介紹了如何設計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%;在前置放大級輸入端交流短接到地時，RL=8Ω上的交流聲VPP≤400mV;前置放大器具有低音、中音、高音調節(jié)功能；具有音量調節(jié)功能的實用功率放大器。

　　1 總體方案設計

　　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)是一個具有低噪聲、輸出功率可調控的功放電路。

　　2  單元模塊設計

　　2.1 功率放大模塊

　　由于題目已經要求使用分立元件做功放后級，且也規(guī)定使用OCL結構的功放電路，因此，我們就此要求進行方案設計。

　　（1）方案一

　　前級使用高性能的集成運放，如NE5532、NE5534、LM381、OPA2134等，后級采用分立元件做后級，即用運放來驅動功放電路。這樣的電路制作起來相對簡單，性能也不錯，但是后級所需的電壓值通常較高，難以滿足題目的要求。

　　（2）方案二

　　整個電路由分立元件構成，后級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

　　整個電路也由分立元件構成，前級使用差動放大電路，后級使用中功率管構成互補對稱功率放大電路。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的大功率管就容易多了。與此同時，采用復合管作為功率放大三極管，電路簡單，易調試。

　　綜上所述，方案三電路比較簡潔，功率管容易配對，調整方便，可兼顧多方面的指標要求，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、單端輸出的差動放大電路，它具有一致性好，容易配對，工作噪聲低等優(yōu)點。信號由的VT1基極輸入，從VT1的集電極輸出。VT3為推動級，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管是為了和前置級的NPN管適配，易于中點電壓的調零。VT4、VT5與VT6、VT7組成復合準互補甲乙類推挽功率輸出級。VD2與R6組成推挽輸出級的靜態(tài)偏置電路，使輸出級工作在甲乙類，調節(jié)R6可調整其工作點。

　　靜態(tài)時，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，就可以調整前置放大級的靜態(tài)工作點。但R2的值不可過小，否則抑制零點漂移的效果就會減弱。

　　R1既是VT1的集電極負載，又是推動級VT3的偏置電阻。改變R1的阻值，可以調整VT3的靜態(tài)工作電流IC3。當R13和R14選好后，只要調節(jié)R1，就可使中點電位為0V。R6為輸出級復合管基極的靜態(tài)工作點調整電阻，改變R6的阻值，就可調整輸出級的靜態(tài)工作電流，一般應調在10~20mA為好。

　　2.2 音量控制模塊

圖2

　　2.2.1 控制部分

　　單片機掃描鍵盤，當功率加減按鍵按下時，程序自動內部進行運算，當按下功率輸出鍵時，LCD顯示設置的輸出功率，一方面，單片機控制DA轉換芯片DAC0832輸出控制電壓，調整輸入信號的強弱；另一方面，程序控制輸出功率的強弱限制輸出功率的大小符合事先的設置值，此時的輸出信號的電壓值由ADC0809取得并傳送到單片機處理，由此得到的數(shù)據反饋到DAC0832中，實現(xiàn)對輸出信號的實時監(jiān)控，以設置的功率恒定輸出。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，元件的價格低，容易購買。

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

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

　　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：采用一個控制按鍵加一個設置按鍵來控制單片機的運行。

　　方案一明顯不能體現(xiàn)簡約的設計方法，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，并且控制起來簡單很多，布線也非常簡單，因此鍵盤使用方案二。

　　2.2.4 輸入信號控制部分

　　方案一：采用數(shù)字電位器控制輸入信號。

　　方案二：采用DA控制輸入信號。

　　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，單片機控制起來不方便。所以采用方案二，DA采用DAC0832，單片機控制起來極其方便，線性度也較好，但信號經過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：采用帶反饋的運放整流電路。

　　方案一中，整流橋堆在整流時電壓會有壓降，將導致在計算功率時出現(xiàn)較大誤差。方案二采用了反饋技術保證了在整流時不會產生壓降，在計算功率時大大提高。

　　2.2.6 輸出功率測量部分

　　方案直接確定為：功放的輸出電壓經過整流電路得有效值，有效值經過ADC0809將模擬電壓值轉換成數(shù)字量，在單片機內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

　　功放電路應遵循單點接地的原則，即以電源地為“點”，前后級各元件的接地端都一根一根的接到電源地去。前后級的電源也采取單點接地的布線規(guī)則，以避免后級的大電流影響到前級電路。并且電源地與輸出地應盡可能的接近，輸入端的地線也應引長線到電源地，這樣可以進一步減少影響，減小噪聲電壓。走線應追求短，并且簡潔。

　　功放電路的布局也很重要，應遵循簡潔、對稱、美觀的原則。

　　4  測量儀器

　　TFG2050V型函數(shù)信號發(fā)生器；雙蹤示波器；失真度測試儀

　　5  測試

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

　?。?）失真度及功率測試

　　在失真度為 0% 時，輸出功率為 15.0171 W。

　　（2）頻率響應

　　輸入0.35Vpp正弦波，調整輸入信號頻率，測得帶寬為5Hz~100KHz，優(yōu)于設計要求。

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

　?。?）固定信號源的幅度和頻率，設置輸出功率

　　6  結語

　　本設計的目的是設計一個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的功率，并且要求功率放大器具有低噪聲高效率等。我們在制作的過程中遇到了很多的麻煩，不過由于我們在賽前做了充足的準備，經過仔細的論證試驗都圓滿的解決了。