一种简单而实用电子分频音频放大电路设计

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1、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

2、通为 300Hz，带通为 300Hz20kHz，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。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

3、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：初级放大音频信号输入二阶低通滤波后级功率放大二阶带通滤波后级功率放大音频输出全桥整流电路线性直流稳压电路 稳压电源输出220V 交流电源输入变压器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

4、 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

5、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 1020W，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

6、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 216 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

7、流电路和三端集成稳压器后接的滤波蓄能电容为 25V / 2200F 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15V3.4 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

8、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

9、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。

10、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

11、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 以及低通滤波器后再由 R10 进行分压调节，连接到 TDA2030 的同相端。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，这一部分是整个功率放大电路的核心，其中 C

12、4 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）/R8D1、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

13、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

14、，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：=300HzR6、R7 、C22 、C10 构成低通滤波器，其截止频率为：=3kHz带通滤波器的放大倍数由 R23 和 R9 决定，放大倍数为：A=(R23+R9)/R9D2 和 D6 同样为保护二极管，功能和低通滤波器的一样。R15、C15 和扬声器一起构成带通滤波器的负

15、载，具体参照低通滤波器。4 电路系统测试4.1 电源纹波测量测试条件：室温下，用数字直流毫伏表测量（加一大电容隔离）节点 纹波电压（mV）+15.07V 1.01-14.61V -0.8上表数据说明了电源的纹波电压非常低，质量优越，已经完全满足要求。4.2 前级放大电路检测固定频率 f=5kHz输入电压（V）0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1输出电压（V）0.442 0.88 1.32 2.22 3.52 4.44前级放大倍数 A = 1/6 (0.412/0.1 + 0.88/0.2 + 1.32/0.3 + 2.22/0.5 + 3.52/0.8 + 4.44/1)= 4.42此计

16、算值跟实际计算的值有出入，主要原因是：电阻的阻值有一定的误差，实际放大电路往往比计算值要小。4.3 分频器频响曲线测量测试条件：室温下，函数信号发生器提供 332mV 的输入信号，用示波器测量音频输出电压以及监测波形。4.3.1 低通实验数据如下：低通滤波器： Ui=332Mvf(Hz) 30 40 50 60 80 90 100 120 150 180 200 230 250低通滤波频响曲线如下：由频率响应曲线可知，频率在 800Hz 以后将快速衰减，而在 800Hz 之前的频率将大部分被保留，曲线的最高点为 400Hz，与计算的 300Hz 有一定的差距，主要是电阻电容存在误差以及实际的测量值往往和计算值有出入，在曲线的低频部分（100Hz 以下） ，发现也被衰减到很小，主要原因是电路中的 C6 以及 R3 本身构成了一阶高通滤波。低 通 滤 波 频 响 曲 线05101520253030 530 1030 1530 2030 2530 3030 3530 4030 4530