考试答题纸(以论文、报告等形式考核专用)二九二一零学年度第 一 学期课程编号2316990502课程名称实用电子电路设计主讲教师评分学 号姓名专业年级教师评语：题目：音频功率放大电路实验实验报告音频功率放大电路实验实验报告一、 前言本实验的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，从而了解音频功率放大电路的基本结构和工作原理，同时也进一步加深对模拟电路中所学知识的掌握和认识，并通过单元电路的分析，了解电路系统设计的步骤和组合方法。实验中重点要求复习和掌握运算放大器的基本使用方法，即运放同相比例放大和反相比例放大器的结构，计算和运用。同时也要求复习和掌握有源滤波电路的基本结构和原理。在电路设计中和实验中也需要了解对元器件的选择标准，掌握一些常用元件的性能。另外，在本实验中还增加了一部分线性直流稳压电源的内容，要求通过实验掌握线性稳压电源的基本结构、工作原理以及三端集成稳压器的使用方法，同时复习和加深对桥式整流电路理解。二、 实验电路原理分析本实验的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，整体功能框图如图1 所示，可以分为音频放大和直流电源两大部分。其中音频放大电路的功能是将其它电子设备（如MP3，计算机声卡，VCD 机等）的音源信号进行放大，然后再经过功率放大，最后去推动扬声器输出，简单来说，就是一个扩音器，但为了提高声响的品质，内部要求有能够对高音和低音进行调节的均衡电路（即音调电路）。直流电源部分则负责将220V 的交流电源转换为低压直流电供放大电路使用，同时，为了减小电源电压波动引起的噪声对放大电路的影响，电源部分要求采用线性直流稳压电源。在音频放大电路中，左右声道的放大结构完全相同，因此以下的分析中不对左右声道单独区分。三、直流电源的分析良好的直流电源是提高音频放大电路品质的关键因素之一。一般的多媒体音箱中为了节约成本，都仅仅采用了全桥整流和电容滤波电路产生直流电源提供给音频放大电路使用。这时的直流电压源含有较高的脉动成分，直接用作音频放大电路的电源时效果欠佳，有可能影响音质，因为电源中的脉动成分会作为干扰信号被逐级放大，甚至在扬声器中产生明显的交流噪声，影响音响系统的保真度。为了提高直流电源的稳定性，本实验的设计中专门增加了两组线性稳压电路，其中一组设计为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；另外一组则是小功率输出的，由运放、基准源等分立器件构成，专门提供给音频放大电路中的前置放大和均衡电路使用，通过对这一部分电路的学习和了解，可以掌握线性集成稳压电源的基本结构和工作原理：其本质就是运算放大器的同相比例放大或反相比例放大。1、全桥整流电路从图 1 中可以看到，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）。2、三端集成稳压器构成的大功率线性直流稳压电源要构成线性直流稳压电源，最简单的方法就是采用三端集成稳压器。这种集成电路块内部完整地集成了采样电路、比较放大、调整电路、保护电路和启动电路等功能，但是外部引脚只有三个端口，分别接输入电源（Vin），地（GND），另一个端口输出，其使用十分简单，只要将三个端口按规定接入电路就可以使用。典型和常用的三端集成稳压器有78XX / 79XX 系列。其中78XX 系列用于产生正电源，79XX 系列用于产生负电源，标号XX 则代表输出电压。如图2（b）所示，分别采用一只7812 和一只7912 集成块，按规定连接，就可以产生12V 和12V的稳压电源输出。3、线性直流稳压电源的基本结构所有线性直流稳压电源的基本结构都可以理解为一个运算放大器构成的同相比例放大电路（或反相比例放大电路）。图3（a）是一个三端集成稳压器的典型结构框图，由启动、偏置和保护等电路共七个部分组成。其中偏置电路为集成电路内部所有模块的工作提供适当的静态偏置；启动电路则仅仅是在开始工作的时候激励偏置电路正常工作；保护电路则提供过温和过流保护，防止工作时温度太高或输出电流太大而烧毁电路。其余四个部分：基准电压，比较放大，调整电路和采样反馈放大是理解稳压电源的关键，其本质就是一个运放的同相比例放大器，如图3（b）所示。其中基准电压的作用就是产生一个不随外部电压，不随温度变化的标准电压，在集成电路中这一电压通常采用带隙式基准源，其原理在此不具体介绍。比较放大器本质上就是一个运算放大器，基准电压输入比较放大器的同相端。而调整电路的本质则是一只晶体管，也叫做调整管，在集成电路中通常采用复合管来增强电流输出能力和值。在电路中，调整管和比较放大器复合在一起可以简单地看成一只具有大电流输出能力的运算放大器。电阻R1 和R2 构成的采样电路，其本质就是同相比例放大器中的反馈电阻。这样，整体电路就可以看成是由一个具有大电流输出能力的运算放大器构成的一个同相比例放大器，有：当外部的输入电压发生变化时，只要基准电压不发生变化，则输出的电压也不会发生变化，调整电阻R1 和R2 的取值，则可以调整输出电压。这就是线性直流稳压电源的基本原理。另外，从以上对于线性直流稳压电源的简单分析和介绍中，还可以看到这种电路的几个重要特点：1、线性直流稳压电源只能实现降压处理，即输出电压一定低于输入电压。2、调整管必须工作在线性放大区，电路才能正常工作。这也是这种电路叫做线性稳压电路的原因。3、如果不考虑控制部分的电流，调整管的集电极电流和发射极电流相等，亦即输入和输出电流相等，则：当输入输出电压差值较大时，电源的效率较低，功耗都损失在调整管的集电极上。因此，在功耗较大时，调整管应该加装合适的散热器。4、对电源部分反思1.假如我们要改变PVCC和PVEE电压，只要选择电压符合的三端稳压管芯片即可。如假如要把PVCC与PVEE的电压值变为正负18V，那么用7818与7918两个三端稳压芯片组合在一起就可也。2.假如我们要把SVCC与SVEE的电压值改变，由于线性直流稳压电源为一个用输入电压为其电源的，其输输出端的电压为电压的反相或同相放大器（主要利用了运放对电源抑制的特性，把纹波大的输入电压，变为纹波小的输出电压）。所以加入我们要改变SVCC与SVEE的电压值，我们只要改变其放大倍数即可。例如图三所示的电路，只要调节R1与R2的值就能改变SVCCS与VEE的电压值。四、音频放大电路的分析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。所以前置放大电路是个输入阻抗大，输出阻抗小的放大电路。其起到了一个阻抗匹配和预放大作用。2.均衡电路（音调电路）均衡电路是由低通、高通、带通等滤波器组成的，可以对音调进行控制的电路，听者可以根据具体需求，对声音信号中某些频率段的增益（放大倍数）进行调整。常用的均衡电路只是对高频段或低频段的增益进行提升或衰减，而中频段的增益保持不变。均衡电路可以用无源的RC 滤波网络来构成，也可以用运算放大器组成的有源滤波网络来构成， 图7（a）是本实验设计的电路中采用的均衡电路，由运算放大器构成，可以对高频段和低频段的增益分别进行提升/衰减。首先对图7（a）的均衡电路功能和部分元件取值作一简要说明。RP1 和RP2是两只可调电位器，其中RP1 对低频音调进行控制，而RP2 则对高频音调进行调节：当电位器从右滑旋向左时，相应的低频/高频音量提升；反之，当电位器从左滑旋向右时，相应的低频/高频音量衰减。一般来说，均衡电路设计时要求音调的提升/衰减量大约为20DB（分贝），即放大倍数有0.110 倍的调节能力。3、功率放大电路外部音源信号经过前置放大、均衡放大后，输入最后的功率放大级，然后就可以输出去驱动扬声器，发出声音。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。本实验电路设计中采用的是双电源下工作的OCL 电路，具体如图10 所示：下面对其做一简介。RP3 是一只电位器，作用是进行音量（Volume）调节。输入信号（均衡电路的输出信号）通过耦合电容C1 后，再由RP3 进行分压调节，连接到TDA2030 的同相端。电阻R1、R2 组成反馈回路，和TDA2030 构成了一个同相比例放大电路，这一部分就是整个功率放大电路的核心，本质和普通运放完全一致。需要说明的是电容C2 同样是一只耦合电容，作用同样是“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：1、对于直流信号，电容C2 相当于“开路”，此时电阻R2 不起作用，功率放大器和电阻R1 构成的是一个电压跟随器。由于电位器RP3 是通过电容C1 和前级电路耦合，因此RP3 上的直流电位一定为零，同时可以保证功率放大器的输出也一定为零，即有“零输入，零输出”的性质。2、对于交流信号，电容C2 相当于“短路”，此时电阻R1 和R2 组成同相比例放大器反馈回路，功率放大器的交流电压放大倍数为：3.D1、D2 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。扬声器并不是简单的纯阻性负载，而是线圈和永磁体复合组成的，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。4.电阻R3 和电容C3 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响特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯阻性。它们的补偿作用可以用以下简单的分析来做一个定性理解。五、数据测量和分析1.输入阻抗： 27.8 (欧姆)2.静音输出噪声电平（V）： 3mv由测得的数据可知，在没有信号输入时，整个电路的输出噪声信号非常小，因此该电路在没信号时非常“静”。3.电源电压记录：节点名称SVCCSVEEPVCCPVEE电压值（V）10.59-10.6411.92-11.91由测得的数据可知，SVCC，SVEE，PVCC，PVEE的电压值都十分的接近理论电压值，由此可知电路是正常工作的。4.前级放大电路测试：输入信号为频率为1KHz的正弦波.输入电压（V）0.51.522.53输出电压（V）左声道1.684.966.648.209.00右声道1.685.006.608.408.80放大倍数左声道3.363.313.313.283.00右声道3.363.333.303.362.93由测得的数据可知：有计算表明测量计算值与理论值的差值非常小，由此可知前级放大器正常工作。5.幅频特性：(音调电路的测试)1.输入信号的电压均为0.33V,