功率放大器原理与设计

音响功率放大器原理

功率放大器，顾名思义，是将“功率”放大的放大器。把微弱的信号，如话筒、VCD、CD机等送到前置放大器，放大成足以推动功率放大器的信号幅度，最后后级功率放大电路推动喇叭（或其它设备），它最大的功用，是当成“输出级””（Output Stage）使用。从另一个角度来看，它是在做大信号的电流放大，以达到功率放大的目的。

一、音响放大器的基本组成

音响放大器的基本组成框图如图1所示。各部分电路的作用如下。

图1 音响放大器的基本组成框图

前置放大器是各种音源设备（包括普通音源如CD机、调谐器、卡座、MP3播放器等，特殊音源如报警器以及各种话筒音源）和功率放大器之间的连接设备。因为如CD机、调谐器以及话筒等音源设备的输出信号电平都比较低，不能推动功率放大器正常工作，而前置放大器正是起到了信号放大的作用。音源信号在经过前置放大器的放大后，就可以直接送入功率放大器，使功率放大器能正常工作。此外，除了有信号放大作用外，前置放大器还有音质控制的作用，如通过其音调控制电路或等响控制电路，对信号的频率特性进行调节和控制，起到修饰和美化声音的作用，使功率放大器放出来的声音能满足聆听者的喜好要求。

所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果、或补偿扬声器系统及放音场所的音响不足。这个控制过程其实并没有改变节目里各种声音的音调（频率），所谓"音调控制"只是个习惯叫法，实际上是“高、低音控制”或“音色调节”。然而，从保证信号传送质量来考虑，音调控制倒不是必须的。一个良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号（通常指1000赫）不发生明显的幅度变化，以保证音量大致不变。

低频功率放大器是把从前级来的信号放大给杨声器用的，后级必须有足够的功率输出才能推动扬声器发音。

二、音调控制器

音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图2中折线所示。图中，f0(等于1kHz )表示中音频率，要求增益Av0=OdB；fl1表示低音频转折〔或截止〕频率，一般为几十赫兹；fL2(等于lOfL1)表示低音频区的中音频转折频率; Fh2(等于10Fh1)

表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。

图2 音调控制曲线

由图可见，音调控制器只对低音颇与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持OdB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤彼器构成。

由运算放大器构成的音调控制器，如图3所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般音响放大器中应用较多。下面分析该电路的工作原理。设电容在低音频区，可视为开路，在高音颁区，可视为短路。音调调节的基本原理就是调节负反馈的强弱来改变放大电路的增益。

图3 运算放大器构成的音调控制器原理图

在低音频区时，音调控制器的低频等效电路如图4所示。其中，左图为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况；右图为RP2滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，电路实际是一个一阶有源低通滤波器。

图4 音调控制器的低音频等效电路图

在高音频区时，音调控制器的高频等效电路如图5所示，左图为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况；右图为RP；的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。分析表明，电路实际是一个一阶有源高通滤波器。

图5 音调控制器的高音频等效电路图

三、实训功率放大器原理解说

实训功率放大器的电路原理全图，请参看实训指导资料中的附录部分。 ㈠ 前置放大电路和NE5532

图6是前置放大电路原理图。电路由NE5532的第一组运放和C310、C311、R302、R303、R304组成，其中，R303引入负反馈，实现本级增益的控制。运放采用±5V的双电源供电。

图6 前置放大电路原理图

NE5532是高性能低噪声运放，与很多标准运放（如1458）相似，

它具有较好的噪声性能，

优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽，其内部有两个同功能的运放。图7是运放NE5532引脚图。

图7 运放NE5532引脚图

NE5532的主要参数： （1）小信号带宽：10MHz； （2）输出驱动能力：600?，10V；

（3）输入噪声电压：5nV/√HZ（典型值）； （4）DC电压增益：50000； （5）AC电压增益：10KHz时2200； （6）电源带宽：140KHz； （7）转换速率：9V/μS；

（8）大电源电压范围：±3～±20V。

NE5532的极限参数：电源电压Vs：±22V；输入电压VIN：±V13电源V；差分输入电压VDIFF：±5V；工作温度范围TA： 0℃～70℃；存贮温度TSTG：-65℃～150℃；结温Tj：150℃；功耗（5532FE）PD：1000mW；引线温度（焊接，10S）：300℃。

㈡ NE5532构成的双音调控制电路

图8是音调控制器原理图。音调控制器也可看成是第二级前置放大电路，电路由NE5532的第二组运放和C302、C303、C304、R305、R305、R307、R308、R309及电位器W201B、W202B组成，其中，W201B实现高音调节，而W202B则对低音进行控制。

图8 NE5532构成的双音调控制电路

㈢ TDA2030集成功放

图9是低频功率放大原理图。电路由TDA2030集成功放块实现音频功率放大。其中，W203B音量调节电位器，实现音量控制，C305是输入耦合电容，R311是TDA2030同相输入端偏置电阻。R312、R313决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益，C306起隔直流作用，以使电路直流为100%负反馈，静态工作点稳定性好。C312、C313为电源高频旁路电容，防止电路产生自激振荡。R314、C307消振电路，用以接有感性负载扬声器时，保证高频稳定性。D301、D302是保护二极管，防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。

图9 TDA2030集成功放

TDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护。TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。

TDA2030 在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在电源电压 ±16V，负载电阻为4Ω时输出18瓦功率（失真度≤0．5％）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。

TDA2030管脚功能： 1。脚是正相输入端 2。脚是反向输入端 3。脚是负电源输入端 4。脚是功率输出端 5。脚是正电源输入端。

图10 TDA2030封装和引脚

四、功率放大器的性能指

功率放大器的性能指标很多，有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻尼系数等，其中以输出功率、频率响应、失真度三项指标为主。

（一）、输出功率

输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时请注意。

1、额定功率（RMS）

它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。

2、最大输出功率

当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率

3、音乐输出功率（MPO）

音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号

时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。

4、峰值音乐输出功率（PMPO）

它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。

（二）、频率响应

频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16 kHz±1。5dB。

（三）、失真

失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

（四）、动态范围

放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 dB。

自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。

（五）、信噪比

信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

（六）、输出阻抗和阻尼系数 1、输出阻抗

功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。 2、阻尼系数

阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。