关于音频放大电路的设计原理

如何用运算放大器构成最精确的限幅器

匹配模拟信号的电压范围与模数转换器 (ADC) 的输入范围可能是个挑战。超过 ADC 的输入范围将导致不正确的读数，而且如果输入超出电源轨范围太多，衬底电流就有可能流入 ADC，这有可能导致闭锁甚至损坏器件。可是，将输入电压范围限制到较低和较保守的水平，又浪费了 ADC 的动态范围和分辨率。

图 1 所示的简单运算放大器限幅器防止了上述问题。最大可允许输入电压加到 U1 的非反相输入上，输出通过小信号二极管 D1 反馈到反相输入。ADC 的基准电压如果可用，可以用作限幅基准。当输入电压低于基准时，U1 的输出被驱动至正轨，D1 被反向偏置，输入信号无改变通过。当输入高于箝位电压时，运算放大器输出反向，通过 D1 关闭环路，从而有效地成为一个单位增益跟随器，跟随箝位电压。输入电阻器 R1 限制运算放大器输出必须吸取的电流。第二个运算放大器 U2 执行互补的负向限幅功能，防止信号低于地电平。因此在这个例子中，输出信号限制在 4.096V 至 0V 之间。

图 1

这个电路尽管概念很简单，但对运算放大器却有独特要求。首先，大多数新式运算放大器在输入端都跨接了背对背二极管，以防止大的差分电压加到输入上，因为这可能导致器件损坏，或引起输入失调电压漂移。在这个电路中，这类二极管会使输出信号低于正箝位电压的幅度不超过 1 个二极管的压降，或者使输出信号高于负箝位电压的幅度不超过 1 个二极管的压降。要确定特定运算放大器是否有这类二极管，可能需要进行某些检测。有些器件的数据表中显示存在输入二极管，有些则不显示。这类二极管存在的另一指示是，输入电流的绝对最大额定值限制在几 mA。

此外，运算放大器输出必须尽快从“未箝位”转换到“箝位”状态，以箝位快速上升的信号，防止产生危险的过冲。另外还希望运算放大器以轨至轨输入和输出方式运行，以便放大器可以用接近电源限制的电压工作。

LT6015 系列运算放大器包括 LT6016 双通道和 LT6017 四通道版本，解决了上述问题。该系列运算放大器输入没有二极管，因此允许接受 +/-80V 的差分电压，这不会对任何实际 ADC 应用造成限制。此外，输入电压可以比 V- 轨高 80V 或低 25V，因此该器件能够承受可能对其他器件造成损坏的输入。

LT6015 更加独特，该器件允许 V+ 至 V- 电源范围高达 60V，与大多数运算放大器相比，这使该器件能够用来箝位更高的电压。LT6015 的转换率为 0.75V/µs，这就使该器件能够箝位上升速度相对较快的信号。低于 100 µV 的典型失调电压可确保箝位电平非常准确。

图 2 显示，由 +/-10V 电源驱动的 LT6105 将一个 7V 峰至峰值 1kHz 正弦波箝位在 0V 至 4V。在图中很难看到箝位动作，不过如果将输出放大，在图 3 中可以看到一个小的过冲。在图 4 中，将输入频率提高到 30kHz 后可以显示出，箝位动作所用时间不到 10µs，从而将该电路的工作带宽限制到几 kHz。通过限制电源电压轨，使其接近箝位限制电压，还可以提高箝位速度，这减小了输出要进入箝位模式而必须转换的电压范围。既然 LT6105 的输出在非常靠近电源轨的范围内摆动，那么几乎不需要额外扩大电压范围。

图 2

图 3

图 4

这个电路的另一个限制是，输出阻抗由 R1 决定，该阻抗必须至少是几百欧姆，以限制运算放大器的输出电流。有些 ADC 必须由低阻抗驱动，因此也许需要缓冲放大器 U3。采用四通道 LT6017 就可以用单个器件完成所有这些功能。

设计音频放大器，

包括前级小信号放大，

和后级功率放大两部分电路

同时要考虑电路的两级放大倍数，

失真度，

信噪比，

这和你的电源滤波、电路布线、工作点的选择、都有较大关系。

一般来说模拟电路要设计好的话，比数字电路要难。

专业设计需要的仪器也比较多。

如：信号发生器、示波器、毫伏表、失真度测试仪、晶体管JT仪、万用表等等。

一般来说前级使用NEC5532功放模块很多，

不讲究的话也可以使用TDA4558等做前级放大。

电脑有源音箱一般用TDA2030，LM1875==

电脑微型功放一般使用的是数字功放芯片

车载级功放模块TDA7385，TDA7384==,

家用功放电路，使用模块的一般都是低档次的（傻瓜模块等）

高档一点的一般使用对管做甲类、乙类、甲乙类放大电路。

发烧级的一般都是胆机。（电子管放大器）

再配上一整套的发烧级Hi—Fi音响.

整个音响系统就算是完成了。

（不过发烧级的音响一整套的话，最少也要大几万——几十万

从音源——功放——音箱每一细节都非常考究！）

常用主板前置音频接口AUDIO是按Intel® 的I/O面板连接规范设计的。针脚定义(AUDIO)如下:1 、AUD_MIC 前面板麦克输入 2、 AUD_GND 模拟音频电路用地线 3、 AUD_MIC_BIAS 麦克供电电源 4、 AUD_VCC 给模拟音频电路用的已滤波的+5V供电5、 AUD_FPOUT_R 前面板右声道音频信号 6、 AUD_RET_R 前面板右声道音频信号返回 7、 HP_ON 保留给将来耳机放大电路用 8、 KEY 空针脚9、 AUD_FPOUT_L前面板左声道音频信号 10、AUD_RET_L 前面板右声道音频信号 AUDIO的十针设计可应用于带有功率放大器和音箱的高档机箱，也可以应用于普通机箱的前置耳麦插口。由于第4针脚是给功率放大器提供+5V电源用的，所以在连接普通机箱的前置耳麦插口是千万不要把任何一条线连接到第4针脚，否则会烧主板和耳麦的。如果不使用前置音频插口，针脚5 &6 　9 &10 必须用跳线帽短接，这样输出信号才会转到后面的音频端口。否则后面的Line-Out音频接口将不起作用。7条线与主板的前置音频接口JAUD1的连接方式如下：麦克输入（MIC IN） ————————>①地线（GND） ————————————>②麦克电源（MIC POWER） ——————>③面板右声道输出(LINE OUT FR)————>⑤面板右声道返回(LINE OUT RR)————>⑥面板左声道输出(LINE OUT FL) ————>⑨面板左声道返回(LINE OUT RL) ————>⑩请注意⑴AUDIO的麦克连接，MIC IN连接到1脚，MIC POWER连接到3脚，如果接反了会导致麦克没有输入或音量很小；⑵一定要连接地线，必须连接到2脚；⑶第5、9脚连接左右声道输出，第6、10脚连接左右声道返回。二、其他几种连接线的，可以参考以下（5根连接线）的接法：MIC POWER----接麦克供电电源MIC IN---------接麦克风输入LINE OUT L-------接左声道输出LINE OUT R ------接右声道输出AUD_GND ------ 模拟音频电路用地线AC-97 前置音频1.MIC 前面板麦克风输入信号（支持立体声麦克风时会偏向)2.AUD_GND 模拟使用的接地3.MIC_BIAS 用于立体声麦克风支持的麦克风电源 / 附加 MIC 输入4.AUD_GND 模拟音频电路使用的接地5.FP_OUT_R 至前面板的右声道音频信号（有耳机驱动功能）6.FP_RETURN_R 自前面板返回的右声道音频信号（拔出耳机时）7.AUD_5V 模拟音频电路使用的过滤 +5 V8.KEY 无针脚9.FP_OUT_L 至前面板的左声道音频信号（有耳机驱动功能）10.FP_RETURN_L 自前面板返回的左声道音频信号（拔出耳机时）另:前置音频线接法MIC IN　 ●1　 2 ●　GNDMIC VCC ●3　 4 ●+5V(不接)SPK-R●5　 6 ●RIN●7　 8SPK-L●9　10 ●LIN各引脚定义：1. MIC_IN 前置麦克输入。2 .GND 供模拟音频电路使用的接地。3. MIC VCC 为麦克风麦克偏置电压，可以不接。4 . +5V供模拟音频电路使用的滤波 +5 V。不接5 .SPK-R 输出给前置的右声道音频信号。6. RIN 从前置返回的右声道音频信号。7.无定义8.无针脚。9 .SPK-L 输出给前置的左声道音频信号。10. LIN 从前置返回的左声道音频信号。如果主板后置音频输出不是2.1声道,还要在BIOS里面设置AC 97模式

要求增益将1mV放大至1V，增益60dB ，最好分三级放大。前置放大器要求输入阻抗远远大于100k，可采用FET输入级的运放，并且最后级放大为功率放大级，使用相关功率芯片可驱动扬声器，中间级最好为带通滤波兼放大，可以提高信号的信噪比。

音频功率放大器电路设计

一、题目 音频功率放大器

二、电路特点

本电路由于采用了集成四运算放大器μPC324C和高传真功率集成块TDA2030,使该电路在调试中显得比较简单，不存在令初学者感到头疼的调试问题；与此同时它还具有优良的电气性能:

① 输出功率大:在±16V的电源电压下，该电路能在4Ω负载上输出每路不少于15W的不失真功率，或在8Ω负载上输出每路不少于10W的不失真功率，其相对应的音乐功率分别为30W和20W。

② 失真小：放大器在输出上述功率时，最大非线性失真系数小于1%，而频宽却能达到14kHz以上，音域范围内的频率失真很小，具备高传真重放的基本条件。

③ 噪音低：若把输入端短路，在扬声器1米外基本上听不到噪音，放送高传真节目时有一种宁静、舒适的感觉；另外由于使用性能优异的功率集成块，放大器的开机冲击声也很小。

该电路所采用的高传真功率集成块TDA2030是意大利SGS公司的产品，是目前音质较好的一种集成块,其电气性能稳定、可靠，能适应常时间连续工作，集成块内具有过载保护和热切断保护电路。电气性能参数如下：

电源电压Vcc

±6V～±18V

输出峰值电流

3.5A

功率带宽（-3dB）BW

10Hz～140KHz

静态电流Icco(电源电流)

＜60μA

谐波失真度

＜0.5%

三、电路图（另附）

四、电路原理

该电路是由前置输入级、中间级和输出级三部分组成的。

前置输入级是由集成运放1/4μPC324C组成的源级输出器，它具有输入阻抗较高而输出阻抗较低的特点。

中间级是由集成运放1/4μPC324C以及由R4、R5、R6；C4、C5、C6；Rw2、Rw3、组成的选频网络一起构成的电压并联负反馈式音调控制放大电路。它具有高低音提升或衰减功能。其工作原理如下：输入信号通过C4耦合，分两路输入运放，一路由R4、C4、Rw3输入到5反相端。集成运放B输出端经过R6、C5反馈到反相端，形成电压并联反馈；另一路由Rw2、C6、 R5、输入到反相端。在此电路中，选频网络中电容量较大的C4、C5对高频信号（高音）可看作短路，电容量叫小的C6对低频信号(低音)可看作开路，所有这些电容对中频信号（中音）可认为开路。根据反相比例运算关系可知，当Rw2、Rw3滑臂在中点时，放大倍数为-1。当Rw3滑点在A端，C4被短路，C5、Rw3并联与R6串联后阻抗增加，对低频信号来说负反馈增强，增益下降，其低音衰减过程，当Rw2滑至C处，R5、R6和R3并联后的阻抗减小，对高频信号负反馈削弱，增益提高，对高音起提升作用；在D点，R5、C6与R6并联后的阻抗减小，并联后阻抗减小,对高频信号负反馈增强，对高音起衰减作用。

输出级是功率放大器，它由集成运放TDA2030和桥式整流电路组成，其中组件C8、R9为电源退耦电路。

由于该电路为双声道功率放大器，所以下部分电路与上部分电路完全对称，故电路原理同上。

五、印刷电路板设计图（另附）

六、元器件清单及使用仪表工具

电阻：

R1

1K

R2

1K

R3

10

R4

100K

R5

100K

R6

3.3K

R7

100K

R8

3.3K

R9

10

R10

100K

R11

100K

R12

100K

R13

10K

R14

10K

R15

10K

R16

10K

R17

1K

R18

1K

R19

1.5K

R20

1.5K

R21

10K

R22

10K

R23

20K

R24

20K

R25

100K

R26

10K

R27

100K

R28

10K

电容：

C1

2200μ/16V

C2

2200μ/16V

C3

33μ/16V

C4

33μ/16V

C6

0.1

C7

220μ/16V

C8

220μ/16V

C9

10μ/16V

C11

10μ/16V

C12

10μ/16V

C13

33μ/16V

C14

33μ/16V

C16

10μ/16V

C17

0.033

C18

0.033

C19

3300

C21

10μ/6V

C22

10μ/16V

C23

0.047

C23

0.047

C25

300

C26

300

C20

3300

C15

10μ/16V

C5

0.1

C10

10μ/16V

其它组件：

TDA2030（两块）、QSZ2A50V、μPC324C（四块）、滑动变阻器Rw1、Rw2、Rw3、Rw4，散热片。

仪表工具：万用表。

七、电路制作及调试过程

首先在拿到电路图纸后,看清、弄懂逻辑电路图和印刷电路图。在熟知电路的原理和特性后，将印有印刷电路图的贴纸贴在所分发的金属板上，接着用小刀对其进行雕刻，将多余的贴纸刮去，并用盐酸和双氧水比例为1：3的溶液进行腐蚀。然后用清水把腐蚀后的电路板洗净，并在其上对照印刷电路板进行描点、打点，过后用砂纸将其打磨光滑，再用松香水均匀地涂抹在电路板上。收集齐所需的元件，并对元器件的质量进行判定。（注意：预留的集成块管脚的空间要准确，不能有太大的误差；同时二极管、电解电容的极性一定不能接反。）最后进行元器件的焊接，必须在集成块焊好的情况下才能接着对二极管、RC元件及导线等进行焊接。（因为集成块不能受热，所以动作一定要干净利落。）

在确认电路焊接无误后，开始进行电路的调试。先把电源接在③、④线上，⑥、①线接地，②、⑤线接入扬声器，用万用表对集成运放TDA2030和μPC324C的各引出管脚测出它们之间的电压与电流，并与其典型值进行对比，看看是否有明显的差距，判断集成电路工作是否正常。

音频电压放大器的设计

技术指标要求：电压增益大于100倍（1280），最大不失真电压输出幅度大于1.5伏，带宽30Hz-20kHz，输入阻抗大于1KΩ（1.7 KΩ），输出阻抗小于1KΩ(980Ω)。

该课题的内容：

一、多级放大电路的耦合方式

直接耦合放大电路存在温度漂移问题，但因其低频特性好，能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，而得到越来越广泛的应用。

阻容耦合放大电路利用耦合电容“隔离直流，通过交流”，但低频特性差，不便于集成化，故仅在费用分立元件电路不可的情况下才用。

二、多级放大电路的动态参数

多极放大电路的电压放大倍数等于组成它的各级电路电压放大倍数之积。其输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是末级的输出电阻。在求解某一级的电压 放大倍数时应将后级输入电阻作为负载。

一、频率响应描述放大电路对不同频率信号的适应能力。耦合电容和旁路电容所在的回路为高通电路，在低频段使放大的倍数的数值下降，且产生超前相移。极间电容所在的回路为低通电路，在高频段使放大倍数的数值下降，且产生滞后相移。

二、在研究频率响应时，应采用放大管的高频等效模型。在晶体管的高频等效模型中，极间电容等效为C'。

三、放大电路的上限频率和下限频率决定于电容所在的回路的时间常数。通频带等于上限频率和下限频率的差。

四、在一定条件下，增益带宽约为常量。要想高频特性后，首先应选择截止频率高的管子，然后合理选择参数使C'在回路的等效电阻尽可能小。要想低频特性好，应采用直接耦合方式。

五、多级放大电路的波特图是已考虑了前后级相互影响的各级波特图的代数和。

重点所在：

上限频率、下限频率以及通频带。电压峰峰值、增益带宽积。

设计框图：

因为交流电压源（VSIN）客观的存在内阻，为了使电压源充分利用，应减小其内阻值，所以使得输入电阻阻值尽可能的大；输出电阻阻值尽可能的小。

应采用多级放大电路频率。

因为涉及低通电路和高通电路，所以在设计电路框图应考虑极间电容、偶和电容和旁路电容。

因涉及静态工作点，所以该电路图应有直流电源（VDC）。

音频电压放大器电路图

模拟仿真参数设置如下图

模拟仿真结果：

各节点电压

各支路电流

电压增益

如图：上限截止频率 38.312K 下限截止频率 23.815

故其通频带 38.312K-23.815 38.288K

输出电压V(7)

输入阻抗Ri=2.752k

求输出阻抗时的模拟仿真电路图

模拟仿真后的各节点电压

模拟仿真后的各支路电流

输出阻抗R0=967.660

仿真结果说明

因为ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，所以当温度升高时，热运动加剧，从而使少子浓度明显增大。因而参与漂移运动的少子数目增多，从外部看就是ICBO增大。由于ICEO=(1+ )ICBO，所以温度升高ICBO增大 比仿真值小

课程设计体会与收获

本学期我们开设了《模拟电路》课，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业有密切联系，且都是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期模电学习即将结束的时候，老师为我们安排了电子课程设计 。课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节。这样不仅能加深我们对电子电路的认知，而且还及时、真正的做到了学以致用。

紧张而辛苦的三周课程设计结束了，当我快要完成老师下达给我的任务时，我仿佛经过一次翻山越岭，登上了高山之颠，顿感心旷神怡，眼前豁然开朗……

回顾起此课程设计，感慨颇多，从理论到实践，在这三个星期里，可以说苦多于甜，但是我从中学到了许多东西，不仅巩固了以前所学的书本上的知识，而且还学到了许多书上没有的东西，同时也提高了我的动手操作能力，以及科学严谨的设计态度。当然在设计的过程中，我遇到了许多问题，首先是不知道该如何选课题，后来在老师的指导下并根据理论课的学习情况选定课题；然后在模拟仿真过程中也遇到了许多拦路虎，比如说电压增益的模拟仿真、输入阻抗、输出阻抗的计算……计算值与仿真结果相差较大，这花费了我好长时间去去修改电路，后来我翻阅了大量书籍，查资料，终于在书中查到了有关章节，并参考；最后终于使理论值与仿真结果相符合。

通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课程设计过程中，许多计算有时不免；令我感到有些心烦意乱：有两次因为不小心的几翻出错，只能豪不情愿的重来，但一想起老师平时对我们耐心的教导，想到今后自己应该承担的社会责任，想到世界上因为某些细小的的失误而出现的令人无比震惊的事，我不禁时刻提醒自己，一定要养成一种高度责任，一丝不苟的良好习惯。这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。

短短的3周课程设计，使我发现了自己所掌握的知识真的如此贫乏，自己的综合应用所学的专业知识的能力是如此的不足，几年来学了那么多的课程，今年才知道自己并不会用，想到这里，我真的有点心急了，老师却对我说，这说明课程设计确实使你有收获了，老师的亲切勉励像春雨注入我的心理，是我自信。

最后，我要忠心的感谢老师，是您的严厉批评唤醒了我，是您的敬业精神感动了我，是您的教诲启发了我，是您的殷切期望鼓舞了我，我感谢老师您今天又为我增添了一副坚强的翅

最简单的音频放大电路，就是用一个9014三极管的单管放大器。线路图如下:

图中三极管的基极偏流电阻1k为调整电阻。喇叭阻抗4-8欧姆都可以。

根据你的要求，输出1W，8欧负载输出电压为8Vpp，输入信号为10mVpp，放大倍数800.

设定LM386为最小倍数20倍，这样最省元件，失真也小，这样LF353应该有40倍的放大倍数。

就是这个图了，LF353同相放大输入信号40倍，信号给LM386做20倍功放输出。