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音频功率放大器的设计毕业论文

单刀音频功率放大器的设计摘要

本次课程设计题目为音频功率放大器,简称音频功放,音频功率放大器主要用于推动扬声器发声,凡发声的电子产品中都要用到音频功放。

设计中主要采用OP07进行音频放大器的设计,OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。设计中的音频功率放大器主要由直流稳压电源、前置放大电路、二级放大电路和功率放大电路组成。前置放大电路采用了反相比例运算放大器,二级放大电路用一个低通滤波器和一个高通滤波器组成一个带通滤波器,功率放大电路采用了OCL电路。直流电源采用桥式电路进行整流,输出则采用了三端集成稳压器。

对前置放大电路和二级放大电路进行了输入、输出分析和频率响应分析。对功率放大电路进行了输入和输出功率分析。对直流电源进行了输出电压验证。最后对总电路进行了输入、输出分析、频率响应分析、噪声分析。

关键词: OP07 音频功率放大器

Abstract

The curriculum design entitled the audio power amplifier, referred to as audio amplifier, audio power amplifier is mainly used to promote the speaker sound, and where the sound of electronic products to be used in audio amplifier.

ain design using the OP07 audio amplifier design, the OP07 chip is a low-noise, non-chopper-stabilized bipolar op amp IC. OP07 has very low input offset voltage (for OP07A 25μV), OP07 in many applications do not require additional zero measures. The design of audio power amplifier by the DC power supply, preamplifier circuit, two amplification circuit and power amplifier circuit. Preamplifier circuit using a reversed-phase proportion of op amp, two amplifier with a low-pass filter and a high-pass filter composed of a band pass filter, power amplifier OCL circuit. The DC power bridge circuit rectifier, the output uses a three-terminal integrated voltage regulator.

Preamplifier and two amplifier input, output and frequency response analysis. Power amplifier input and output power analysis. Validation of the output voltage of DC power. Finally, the total circuit input-output analysis, frequency response analysis, noise analysis.

Key words: OP07 audio power amplifier

第一章 音频放大器的概述1.1音频放大电路的回顾

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管,开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB(Negative feedback)技术后,使音响技术的发展进入了一个崭新的时代,比较有代表性的如“威廉逊”放大器,而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi(High Fidelity)放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术,成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现,使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点,各种电路也相应产生,如:“OTL (Output Transformer Less)” 无输出放大器、“OCL(Output Capacitor Less)”放大器等。

随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用,各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善,并不断在向更大的输出功率,更小的体积,更轻的重量,更多的功能和智能化方向发展,如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放,其最大输出功率可达4000W/8Ω,完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作,使得生产者可作3年免维护的保证;插入可编程的输入处理模块USP3;可对1~2000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施,使它的可靠性大大提高。

1983年,M.B.Sandler 等学者提出了D类放大的PCM(脉码调制)数字功放的基本结构。美国 Tripass 公司设计了改进的D类数字功放,取名为“T”类功。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品,从此,第4代音频功率放大器,数字功放进入了工程应用,并获得了世界同行的认可,市场日益扩大,最终将替代各类模拟功放。1.2音频功率放大器的介绍

按照电流导通角的大小可分为A类(甲类)、AB类(甲乙类)、 B类(乙类)、C类(丙类)和D类(丁类)功率放大器。1.2.1 A类(甲类)功率放大器

A类(甲类)功率放大器电流导通角θ=180°,理想效率为50%,一般适用于小信号电压放大器。

A类功率放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单,调试方便。有较大的非线性失真,由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。1.2.2 B类(乙类)功率放大器

B类(乙类)功率放大器电流导通角θ=90°,理想效率为78.5%。

B类功率放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC,0)处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内,一管导通另一管截止,输出端为正半周正弦波;同理,当Vi为负半周期内,输出端为负半波正弦波,所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78.5%),但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是\交越失真\较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时,两管都无法导通而引起的。1.2.3 AB类(甲乙类)功率放大器

AB类(甲乙类)功率放大器电流导通角90°<θ<180°,理想效率为50%<η<78.5%。AB类(甲乙类)放大器,实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合,每个器件的导通时间在50—100%之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计,然后增加偏置电流,使放大器进入AB类(甲乙类)。AB类功率放大器的好处是:可以避免交越失真。有效率较高,晶体管功耗较小的特点。1.2.4 C类(丙类)功率放大器

C类(丙类)功率放大器电流导通角θ<90°,理想效率η>78.5%。

C类功率放大器的主要特点是:处在C类状态时,放大器的电流波形有较大的失真,因此只能用调谐回路作为负载,以滤除谐波分量,选出信号基波,从而消除失真。1.2.5 D类(丁类)功率放大器

D类(丁类)功率放大器功率管处于开关状态,理想效率为90%~100%。

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号变换成脉冲信号,然后用脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器等四部分组成。它有以下好处:

1. 具有很高的效率,通常能够达到85%以上。

2. 体积小,可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

3. 低失真,频率响应曲线好。外围元器件少,便于设计调试。1.3放大器的技术指标

评价一个功放系统或设备是否符合高保真要求,一般应采用主观听音评价和客观指标测试相结合的方式来进行,并以客观测试指标为主要依据。因为采用仪器测试设备的性能指标.能得到很直观的可供参考比较的定量结果,无疑是最科学而值得信赖的。音频功放的技术指标,主要包括输出功率、频率特性、信噪比、瞬态响应以及非线性失真等。其中,输出功率、频率特性等,通常称为静态特性指标,它们是用稳态信号测量的。而瞬态特性和非线性失真等,则称为动态特性指标,它们是用非稳态信号测量确定的。

1、 额定功率

音响放大器输出失真度小于某一数值(r<1%)的最大功率称为额定功率,表达式;

Po= Uo2/RL (1-1)

Uo为负载两端的最大不失真电压,RL为额定负载阻抗。

测量条件如下:信号发生器输出频率为1kHz,电压Ui=20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器),输入端接Ui,逐渐增大输入电压Ui;直到Uo的波形刚好不出现谐波失真(r<1%),此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小Ui,以免损坏功率放大器。

2、 频率响应

音频功放的频率特性,是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。通常采用输出电平随频率变化的关系曲线来描述。指的是振幅频率特性,习惯上称为幅频特性或频率响应(简称为频响)。

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