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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 25 μ V) ,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 I

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. The main 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 II

目 录 摘要........................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................... II 第一章 音频放大器的概述 ..................................................................................................... 1 1.1 音频放大电路的回顾 ................................................................................................. 1 1.2 音频功率放大器的介绍 ............................................................................................. 1 1.2.1 A 类(甲类)功率放大器 ................................................................................ 2 1.2.2 B 类(乙类)功率放大器................................................................................. 2 1.2.3 AB 类(甲乙类)功率放大器 .......................................................................... 2 1.2.4 C 类(丙类)功率放大器................................................................................. 2 1.2.5 D 类(丁类)功率放大器 ................................................................................ 3 1.3 放大器的技术指标 ..................................................................................................... 3 第二章 音频功率放大器的设计 ............................................................................................. 6 2.1 设计方案分析 ........................................................................................................... 6 2.2 前置放大电路设计 ..................................................................................................... 6 2.3 二级放大电路设计 ..................................................................................................... 8 2.2.1 低通滤波器设计 ............................................................................................. 8 2.2.2 高通滤波器设计 ........................................................................................... 10 2.2.3 二级放大电路电路设计 ............................................................................... 12 2.4 功率放大器设计 ....................................................................................................... 12 2.5 直流稳压电源设计 .................................................................................................. 13 2.6 OP07 的功能介绍..................................................................................................... 14 第三章 电路的仿真 ............................................................................................................... 16 3.1 前置电路的仿真 ...................................................................................................... 16 3.1.1 输入与输出分析 ........................................................................................... 16 3.1.2 电路频率响应特性分析 ............................................................................... 17 3.2 二级放大电路仿真 ................................................................................................... 18 3.2.1 电路输入与输出分析 .................................................................................... 18 3.2.2 电路频率响应特性分析 ................................................................................ 19 III

3.3 功率放大电路功率仿真 .......................................................................................... 20 3.4 直流稳压电源仿真 .................................................................................................. 22 3.5 音频功率放大电路仿真和分析 ............................................................................... 23 3.5.1 电路输入与输出分析 ................................................................................... 23 3.5.2 电路频率响应特性分析 ................................................................................ 24 第四章 焊接 调试 组装 ....................................................................................................... 26 4.1 焊接........................................................................................................................... 26 4.2 组装........................................................................................................................... 26 4.3 调试........................................................................................................................... 26 4.4 结果........................................................................................................................... 26 总 结..................................................................................................................................... 27 致谢......................................................................................................................................... 28 参考文献................................................................................................................................. 29 IV

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。

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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。

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