介紹了如何設(shè)計(jì)并制作一款不失真輸出功率POR≥15W（失真度小于5%）；帶寬BW≥（40～20000）Hz（功放部分）；在POR下的效率≥50%;在前置放大級(jí)輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8Ω上的交流聲VPP≤400mV;前置放大器具有低音、中音、高音調(diào)節(jié)功能；具有音量調(diào)節(jié)功能的實(shí)用功率放大器。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的原理方案圖如上圖所示。它主要由音頻功率放大、控制器、鍵盤、顯示電路組成。該系統(tǒng)是一個(gè)具有低噪聲、輸出功率可調(diào)控的功放電路。

　　2  單元模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 功率放大模塊

　　由于題目已經(jīng)要求使用分立元件做功放后級(jí)，且也規(guī)定使用OCL結(jié)構(gòu)的功放電路，因此，我們就此要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

　?。?）方案一

　　前級(jí)使用高性能的集成運(yùn)放，如NE5532、NE5534、LM381、OPA2134等，后級(jí)采用分立元件做后級(jí)，即用運(yùn)放來驅(qū)動(dòng)功放電路。這樣的電路制作起來相對(duì)簡(jiǎn)單，性能也不錯(cuò)，但是后級(jí)所需的電壓值通常較高，難以滿足題目的要求。

　?。?）方案二

　　整個(gè)電路由分立元件構(gòu)成，后級(jí)采用大功率三極管做輸出，例如2SC5200，B817，TIP35等，以獲得足夠的輸出功率。但是大功率三極管在低壓下難以發(fā)揮其作用，不僅系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且波形極易失真，帶寬小。

　　（3）方案三

　　整個(gè)電路也由分立元件構(gòu)成，前級(jí)使用差動(dòng)放大電路，后級(jí)使用中功率管構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。由于要找到兩只性能完全一致的NPN和PNP兩種型號(hào)的大功率管是很困難的，但要找到兩只性能完全相同的同型號(hào)的大功率管就容易多了。與此同時(shí)，采用復(fù)合管作為功率放大三極管，電路簡(jiǎn)單，易調(diào)試。

　　綜上所述，方案三電路比較簡(jiǎn)潔，功率管容易配對(duì)，調(diào)整方便，可兼顧多方面的指標(biāo)要求，所以選擇此方案。

　　其電路原理圖如圖1所示。

圖1

　　電路輸入部分，由VT1、VT2組成單端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路，它具有一致性好，容易配對(duì)，工作噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)由的VT1基極輸入，從VT1的集電極輸出。VT3為推動(dòng)級(jí)，它是由一只PNP管組成的共發(fā)射極放大電路，在這里，采用PNP管是為了和前置級(jí)的NPN管適配，易于中點(diǎn)電壓的調(diào)零。VT4、VT5與VT6、VT7組成復(fù)合準(zhǔn)互補(bǔ)甲乙類推挽功率輸出級(jí)。VD2與R6組成推挽輸出級(jí)的靜態(tài)偏置電路，使輸出級(jí)工作在甲乙類，調(diào)節(jié)R6可調(diào)整其工作點(diǎn)。

　　靜態(tài)時(shí)，VT1、VT2的基極電流IB1≈IB2≈IB，其基極電位為-IB×R12。由于IB很小，所以基極電位可近似認(rèn)為VB1≈VB2≈0V。而發(fā)射極電位VE1=VE2 =VE≈-0.7V。所以R2中的電流IR2=[-0.7-（-V）]/R6 =（15-0.7）/7.5×10=1.9mA。I為VT1、VT2兩管靜態(tài)電流之和，故IC=IR2/2=0.9mA。改變R2的阻值，就可以調(diào)整前置放大級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。但R2的值不可過小，否則抑制零點(diǎn)漂移的效果就會(huì)減弱。

　　R1既是VT1的集電極負(fù)載，又是推動(dòng)級(jí)VT3的偏置電阻。改變R1的阻值，可以調(diào)整VT3的靜態(tài)工作電流IC3。當(dāng)R13和R14選好后，只要調(diào)節(jié)R1，就可使中點(diǎn)電位為0V。R6為輸出級(jí)復(fù)合管基極的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整電阻，改變R6的阻值，就可調(diào)整輸出級(jí)的靜態(tài)工作電流，一般應(yīng)調(diào)在10~20mA為好。

　　2.2 音量控制模塊

圖2

　　2.2.1 控制部分

　　單片機(jī)掃描鍵盤，當(dāng)功率加減按鍵按下時(shí)，程序自動(dòng)內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)按下功率輸出鍵時(shí)，LCD顯示設(shè)置的輸出功率，一方面，單片機(jī)控制DA轉(zhuǎn)換芯片DAC0832輸出控制電壓，調(diào)整輸入信號(hào)的強(qiáng)弱；另一方面，程序控制輸出功率的強(qiáng)弱限制輸出功率的大小符合事先的設(shè)置值，此時(shí)的輸出信號(hào)的電壓值由ADC0809取得并傳送到單片機(jī)處理，由此得到的數(shù)據(jù)反饋到DAC0832中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以設(shè)置的功率恒定輸出。于是，功放的輸出功率由程序控制，成為數(shù)字控制的功率輸出。

　　2.2.2 顯示部分

　　方案一：使用數(shù)碼管LED顯示。使用LED顯示的好處是顯示亮度高，元件的價(jià)格低，容易購(gòu)買。

　　方案二：使用液晶LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)。LCD屏可以多行同時(shí)顯示字符，并且能顯示漢字或者任何的字母數(shù)字，占用面積小，響應(yīng)速度快。

　　方案一有個(gè)很大的缺點(diǎn)就是當(dāng)需要顯示的字符很多的時(shí)候，PCB布線將變得很繁瑣，占用單片機(jī)資源比較多，雖然串行顯示可以解決這個(gè)問題，但是為了避免不必要的麻煩，把時(shí)間浪費(fèi)在程序編寫以及PCB 布線上，使用LCD顯示是一個(gè)很好的選擇。字符顯示方面，一個(gè)方案是使用LED數(shù)碼管顯示，另一個(gè)方案是使用LCD液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)。而且現(xiàn)在的LCD自帶字庫(kù)，編程顯示字符變得非常簡(jiǎn)單。

　　2.2.3 鍵盤部分

　　方案一：所有的數(shù)字字符采用4*4按鍵控制。

　　方案二：采用一個(gè)控制按鍵加一個(gè)設(shè)置按鍵來控制單片機(jī)的運(yùn)行。

　　方案一明顯不能體現(xiàn)簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)方法，因此如果使用方案二的話，只要在程序上稍微編寫一下，將能省下很多接口資源，并且控制起來簡(jiǎn)單很多，布線也非常簡(jiǎn)單，因此鍵盤使用方案二。

　　2.2.4 輸入信號(hào)控制部分

　　方案一：采用數(shù)字電位器控制輸入信號(hào)。

　　方案二：采用DA控制輸入信號(hào)。

　　方案一采用數(shù)字電位器，目前數(shù)字的數(shù)字電位器可控制的電壓幅度有限，電壓不超過5V，且課通過電流也很小，線性度差，單片機(jī)控制起來不方便。所以采用方案二，DA采用DAC0832，單片機(jī)控制起來極其方便，線性度也較好，但信號(hào)經(jīng)過DA后，被摻入噪聲，所以在輸出端需加電容濾波。

　　2.2.5 整流電路部分

　　方案一：采用一般的橋堆整流濾波。

　　方案二：采用帶反饋的運(yùn)放整流電路。

　　方案一中，整流橋堆在整流時(shí)電壓會(huì)有壓降，將導(dǎo)致在計(jì)算功率時(shí)出現(xiàn)較大誤差。方案二采用了反饋技術(shù)保證了在整流時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓降，在計(jì)算功率時(shí)大大提高。

　　2.2.6 輸出功率測(cè)量部分

　　方案直接確定為：功放的輸出電壓經(jīng)過整流電路得有效值，有效值經(jīng)過ADC0809將模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在單片機(jī)內(nèi)換算成功率值顯示在LCD上。

　　2.2.7 濾波電路部分

　　方案一：采用普通電容濾波。

　　方案二：采用8階有源濾波。

　　方案一中采用傳統(tǒng)電容濾波方式，但是需使用大小不一的多種電容，占空間大，且效果不一定好。如采用有源濾波，電路簡(jiǎn)單，濾波效果好，只能讓0.0001Hz的頻率通過。

　　3  各器件的安放位置及布線規(guī)則

　　功放電路應(yīng)遵循單點(diǎn)接地的原則，即以電源地為“點(diǎn)”，前后級(jí)各元件的接地端都一根一根的接到電源地去。前后級(jí)的電源也采取單點(diǎn)接地的布線規(guī)則，以避免后級(jí)的大電流影響到前級(jí)電路。并且電源地與輸出地應(yīng)盡可能的接近，輸入端的地線也應(yīng)引長(zhǎng)線到電源地，這樣可以進(jìn)一步減少影響，減小噪聲電壓。走線應(yīng)追求短，并且簡(jiǎn)潔。

　　功放電路的布局也很重要，應(yīng)遵循簡(jiǎn)潔、對(duì)稱、美觀的原則。

　　4  測(cè)量?jī)x器

　　TFG2050V型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；雙蹤示波器；失真度測(cè)試儀

　　5  測(cè)試

　　電源提供±20V電源，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出0.35Vpp的正弦信號(hào)，接好負(fù)載和失真度測(cè)試儀，示波器探頭測(cè)量輸出端。

　?。?）失真度及功率測(cè)試

　　在失真度為 0% 時(shí)，輸出功率為 15.0171 W。

　?。?）頻率響應(yīng)

　　輸入0.35Vpp正弦波，調(diào)整輸入信號(hào)頻率，測(cè)得帶寬為5Hz~100KHz，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

　?。?）將輸入端交流短接到地，功率輸出端接上8電阻負(fù)載，用雙蹤示波器測(cè)得輸出噪聲電壓為= 10mVpp。

　?。?）固定信號(hào)源的幅度和頻率，設(shè)置輸出功率

　　6  結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)可以控制輸出功率的音頻放大器，能夠使用鍵盤控制輸出任何有效范圍內(nèi)的功率，并且要求功率放大器具有低噪聲高效率等。我們?cè)谥谱鞯倪^程中遇到了很多的麻煩，不過由于我們?cè)谫惽白隽顺渥愕臏?zhǔn)備，經(jīng)過仔細(xì)的論證試驗(yàn)都圓滿的解決了。