音频功率放大器设计
一、 设计任务
设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度≤5mV，负载电阻等于8Ω的 条件下，音频功率放大器满足如下要求： 1、 最大输出不失真功率POM≥8W。
2、 功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz。 3、 在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。 4、 输入阻抗Ri≥100kΩ。
5、 具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz处有±12dB的
调节范围。
二、 设计方案分析
根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图 所示框图实现。下面主要介绍各部 分电路的特点及要求。
话筒输入前置放大音调控制功率放大VoRL
图1 音频功率放大器组成框图
1、 前置放大器
音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源 的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。
对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。
2、 音调控制电路
音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制， 从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信号，达到控制音调的目的。音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。
(1) 负反馈式音调控制器的工作原理
由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路 具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。
R1提升C1ViCR4+C3提升衰减低音Rp2衰减R3C2_AR2VoRp1高音图2 负反馈式音调控制电路图
在电路图2中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图3(a)。由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图3(a)电路的频率响应分析如下：
Rp2dBR220-6dB/倍频程R3_A+C210Vo0f20lgAvfViR1fL1fL2
(a) 低音提升等效电路图 (b) 低音提升等效电路幅频响应波特图
图3 低音提升等效电路图及幅频响应曲线
图3所示的电压放大倍数表达式为：AVf??.Z2Rj?C2??(P2?R2)/R1 。化简Z1RP2?1j?C2后得：AVf??.RP2?R2?R11?j?C2RP2?R2RP2?R2，所以该电路的转折频率为：
1?j?C2?RP211 。可见当频率f?0时，?2?(RP2//R2)C22?R2C2fL1?.12?RP2?C2 ，fL2?AVf.RP2?R2R；当频率f??时，AVf?2?1。从定性的角度来说，就是在中、?R1R1高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为(RP2?R2)R1。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3(b)所示。 同样当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图4(a)所示。由于
电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图4(a)电路的频率响应分析如下：
该电路的电压放大倍数表达式为：
AVf??.R2R21?j?RP2C1，其转折频率为： ???R1?(1j?C1)//RP2R1?RP21?j?(RP2//R1)C1fL'1?.111' ，fL2? 。可见当频率f?0时，?2?(RP2//R1)2?R12?RP2C1AVf.R2R；当频率f??时，AVf?2?1。从定性的角度来说，就是在中、?R1?RP2R1高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为R2(R1?RP2)。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4(b)所示。
在电路给定的参数下，fL1?fL1，fL2?fL2 。
Rp20''fL'1fL'2fViR1R2C1R3_A+Vo-10+6dB/倍频程-20dB20lgAvf
(a) 低音衰减等效电路图 (b) 低音衰减等效电路幅频响应波特图
图4低音衰减等效电路图及幅频响应曲线
同理，图2电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图5（a）就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图 中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成△连接方式，如图5（b）。其中Ra?R1?R3?R1?R3R?R3，Rb?R2?R3?2，R2R1Rc?R1?R2?R1?R2。在假设条件R1=R2=R3的条件下，Ra=Rb=Rc=3R1。 R3R1R2RcR3ViR4+C3提升衰减_AVoViRaRb_R4+AVoC3提升衰减Rp1高音Rp1高音 (a) (b)
图5 高音等效简化电路
如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，Rc的反馈作用将忽略不计（Rc可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：
AVf?.RbR?1?j?C3(R4?Ra)?，其转折频率为： ?b(1j?C3?R4)//RaRa(1?j?C3R4fH1.R11，fH2?。当频率f?0时，AVf?b?1；当频率?2?C3(R4?Ra)2?C3R4Ra.f??时，AVf?R4?Ra。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增R4R4?Ra。高音提升R4益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为电路的幅频响应曲线的波特图如图6(b)所示。
ViRa20lgAvfRb20+6dB/倍频程R4C3_A+010Vof
图6 高音提升等效电路及幅频响应曲线
fH1fH2
(a) 高音提升等效电路 (b) 高音提升等效电路的幅频响应波特图
当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图7（a）所示。
ViRaRb0'fH1'fH2fR4_A+C3Vo-10-6dB/倍频程-2020lgAvf
(a) 高音衰减等效电路 (b) 高音衰减等效电路的幅频响应波特图
图7 高音衰减等效电路及幅频响应曲线
该电路的电压放大倍数表达式为：
AVf?.(R4?1)//Rbj?C3R1?j?C3R4。其转折频率为： ?c?RaRa1?j?C3(R4?Rb)f'H1.R11'，fH2?。当频率f?0时，AVf?b?1；当频率?2?C3(R4?Rb)2?C3R4Ra.f??时，AVf?R4。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频
R4?Rb响应曲线的波特图如图7(b)所示。
在电路给定的参数下，fH1?fH1，fH2?fH2 。
（2）音调控制器的幅频特性曲线
综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。
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