單電源寬范圍音頻放大器設(shè)計與實現(xiàn)

魏建軍

針對便攜式音頻處理中對音頻放大器電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)功耗低，頻率范圍內(nèi)放大倍數(shù)恒定的要求，采用了集成式單電源儀表放大器，提供軌到軌輸出擺幅，放大倍數(shù)通過反饋電阻在芯片外設(shè)定。輸入和輸出都采用電阻偏置，節(jié)省基準電源芯片。所實現(xiàn)的單電源寬范圍音頻放大器，可對音頻信號進行無失真放大，而且外圍器件需求少。測試結(jié)果表明單電源寬范圍音頻放大器可在40Hz-20Khz的頻率范圍內(nèi)，對信號進行恒定無失真放大，可以應(yīng)用在便攜式低功耗音頻處理中。

【關(guān)鍵詞】便攜式 單電源 寬范圍 低功耗 音頻處理 無失真 恒定放大

1 引言

隨著計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像，視頻和音頻等多媒體數(shù)據(jù)已逐漸成為信息處理領(lǐng)域中主要的信息媒體形式，其中音頻信息占有重要的地位。寬帶音頻通信系統(tǒng)對傳輸信號有效帶寬的限制會降低重建音頻的主觀質(zhì)量和自然程度。人們并不滿足于現(xiàn)有的寬帶音頻通信質(zhì)量，并期望獲得更加明亮而富有表現(xiàn)力的音頻服務(wù)。為此，如何使寬帶音頻系統(tǒng)獲得或接近超寬帶音頻的主觀聽感成為了音頻通信領(lǐng)域亟待解決的問題。

麥克風(fēng)輸出的音頻信號微弱，需要進行放大以便于進行傳輸，分析，降噪等處理。單電源電路結(jié)構(gòu)簡單，對外部器件需求少，獲得了廣泛的應(yīng)用。音頻信號的頻率范圍為300Hz-3.4KHz，為了不失真的獲得音頻信號，要求在這個范圍內(nèi)放大器的放大倍數(shù)保持恒定。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對功耗的要求越來嚴格，功耗已經(jīng)成為一個產(chǎn)品的重要技術(shù)指標，在滿足性能的前提下盡量降低產(chǎn)品的功耗。結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，穩(wěn)定工作和成本低廉一直是對放大器的追求。元器件、電路模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計等都對音頻放大器具有重要的作用，在設(shè)計階段需要仔細比較，使之適合所用場合。

2 單電源寬范圍音頻放大器設(shè)計

單電源寬范圍音頻放大器的核心模塊是音頻放大器，選擇合適的音頻放大器可以降低設(shè)計的難度，獲得優(yōu)良的性能。AD623是ADI公司一款集成式單電源或雙電源儀表放大器，可提供軌到軌輸出擺幅。連接外部電阻時，AD623可通過編程實現(xiàn)最高增益1000。AD623具有寬輸入共模范圍，可以放大共模電壓低至地電壓以下150mV的信號。AD623可采用單極性電源供電，能保持極優(yōu)的性能。所以本次單電源寬范圍音頻放大器設(shè)計中采用AD623芯片。

為了簡化外部器件，AD623的輸入偏置，輸出偏置都采用電阻偏置的方式，參考電壓也采用電阻分壓的方式獲得。其電路如圖1所示。

音頻放大器對音頻信號的放大倍數(shù)為67，根據(jù)芯片AD623的數(shù)據(jù)手冊

Vo=（1+100K/Rg）*Vi （1）

計算可得，AD623的反饋電阻R6設(shè)置為1.5K歐姆，輸入偏置電阻R1，R2，R4和R5給運放提供輸入偏置，由于處于放大器的輸入端，需要考慮功耗，噪聲，信號的頻率特性等方面的因素。輸出偏置電阻R7和R8對總的噪聲影響不大，但也要考慮功耗和音頻信號的頻率特性。輸入輸出C1和C2都采用電容耦合。電源線上增加兩個電容C3和C4，分別濾除低頻噪聲和高頻噪聲。在單電源應(yīng)用條件下，AD623芯片的負電源端管腳4接地。

運放AD623由有源器件構(gòu)成，由于有源器件的特性是非線性的，在放大過程中總會產(chǎn)生高階諧波，影響信號的質(zhì)量，電阻R9，電容C5和C6構(gòu)成低通網(wǎng)絡(luò)，降低AD623輸出的高階諧波，提高輸出的信噪比。

3 單電源寬范圍音頻放大器仿真結(jié)果

采用Hspice仿真器對圖1所設(shè)計的單電源寬范圍音頻放大器進行仿真，電源電壓為5V，負載為0.1uF的電容，AD623模塊采用廠家提供的spice模型。

在300Hz～3.4kHz的頻率范圍內(nèi)仿真單電源寬范圍音頻放大器的頻率響應(yīng)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在300Hz～3.4kHz的頻率范圍內(nèi)所設(shè)計的電路的放大倍數(shù)在66-68之間，起伏較小，可以對音頻信號進行無失真的放大。

對單電源寬范圍音頻放大器進行噪聲仿真，總輸出噪聲為2.17u sq V/Hz，輸出噪聲小，單電源寬范圍音頻放大器輸出信號可達到V，遠遠大于輸出噪聲，所以線路自身噪聲幾乎不會影響信號質(zhì)量。電路的功耗為17mW，滿足一般便攜式場合對功耗的限制。

4 測試結(jié)果

按照圖1的電路圖制做PCB板，如圖3所示。

對圖3所示電路進行測試，單電源供電，電源電壓+5V。輸入輸出信號如圖4所示。

圖中上部為輸入信號，單位為50mV/格， 下部為輸出信號，單位為1V/格，從圖中可以看出， 所設(shè)計的單電源寬范圍音頻放大器可以對信號進行有效放大，并濾除了噪聲干擾。

測試表明，在40Hz-20KHz的頻率范圍內(nèi)，所實現(xiàn)的電路都能正常工作，對信號進行恒定放大，放大倍數(shù)為67。

5 總結(jié)

采用AD623設(shè)計的單電源寬范圍音頻放大器簡化了電路設(shè)計，不需要外部偏置電路，可以對音頻范圍內(nèi)的信號進行無失真放大，功耗低，噪聲小。測試結(jié)果表明單電源寬范圍音頻放大器可在40Hz-20KHz的頻率范圍內(nèi)，對信號進行恒定無失真放大，可以應(yīng)用在便攜式低功耗音頻處理中。

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作者單位

1.西安電子科技大學(xué) 陜西省西安市 710071

2.蘇州林華通信科技有限公司 江蘇省蘇州市 215513

3.太原理工大學(xué) 山西省太原市 030024