未定义书签。第四章音频混合部分 .........................................错误！未定义书签。

4.1 话筒输入设计........................................错误！未定义书签。

4.2 CD音频和MP3音频输入设计 (14)

4.3 话筒音量控制 (15)

4.4 运放的选择 (16)

4.5 音频混合部分图 (18)

第五章功率放大部分 (19)

5.1 功率放大器的选择 (19)

5.2 功放的外围设计......................................错误！未定义书签。

5.3主音量控制..........................................错误！未定义书签。

5.4 功放及主音量控制系统电路图 (24)

参考文献 (24)

附件 (24)

附件1多路音频功率放大器电路图 (25)

附件2电子钟设计电路图 (26)

第一章绪论1.1 背景及意义

进入大学后生活条件和周围的环境都发生了极大的变化，以前在家你可以开着音响大声的放歌，打开麦克风大声唱自己喜欢的歌谣。只要自己愿意就可以了，一般不会受限制的。真的是想唱就唱，想听你就大声的听，让音乐不断的陶醉吧！上学后呢？我们依然想听着被被大声播放的音乐，想对着MV唱自己喜欢唱歌曲。但是条件实在是不允许，我们没有一个播放设备给我们大声放歌，我们也没有一个可以支持话筒输入的设备来供我们唱歌。现在我们都会有一种感觉，没有音乐的社会就像在地狱一样，音乐已经是生活的一部分。我们又不可能去买那些很奢侈的东西吧——很贵，没有买的必要。当然我们是学生学习也很重要，听音乐和唱歌只是一个业余爱好而已。怎样才能两全其美呢？那就用自己所学的东西来设计一个卡拉OK机吧！这样既可以学以致用，又能满足我们自己的喜好。

1.2 开发环境描述

二极管IN4007：6个

双12V变压器： 1个

LM324：1个

稳压管78L06/79L06：各一支220μF电解电容：2个

470μF电解电容：2个

2200μF电解电容：2个

4.7μF电解电容：20个

220μF电解电容：2个

100μF电解电容：2个

100pF瓷片电容：14个

200Ω电阻： 2个

1Ω电阻： 1个

10kΩ电阻： 16个

30kΩ电阻： 1个

2.4kΩ电阻： 1个

22kΩ电阻： 4个

680Ω电阻： 1个

Ω电阻： 1个

散热片： 1块

TDA2030A： 1个

音频插孔： 3个

发光二极管： 1只

开关： 1个

第二章电路总体设计

本电路主要是分为五个模块：交流电源、直流电部分、音频合成部分、音量控制、功率放大部分、电源指示。

2.1 电源

2.1.1 交流电源

由220V的交流电直接供电，经过双12V变压器输出±12V交流电供直流电源部分使用。2.1.2 直流电源

通过交流电源部分输出±12V交流电，经处理后得到稳压±6V供运放使用。根据TDA2030A集成的要求，在直流电源部分需要提供±15V。

音频合成部分主要是把三路音频通过一定处理合成在一起，以为功率放大部分提供信号源。

2.2 音频合成部分

2.2.1 话筒输入

由于话筒的的输出信号很微弱，一般在1mV~10mV。所以必须进过一定的处理。假如话筒的输出为5mV，而CD和MP3的输出为0.707V，为了能匹配合成前就需要把话筒的信号放大140倍左右。另外，如果输入不匹配会发生啸叫。

2.2.2 CD和MP3的输入

CD和MP3不能直接输入需要一个缓冲处理，然后的合成在一起。为了方便，设计时先将话筒的信号放大至CD和MP3的信号大小，然后把三路信号合成在一起送人功率放大部分。

2.3 音量控制

音量控制主要有两部分：一部分是话筒音量的控制，另一部分是主音量的控制。

2.3.1 话筒音量的控制

首先话筒的信号的大小不是一个恒定的值，因演唱者的歌声起伏不定。每个人的演唱的音量也不一样，这样会导致信号很不稳定。为了方便话筒音量的控制放在话筒音量处理后。

2.3.2 主音量的控制

主音量大小主要决定于功放部分的输出大小，它的大小会影响收听的感觉。因此主音量的控制放在功率放大后。

2.3.3 信号混合

由CD机和MP3机送来的信号一般为0.707V，而话筒的信号最大只有10mV。

所以直接混合的话就几乎听不到话筒传来的声音了。需要把话筒传来的信号放大到0.707V左右再混合，这样才能满足要求。根据计算话筒的信号大概要放大140倍。信号的混合可以使用运放。

2.4 功率放大部分

由音频合成部分送过来的信号不能直接驱动8Ω5W喇叭供我们欣赏音乐，必须通过功率的放大。

2.5 电源指示

如果没有一个电源指示我们就有可能不知道电路什么时候工作，什么时候不工作。

2.6 电路控制

一个东西不可能让它一直工作，总有需要停下来的时候，这就需要有个电路控制的装置。让它工作还是关机。

2.6.1 电源开关

对电路的控制可以使用一个开关来实现，那么放在哪里好呢？根据人们生活和社会发展的要求，一般有以下要求：1、要能控制电路工作不工作；2、尽量在没有工作时，没有功耗；3、要能保证操作者的安全。4、尽量减小对电路其他部分的影响。

根据以上的这些要求，对电路的控制放在220V的电源入线上最好。

2.7 总体布局

第三章电源及电路指示

本部分主要是完成电源的提供、控制和电路工作的指示。

3.1 交流电源及电路工作控制

220V交流电源提供电流由于电压过高不能使用必须经过降压处理。

3.1.1 变压

把电压降低油很多种方法，由于这个设计需要的功率较大，可以选用变压器。选哪种变压器比较好呢？市场常见的变压器有双6V，50Hz~60Hz，双9V，50Hz~60Hz，双12V，50Hz~60Hz，双15V，50Hz~60Hz，双18V，50Hz~60Hz。而在我们运放的设计中需要±6V的电源（见直流稳压部分），功率放大部分需要

±12V的电源供电。而且变压器越大的越贵。综合以上因素选择双12V，50Hz~60Hz的变压器最好。

通过变压器后就可以得到一组双12V的交流电源了。

3.1.2 电路工作控制

一个东西不可能让它一直工作，总有需要停下来的时候，这就需要有个电路控制的装置。让它工作还是关机。对电路的控制可以使用一个开关来实现，那么放在哪里好呢？根据人们生活和社会发展的要求，一般有以下要求：1、要能控制电路工作不工作；2、尽量在没有工作时，没有功耗；3、要能保证操作者的安全。4、尽量减小对电路其他部分的影响。

根据以上的这些要求，对电路的控制放在220V的电源入线上最好。

3.2 直流稳压

3.2.1 整流

通过变压器出来的电流还是交流电，还不能直接被其他元件使用。必须要有一个变直流的处理，这个过程就是整流。

常用的整流电路有：

（1）半波整流；

（2）全波整流；

（3）桥式整流。

1、半波整流是利用二极管的单向导电性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。半波整流利用二极

管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。右图是一种最简单的整流电路。

半波整流电路它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz ,组成。变压器把市电电压(多为220伏)变换为所需要的交变电压e2,D 再把交流电变换为脉动直流电。下面从右图的波形图上看着二极管是怎样整流的。

半波整流电路变压器次级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图所示。在0~π时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负，此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻Rfz上。在π~2π 时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正上端为负。这时D承受反向电压，不导通，Rfz上无电压。在2π~3π时间内，重复0~π 时间的过程；而在3π~4π时间内，又重复π~2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz,在Rfz上获得了一个单一右向(上正下负)的电压，如图所示，达到了整流的目的。但是，负载电压Usc以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。这种除去半周、留下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低(计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc =0.45e2 )因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。

在u2 的正半周（ωt = 0~π）D1正偏导通，D2反偏截止，R L上有自上而下的电流流过，RL上的电压与u21 相同。

在u2 的负半周（ωt =π~2π），D1反偏截止，D2正偏导通，R L上也有自上而下的电流流过，R L上的电压与u22相同。可画出整流波形如图Z0704所示。可见，负载凡上得到的也是一单向脉动电流和脉动电压。其平均值分别为：

GS0705 流过负载的平均电流为

GS0706 流过二极管D的平均电流（即正向电流）为

加在二极管两端的最高反向电压为

选择整流二极管时，应以此二参数为极限参数。

2、全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。

全波整流电路如图Z0703所示。它是由次级具有中心抽头的电源变压器Tr、两个整流二极管D1、D2和负载电阻R L组成

。变压器次级电压u21和u22大小相等，相位相反，即

u21 = - u22 =

式中，U2 是变压器次级半边绕组交流电压的有效值。

全波整流电路的工作过程是：在u2 的正半周（ωt = 0~π）D1正偏导通，D2反偏截止，R L上有自上而下的电流流过，RL上的电压与u21 相同。

在u2 的负半周（ωt =π~2π），D1反偏截止，D2正偏导通，R L上也有自上而下的电流流过，

R L上的电压与u22相同。可画出整流波形如图Z0704所示。可见，负载凡上得到的也是一单向脉动电流和脉动电压。其平均值分别为：

GS0705

流过负载的平均电流为

GS0706

流过二极管D的平均电流（即正向电流）为

加在二极管两端的最高反向电压为

选择整流二极管时，应以此二参数为极限参数。

3、桥式整流电路：e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

工作原理

如此重复下去，结果在Rfz 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

二极管怎样选择呢？常用二极管有：检波二极管2AP9,稳压二极管2CW56,2DW7,整流二极管IN4007,恒流二极管2DH1发光二极管2EF1开关二极管2CK,2AK15，变容二极管，肖特基二极管BAT43。

根据桥上整流电路和本设计的要求我们可以选择IN4007，再看一下IN4007的参数是否符合要求。IN4007参数如下：

从上表可以看出IN4007的性能和参数基本符合要求，而且IN4007的价格比较便宜，市场价在0.02元左右。

所以该部分选用桥上整流，二极管选用IN4007。

3.2.2 滤波

整流后得到的虽然是直流电，但是起伏还比较大不能满足部分元件的正常使用，需要一个滤波的过程，把它变成比较平滑的直流电。

常用的滤波有电容式滤波和电感式滤波。

1、电容式滤波：50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗- 频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。普通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。在电源设计中,滤波电容的选取原则是：

C≥2.5T/R

其中：C为滤波电容，单位为UF；T为周期，单位为S，T=1/F R为负载电阻，单位为Ω 当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件(空间和成本)允许，都选取C≥5T/R。

2、电感式滤波：当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。

在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL 时才能获得较好的滤波效果。L 愈大，滤波效果愈好。 我们再从输出的平均电压来看一下，当其他条件满足时。电容式滤波的输出电压V U u 152.12≈≈；电感式滤波的输出电压V U u 8.109.02≈≈；根据功率放大器的要求，需要用±15V 的电压，可以选择电容式滤波。那么电容该选多大呢？根据滤波电容的选取原则，再结合常用电容，此处的滤波电容可以选择25V ，2200μF 的电解电容。

3.2.3 直流稳压

在集成运放工作时需要一个±6V 的稳压电源，所以经整流滤波波后必须有一个稳压。

稳压的方法很多，为了简化电路复杂性，我们可以选取集成稳压器78L06/79L06。再看看他们的性能是否满足要求，下面是78L06的性能参数：3-terminal positive voltage regulator. Output voltage 6.0V . Output current 100 mA

稳压值为6V ,，输出电流为100mA ，性能完全符合要求。

3.3 电源指示

如果没有一个电源指示我们就有可能不知道电路什么时候工作，什么时候不工作。

3.3.1 电源指示

电源指示可以有一个发光二极管和一个限流电阻组成。

3.4 电源及电路控制电路图

第四章音频混合部分4.1 话筒输入设计

由于话筒的信号和其它两个输入的信号相差很大，因此话筒的信号需要先处理一下才可以和其它两路音频混合。

4.1.1 输入设计

话筒的的输出信号很微弱，一般在1mV~10mV。假如话筒的输出为5mV，而CD和MP3的输出为0.707V，为了能匹配合成前就需要把话筒的信号放大140倍左右。另外，如果输入不匹配会发生啸叫。话筒的内阻大约为200Ω。为了输入匹配输入电阻也要在200Ω左右。

因此，话筒的输入有两个要求：1、放大倍数为140陪；2输入电阻为200Ω左右。

放大电路可以选择三极管放大和运算放大器来实现。三极管放大有几个不好的地方。一是放大倍数不确定，二是输入电阻不容易调节，三是使用元件很多。所以选择运算放大器来放大比较好，但是使用运算放大器又必须考虑另外一个问题——零点漂移。因此设计时需要注意平衡电阻的设计。

4.1.2 原理图

4.2 CD音频和MP3音频输入设计CD音频和MP3音频的信号都是0.707V，可以不经过放大直接与放大后的话筒信号混合。

4.2.1 音频输入设计它们的信号虽然不需要放大，但是需要一个输入缓冲的过程。由于话筒信号的处理使用了运算放大器，因为

未来节约元件CD音频和MP3音频的处理也可以选用运算放大器。当运算放大器接成电压跟随器时就可以达到此目的了。为了不引入干扰，在输入前还应该加一个电容隔离直流信号。

4.2.2 原理图

4.3 话筒音量的控制

话筒的信号的大小不是一个恒定的值，因演唱者的歌声起伏不定。每个人的演唱的音量也不一样，这样会导致信号很不稳定。

4.3.1 音量控制设计

音量的控制可以使用电位器来实现，但是放在哪里好呢？如果放在运放的输入端坑肯会影响放大倍数，导致电路无法正常工作。放在后面势必会对下一级的放大有影响。然而话筒信号放大的后面是信号的混合，放大一点或缩小有点对整个电路影响却不是很大，而且还可以通过电位器来适当的调整，所以为了方便话筒音量的控制放在话筒音量处理后。

4.3.2 原理图

4.4 运放的选择

运算放大器的选择很重要，直接影响着我们的信号失真率。运放有通用型运算放大器、高阻型运算放大器、低温漂型运算放大器、高速型运算放大器、低功耗型运算放大器、高压大功率型运算放大器。选来看看他们各自的特点

1、通用型运算放大器

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标

能适合于一般性使用。例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2、高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>（109~1012）W,IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、低温漂型运算放大器

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

4、高速型运算放大器

在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG 一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。

5、低功耗型运算放大器

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携运算放大器式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

6、高压大功率型运算放大器

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。

显然，通用型运算放大器是最适合我们的，而且在我们音频混合设计中已经用了四个运放了，因此我们还应该选用四运放的。上面提到常用的四运放有LM324.我们再来看一下LM324的性能符不符合我们的要求。下面是LM324的参数：

运放类型:低功率放大器数目:4 带宽:1.2MHz 针脚数:14 工作温度范围:0°C to +70°C 封装类型:SOIC 3dB带宽增益乘积:1.2MHz 变化斜率:0.5V/μs 器件标号:324 器件标记:LM324AD 增益带宽:1.2MHz 工作温度最低:0°C 工作温度最高:70°C 放大器类型:低功耗温度范围:商用电源电压最大:32V 电源电压最小:3V 芯片标号:324 表面安装器件:表面安装输入偏移电压最大:7mV 运放特点:高增益频率补偿运算逻辑功能号:324 额定电源电压, +:15V 特点:1.短路保护输出；2.真差动输入级；3.可单电源工作：3V-32V ；4.低偏置电流：最大100nA；5.每封装含四个运算放大器。；6.具有内部补偿的功能。；7.共模范围扩展到负电源；8.行业标准的引脚排列；9.输入端具有静电保护功能。

从上面看LM324完全满足我们的需求，而且该芯片价格比较便宜。

4.5 音频混合部分图

4.5.1 音频混合部分原理图

4.5.2 音频混合部分电路图

第五章功率放大部分

由于音频混合部分送过来的信号很小，不能直接驱动8Ω5W喇叭供我们欣赏音乐，所以还必须通过功率的放大。

5.1 功率放大器的选择

常见的放大器有：A类放大器、B类放大器、AB类放大器和D类放大器。