【導(dǎo)讀】0~100Hz的功率放大器的設(shè)計，并要求整個電路的放大功率達(dá)300W以上。率放大器4部分構(gòu)成。穩(wěn)壓電源主要任務(wù)是為前置放大器、低通濾波器、功。前置放大器主要任務(wù)是完成小信號電壓放。大，同時要求低噪音。的主要任務(wù)是實現(xiàn)電壓的放大，盡可能高效率地向負(fù)載提供足夠大的功率。設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡潔、實用，充分利用了集成功放的優(yōu)

　　

【正文】 用相應(yīng)的直流電源。 通過對設(shè)計要求和設(shè)計方案的分析，系統(tǒng)框圖如下所示。 放大器設(shè)計 27 圖 系統(tǒng)框圖 在開始進(jìn)行實踐時，首先先確定系統(tǒng)電路的級數(shù)分配，在根據(jù)各級的功能及技術(shù)指標(biāo)要求分配電壓增益，然后分別計算各級電路的參數(shù)。 確定各級的增益 分配 ： 因為 本設(shè)計的 輸出功率為 400W， 則只考慮一個聲道可得 負(fù)載上的電壓為 ： 0U 2 V?? 又話筒輸入為 5mV，則整個電路的增益為 20lg（ ） =75dB。令低通濾波器的 放大倍數(shù) 為 1， 則各級的增益如下： 功 率 放 大 器 ： 40 dB（模塊規(guī)定） 。 低通濾波 器 ： 0dB。 前置放大 器 ： 35dB。 則可知各級的增益分配如下所示： 圖 系統(tǒng)增益分配圖 前置放大器 負(fù)載 功率放大器 低通濾波器 穩(wěn) 壓 電 源 前置放大器 低通濾波器 功率放大器 5mv 280mv 280mv 28V 35dB 0dB 40dB AV3 100 倍 AV2 1 倍 AV1 56 倍 AV=5600（ 75dB） 放大器設(shè)計 28 低噪聲前置放大器設(shè)計 由于信號 源 輸入的信號幅度較小 ， 不足以推動以后的功放電路 ， 因此要用電壓放大電路對信號輸入的音頻信號電壓進(jìn)行放大 。 前置放大電路可以采用集成運(yùn) 算放大器構(gòu)成的前置放大器 ， 也可以采用專用前置放大器 IC構(gòu)成的前置放大器電路 。 從經(jīng)濟(jì)方面考慮 ， 本設(shè)計采用的是集成運(yùn)算放大器方案 ， 低噪聲 前置放大電路必須由低噪聲、高保真、高增益、快響應(yīng)、寬帶音響集成電路構(gòu)成。符合上述條件的集成電路有： LF34 LF35LF35 LF35 0P1 OP3 NE553 M521 LM521 LM187 TDA151NE553 NE5534 等。 主要考慮的技術(shù)指標(biāo)是帶寬、電壓增益 、噪聲和 轉(zhuǎn)換速率等。 一、 電路形式的選擇 本系統(tǒng)設(shè)計選用 NE5532， 因為 同眾多的運(yùn)放相比 , NE5532 具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、寬頻帶等優(yōu)良性能 , 被稱為“ 運(yùn)放之皇” 。這種運(yùn)放的高速轉(zhuǎn)換性能可大大改善電路的瞬態(tài)性能 , 較寬的帶寬能保證信號在低、中、高頻段均能不失真輸出 , 使電路的整體指標(biāo)大大提高。 為提高前置放大器電路輸入電阻和共模抑制性能 ， 減 小 輸出噪聲 ， 提高帶負(fù)載能力， 采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器電路時 ， 必須采用同相 比例 放大電路結(jié)構(gòu) ， 電路如圖 所示。 對于信號源，其負(fù)載約為 47KΩ，所以選用電壓串聯(lián)負(fù)反饋方式的同相比例放大器，它可以使輸入電阻增大，輸出電 阻減小，且輸入輸出電壓同相。又因為前置放大級的增益為 35dB，即 56 倍 ，前置放大級電路采用二級，第一級與第二級采用電容耦合方式，總的電壓放大倍數(shù)為 Auf=56，設(shè)計中選用 Auf1=1， Auf2=56。 放大器設(shè)計 29 R 1 11 .0 M ΩR 1 2 10kΩR 2 1 1kΩR 2 2 1kΩR 2 3 56kΩC 1 11 0 181。 FC 1 21 0 181。 FC 2 4 2 2 181。 FC 2 2 2 2 181。 FC 2 1 2 2 0 181。 FC 2 3 2 2 0 181。 FR p247kΩK e y = A50%G N DG N DV C C15VV C C15VV E E 1 5 VV E E 1 5 VU 2 BN E 5 5 3 2 A I56487U 1 BN E 5 5 3 2 A I56487V o u tG N DG N DV i n 圖 前置放大器電路圖 其中第一級實際上是一個電壓跟隨器， 具有輸入電阻大，輸出電阻小的特點(diǎn)，可以做多級放大器的中間級，即緩沖級。說得通俗一點(diǎn)，就是做阻抗變換，使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配。 它提高了帶負(fù)載的能力。 當(dāng)輸入 信號時， 此時 第二個 NE5532 為放大器，信號將放大 56 倍后到低通濾波器 的輸入端。 二、 集成運(yùn)放的選擇 因為 Auf2=56，根據(jù)通頻帶 0Hz~100Hz，其上線頻率為 100Hz，則集成運(yùn)放的放大倍數(shù)帶寬積應(yīng)滿足下列關(guān)系： GB≥ Auf2*fh = 56*100Hz = 從運(yùn)放的資料手冊中可查出 NE5532 的單位放大倍數(shù)帶寬GB=10MHz，滿足要求。 三、 各元件的參數(shù)選擇和計算 電路中電容 C11 是用作噪聲去耦合的，可以用小體積大容量的鉭電容或普通電解電容，一般選為 10μF， R11 可選用較大的電阻，取 1MΩ，電阻R12 取 10K， 第二個 NE5532 構(gòu)成的是放大倍數(shù) 為 56的電壓放大電路，同相交流放大電路的平衡電阻可盡量選得大一些，一般為 10K 以上，這樣有 放大器設(shè)計 30 利于提高放大電路的輸入電阻，由于輸入電阻為 47K，故選 RP2 的阻值為47K， R21 取 1K，耦合電容 C12 為 10μF。 由 Auf2 = 1+R23/R22 及 R21=R23//R22， Auf2=56， 可得 R21=R22=1K，R23=56K。 C2 C2 C2 C24 主要用于電源旁路濾波，一般 C21， C23用電解電容，其值為 220μF， C22， C24 用普通的電容，一般取值為 22μF。NE5532 的電源為177。 15V 的直流 穩(wěn)壓電源。 又由于要求低噪聲， 所以選用 高性能低噪聲金屬薄膜電阻 [5]。 低通濾波器設(shè)計 設(shè)計思路 低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。有源濾波器是指由放大電路及 RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路，它實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但 RC 網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路的調(diào)試越困 難。 根據(jù)設(shè)計要求，選擇巴特沃斯 低通濾 波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是通帶到阻帶衰減較慢。 由于一階低通濾波器過渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減斜率僅為 20dB/十倍頻 [6]。三階及以上低通濾波器的設(shè)計計算復(fù)雜，所以 選擇二階有源低通濾波器電路，即n=2。 有源 2 階低通濾波器電路如圖 所示， 電路中既引入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。 當(dāng)信號頻率趨于零時，由于 C 的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號頻率趨于無窮大時，由 于 C1 的電抗趨于零，因而 Up 趨于 放大器設(shè)計 31 零?？梢姡挥姓答佉氲卯?dāng)，就既可能在 0f=f 時 使電壓放大倍數(shù)增加，又不會因正反饋過強(qiáng)而產(chǎn)生自激震蕩 。 因為同相輸入端電位控制由集成運(yùn)放 R R4 組成的電壓源，故稱之為壓控電壓源濾波電路 [6]。 所以 壓控電壓源二階濾波器電路的特點(diǎn)是：運(yùn)算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個電壓源，其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)整。 圖 有源低通濾波器電路圖 在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號頻率 f＞＞ fc 時（ fc 為截止頻率），電路的每級 RC 電路的相移趨于 90186。，兩級 RC 電路的移相到 180186。，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容 C 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。 巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性為： uuocjw 1=w1+wAA（ ）（ ） ， n= 1, 2, 3. . . （ ） 放大器設(shè)計 32 20xx1 ( ) + ( )VPV AA ffjf Q f? ? （ ） Butterworth 的二階歸一化傳遞函數(shù)為： H（ s） =1/(s*s+*s+1)；它的化歸一化傳遞函數(shù)可以表示成兩個多項式的比 : 222( s ) = ( s )++uo cuc cAwAAws s wQ （ ） 其中 Auo 為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)， c? 為截止角頻率， Q 為品質(zhì)因子。從（ 3）式中可知，當(dāng) ? =0 時，（ 3）式有最大值 1； c=??時，（ 3）式等于，即 Au衰減了 3dB； 1 2 1 21=2ccwfR R C C ?? （ ） Av=1+R4/R3； （ ） 設(shè)計方案 表 取 Av=1，根據(jù)公式（ ），選擇 R3≈∞， R4≈ 0； 為了得到 相對應(yīng)的電阻值，需要算出 K 值，用 K 值乘以相應(yīng)的 R′得到 R；而 電路元器件值 Av 1 2 4 6 8 R1′ R2′ R3′ 開路 R4′ 0 C1 C 2C 2C 2C 注：電阻為參數(shù) k=1 時的值，單位為 kΩ 放大器設(shè)計 33 K=100/(fc*C) （ ） 注釋： C 以 uf 作為單位， fc 以 Hz為單位。 K 值不能太大，否則會使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常選擇 1 K 10. 本次設(shè)計取 K=1，由公式（ ）及表 中 Av=1 ， fc=100Hz得 C=1uF，C1=。 R1=*1= 取 R1 為 ， R2=*1= 取 R1 為 ，R3=0， R4≈∞； 驗證：由 1 2 1 21= = 2ccwfR R C C ? () 代入數(shù)據(jù)， R1=， R2=， C=1uF， C1=，算出 fc=，符合 設(shè)計 要求。 代入設(shè)計值得到的簡化電路圖 。 圖 簡化電路圖 放大器設(shè)計 34 功率放大器設(shè)計 功率放大電路可由 分立元件組成也可以由集成 功放組成。 方案 一 ： 功率 放大輸出級采用分立元件構(gòu)成的 OCL 電路，驅(qū)動級采用集成芯片，整個功放級采用大環(huán)電壓負(fù)反饋。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：由于反饋深度容易控制，故放大倍數(shù)容易控制。且失真度可以做到很小，使音質(zhì)很純凈。但外圍元器件較多，調(diào)試要困難一些。 方案二： 采用專用的功放集成芯片。 由于 一般的 功率放大集成塊體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大。 此外 大部分 集成電路內(nèi)部設(shè)有過載過熱及感性負(fù)載反向電勢安全工作保護(hù)。 根據(jù)題目設(shè)計要求，可供選擇的功率放大器可由分立元件組成，也可由集成電路完成。由分立元件組成的功放，如果電路選擇得好，參數(shù)恰當(dāng)，元件性能優(yōu)越，且制作和調(diào)試得好，則性能很可能高過較好的集成功放。許多優(yōu)質(zhì)功放均是分立功放。但其中只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者搭配不當(dāng)，則性能很可能低于一般集成功放，為了不至于因過載、過流、過熱等損壞還得加復(fù)雜的保護(hù)電路?，F(xiàn)在市場上有許多性能優(yōu)異的集成功放芯片，如 TDA2040A、 LM187 TDA1514等。集成功 放具有工作可靠，外圍電路簡單，保護(hù)功能較完善，易制作調(diào)試等優(yōu)點(diǎn) 。 因此本設(shè)計采用 集成 模塊 功率放大器來 實現(xiàn) 設(shè)計要求的大功率。 本設(shè)計采用“超級功放王” D200W模塊作為功率放大 器 的主要組成部分。 “ 超級功放王 ” 模塊電路實際上是準(zhǔn)乙類同步動態(tài)偏置 功放電路 。它不僅具有乙 類 功率放大器較高功率，又有著甲類功率放大器的優(yōu)良音質(zhì)，且 徹底消除了甲乙類放大器的開關(guān)失真 。 實際電路又不同于國外介紹的超甲類 （新甲類）同步 動態(tài)偏置電路。它以簡潔結(jié)構(gòu)、集過壓、過熱、過流（負(fù)載短路） 、防揚(yáng)聲器沖擊、防級性反接等多種保護(hù)功能于一體。在靜態(tài)