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。
2、电路设计整体方案 2.1 电源电路设计 电源电压由市电220V输入，220V电压经过变压器转换为所需电压，变压器输出经过全桥整流输出直流分量，直流分量通过稳压管从而输出所需直流分量。 220V交流电源输入 变压器 全桥整流电路 线性直流稳压电路 稳压电源输出 2.2电子分频音频放大电路设计 音频信号首先通过前级放大器进行初步放大，然后再用低通滤波器和高通滤波器对信号进行分频，使用功率放大电路对滤波后的信号进一步放大，从而推动扬声器，实现声音信号到电信号再到放大后的声音信号的输出。系统的原理框图如下： 音频信号输入 初级放大 二阶带通滤波 后级功率放大 二阶低通滤波 后级功率放大 音频输出
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 30VA，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，30VA 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）
图五 TDA2030外观
其中，R10是一个电位器，作用是进行音量调节，输入信号通过耦合电容C6以及低通电阻R20和R8组成反馈回路，和TDA2030构成了一个同向比例放大器，这一部分是滤波器后再由R10进行分压调节，连接到TDA2030的同相端。
整个功率放大电路的核心，其中C4是一只耦合电容，作用为“隔直通交”，使功率放大器仅仅对交流信号产生放大作用，而对直流信号不产生任何放大。对于交流信号，其放大倍数为：
A=（R20+R8）/R8
D1、D3是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，虽然对电路的理论分析和理解没有作用，但在实际电路中则必不可少，原因在于扬声器。当扬声器的线圈振动时，切割磁力线会产生感生电动势，这种感生电动势反过来加在功率放大器的输出端口，太大的话有可能造成功率放大器的损坏。二极管 D1、D2 在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。根据参考手则，这两只二极管采用 1A 的普通整流二极管 1N4001。
Q1、Q2构成推挽电路，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。信号进过推挽电路后再去推动后面的扬声器。 电阻R13和电容C16串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频率响应特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯电阻。
3、二阶带通滤波器电路
所谓的带通滤波器，就是由高通滤波器和低通滤波器组合而成，高通滤波器和低通滤波器的交汇公共部分即为带通频率宽度。电路如图六所示。
图六 二阶带通滤波器原理图
如图六，C20、C21、R21、R18构成高通滤波器，其截止频率为：