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]。

图8 A类放大器图9 B类放大器

③AB类放大器

AB类放大器如图10所示，其特点主要是——由于晶体管的导通时间稍大于半个周期，所以必须两管进行推挽工作，这样可以很好的避免交越失真，所以相对的效率较高，晶体管功耗也较小。

④D类放大器

D类放大器如图11所示，它是一种将PCM数字信号或模拟音频信号转换成PDM或PWM脉冲信号的放大器。然后用PWM或PDM脉冲信号去控制器件通断的音频功率放大器，也称为开关放大器。D类放大器由输入信号、大功率开关电路(半桥式和全桥式)、处理电路、开关信号组成电路和低通滤波器(LC)等部分组成。D类放大器主要有以下几个特点：

（1）效率高，通常可达85%。

（2）体积小，便携，节省空间。

（3）无裂噪声接通。

（4）外接元器件少，便于调试。

图10 AB类放大器图11 D类放大器A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器的效率高、失真小，但B类放大器容易产生交替失真。而D类放大器的优点是高效率、低失真、外围元器件少。AB类放大器和D类放大器是目前使用最为广泛的功率放大器。再结合于本研究，本设计选择TDA2030为AB类功率放大器。

3.5.2功率放大器原理

高频功率放大器是为了满足发送功率的需求，并保证在一定区域内的接收机可以接收到合适的信号，并且不干扰相邻信道的通信，其往往是用于发射机的末级，将高频已调波信号进行功率放大，并且经过天线将其辐射到指定空间。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，也是能量转换的重要器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。高频功率放大器可以按照电流的流通角的不同，可分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类的流通角为360度，适用于小信号低功率的放大。乙类的流通角大约为180度；丙类的流通角则小于180度，这两类适用于大功率的工作。而丙类的工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的，且高频功率放大器也多数工作于丙类状态。但是丙类放大器的电流波形失真过大，所以不能将其用于低频功率的放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率的放大。这是因为调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，使得其失真很小。

高频功率放大器的工作频率较高（由几百kHz 一直到几百、几千甚至几万MHz ），但是相对频带却很窄。我们知道中心频率越高，则相对频宽越小。高频功率放大器一般都是采用选频网络作为负载回路，也正是由于这种原因，对于相对频度的大小，直接影响到两种放大器所处的工作状态——低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；而高频功率放大器一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来一种新型的宽带高频功率放大器广泛的出现于各中间级，跟其他的放大器不同，这种新型的放大器以很宽频率响应的传输线作负载回路，如此，它就可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述，我们可以发现高频功率放大器与低频功率放大器的共同特性就是要求输出功率大，效率高；但是由于它们工作的频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也相对不同[6]。

所以，从效率方面来看，高频功率放大器比低频功率放大器功率更高。对于高频功率放大器工作原理和工作状态的分析，工程上通常采用的是折线法，这也是因为它是工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路去分析。但是折线法的分析方法虽然物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算误差往往较大。综上我们可知高频功率放大器中，窄带高频功率放大器通常工作于乙类、丙类状态，提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能。宽带高频功率放大器——通常工作于甲类状态[7]。对某些载波信号频率变化范围大的短波、超短波电台的中间各级放大级，以防对不同fc 的繁琐调谐。

4数据分析与电路完善

本实验记录的数据主要是通过万用表测量所得，通过一系列的数据，分析得到相应的规律。最后得到影响功率放大电路的因素主要有四点——输出功率大小、负载的大小、输出功率的大小以及失真度大小。在记录数据时需要逐个记录数据（见表1）。

根据公式RL

U P 2

0 可以得到输出功率，其中U 为输出电压值，RL 为负载。

表1数据记录表

参数名称

测试条件

输出功率

单位 输 入 电 压

RL=8 ?

U=6.0v 4.5 W U=4.5v 2.53 W U=3.0v 1.125 W RL=4 ?

U=4.5v 5.06 W U=3.0v 2.25 W U=2.0v

1

W

失真分为谐波失真、互调失真、相位失真等。一般意义上的失真指的是总谐波失真。在一般的多媒体音箱的电路上，THD 的指标是指在fo ＝10KHz 正弦波输入，功率在1/2额定输出功率时的总谐波失真，这个指标我们可以很轻易地做到0.5%以下[8]。但是，由于电源功率对其产生抑制，使功放输出出现了削波现象，也就是我们所说的削波失真，这个时候它是THD 中的最主要成分，也就是音量越调大，功放的功率接近额定功率时，THD 会开始快速增加。另外一种，声音失去了原有的音色，严重时声音会发破、刺耳则是谐波失真[9]。这是由于放大器的非线性引起的，失真的结果是使放大器输出产生了原信号中没有的谐波分量，使多媒体音箱的谐波失真在标称额定功率时的失真度高于一般要求，达到了10%，要求较高的一般应该在1%以下。

公式2

1

2

2322U U U U n

+???++=

γ可以测得失真度，式中，U1为输出信号基波有效值，U2、U3等

为各次谐波有效值。根据公式分别得出负载分别为4 ?，8 ?时的失真度分别为2.1%，2.5%。 以上是使用音频信号发生器作为输入时得出的数据，从数据的结果可以看出该电路的失真度远大于1%。正是由于这个原因，在用麦克风做输入的情况下，喇叭做输出的时候得到的声音是有杂音的，得到放大的声音信号不是很清晰。放大倍数越高，声音信号也就越不清晰。因为在输入端采用的是模拟电路对麦克风的声音信号进行放大信号处理的时候没有掌握好元器件的选择导致在输入环节就已经造成较大的失真，所以在后续的放大中失真越来越大，导致了板子没有控制好失真，最终使得失真度大于设计要求[10]。

5 总结

本文的内容是音频功率放大电路的设计，此次课题研究主要包含了硬件和软件两个部分。硬件部分由前级放大电路、功率放大电路、按键电路、扬声器输入电路以及单片机电路组成，软件部分由键盘扫描、液晶显示、单片机控制等部分构成。在这一次的研究过程中也遇到了一些问题，如音频信号发生器与麦克风输入信号就会有所不同，而且硬件上面也会有所不同，还有由于电压加的过高导致功放被烧毁等等。同时，软硬件也有需要完善的地方，主要包含以下一些方面：

（1）硬件方面完善

在硬件方面的设计缺陷主要体现在由于采用的传统模拟电路的放大方式对声音信号进行处理，导致出入板子之前的信号就已经造成了很大的失真再进过后续的前级放大已经功率放大之后失真会更加的严重，所以我打算对板子的输入端进行改进，因为输入指标中要求输入电压为100mV-4V ，所以采用运放LF353来代替模拟电路的放大功能以降低输入端的失真度从而改善失真度达到设计之初对失真度

的设计要求。

(2)软件方面完善

软件方面设计方面对按键设置不够理想，只能够死板的选择0、10、20、30、40db的放大倍数，对放大倍数的选择不够灵活且没有设置复位按键，软件的过于简化给硬件的功能上带来了缺陷，可以通过设置复位按键以及对按键进行重新设定来改善不足。可以设置两个按键为增减放大倍数，一个按键复位，另一个按键设置为确认键，这样进行改善可以省去一个按键还可以使操作上更加灵活。

参考文献

[1]严毅等，音箱集成电路应用，电路设计，1999（10），5-6。

[2]余锡存，曹国华等，单片机原理及接口技术，陕西西安电子科技大学出版社，2000。

[3]蔡杏山等，零起步轻松学电子电路，北京人民邮电出版社，2010。

[4]阙永智等，功率放大器的输入电流及其引发的问题，实用影音技术，2003（12），13-15。

[5]丁鹏等，功率放大集成电路原理及应用，家电检修技术，2007（14），11-14。

[6]林欣等，功率电子技术，北京清华大学出版社，2009。

[7]赵广林等，常用电子元器件识别/检测，电子制作，2007（6），9-14。

[8]黄鹏勇等，音频功率放大器设计，宁波职业技术学院学报，2010（2），2-3。

[9]王朱华等，模拟电子技术基础，电子科技大学出版社，2007。

[10林华兵等，MCS-51单片机原理及应用，华中科技大学出版社，2003。

The Design of Audio Power Amplifier

Wang Qiming

(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 246011)

Abstract: The content of this article is the design of the audio power amplifier circuit, it has characteristics of simple manipulation and good sound quality. This design uses TDA2030 for a-udio power amplifier circuit, the working voltage is + 15V. The current will be amplified, then drives the speaker to work. The circuit adopts LF353 as the former stage amplifier, adopts DA-C0832 to control LF353, adopts STC89C52 singlechip to control current amplification, at last, the liquid crystal display shows the mahnification times.

Keywords: p ower amplifier, preamplifier, protection circuit