基于Multisim 的音頻功率放大電路設(shè)計(jì)

姜雪菲

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 262500)

隨著社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,各種各樣的音頻設(shè)備也得到了極大的發(fā)展[1-3]。在日常生活中,耳機(jī)、話筒和音響等音頻設(shè)備都是不可或缺的東西。在這些音頻設(shè)備中,耳機(jī)是最常見且可以隨身攜帶的音頻設(shè)備。由于耳機(jī)在前一級收到的信號很弱,沒有足夠的功率驅(qū)動揚(yáng)聲器工作[4-5]。因此,需要一種放大電路裝置將小信號放大,進(jìn)而推動負(fù)載(即揚(yáng)聲器)進(jìn)行聲音的放大。這種放大電路以集成電路為基礎(chǔ),已經(jīng)有近100年的發(fā)展歷史,集成電路的發(fā)展可追溯到1906年,世界上第一個(gè)晶體管誕生,在1918年前后,半導(dǎo)體材料逐步出現(xiàn),1946年,肖克利小組研發(fā)出了半導(dǎo)體晶體管,1960年,第一塊硅集成電路制造成功。到目前為止,集成電路的發(fā)展已非常成熟,并以芯片作為載體,應(yīng)用于電子科技的各個(gè)方面[6-7]?；诖?本文設(shè)計(jì)了一款音頻功率放大電路,其作用是將前一級的信號進(jìn)行不失真的放大,產(chǎn)生足夠大的功率推動揚(yáng)聲器工作。功率放大電路主要由芯片LM324AD 與芯片LM386 以及外圍電路構(gòu)成。其中,芯片LM324AD是一種集成運(yùn)算放大器,進(jìn)行前置信號放大,芯片LM386是一種AB類的功率放大器,進(jìn)行功率的放大[8]。同時(shí),采用Multisim 仿真軟件搭建了電路模型,并進(jìn)行信號測試。該設(shè)計(jì)可以根據(jù)需求,調(diào)節(jié)放大電路的增益,從而降低可輸出的噪音干擾,提高了音頻播放質(zhì)量。該設(shè)計(jì)對放大電路的研究以及優(yōu)化具有重要意義。

1 音頻功率放大器的設(shè)計(jì)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的音頻功率放大器由直流穩(wěn)壓電源、前置放大電路和功率放大電路3部分構(gòu)成,放大電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,直流穩(wěn)壓電源是整個(gè)電路的供電系統(tǒng),為兩級放大電路提供穩(wěn)定的直流電[9-11]。前置放大電路主要實(shí)現(xiàn)對小信號的放大,前置放大電路的輸出即為功率放大級電路的輸入。功率放大電路的作用是將前置放大電路的輸出信號進(jìn)一步進(jìn)行功率放大,進(jìn)而推動揚(yáng)聲器工作。

圖1 放大電路整體結(jié)構(gòu)

2 音頻功率放大器的電路設(shè)計(jì)

2.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源由變壓器、4個(gè)二極管組成的橋式整流電路、電容元件組成的濾波電路及三端穩(wěn)壓集成芯片LM7812組成。其中,電源變壓器的作用是將220 V 的工頻交流電壓變成所需要的電壓等級[12-13]。4個(gè)二極管組成的橋式整流電路的作用是將變壓器二次側(cè)的交流電,變成單向脈動的直流電。電容元件的作用是進(jìn)行電路的濾波,濾波的目的是將整流后的脈動電流中的交流分量濾除,得到具有波紋的直流電[14]。三端穩(wěn)壓集成芯片LM7812是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓芯片,其作用是輸出穩(wěn)定的12 V 電壓,為兩級放大電路進(jìn)行供電。直流穩(wěn)壓電源電路圖如圖2所示。

圖2 直流穩(wěn)壓電源電路圖

2.2 前置電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路由芯片LM324 AD 構(gòu)成的集成運(yùn)算放大電路。芯片LM324 AD 是一種單電源四運(yùn)算放大器[15],具有真正的差分輸入。工作在3～32 V 的電源電壓范圍內(nèi),經(jīng)常用于前置放大電路中。運(yùn)算放大器是一種雙端輸入、單端輸出的結(jié)構(gòu)[16]。其中,“＋”部分為同相輸入端,“－”部分為反向輸入端。前置放大電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路

輸入信號經(jīng)過電阻R4加在同向端,反向端經(jīng)過電阻R5進(jìn)行接地處理,電阻R6為可調(diào)節(jié)的反饋電阻,跨接在反向輸入端與輸出端之間。本電路設(shè)計(jì)為同相比例運(yùn)算電路,也就是輸出電壓值為輸入電壓值的一種比例放大。令MAF表示此放大器的輸出電壓對輸入電壓的放大倍數(shù),則根據(jù)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn),輸出信號對輸入信號的放大倍數(shù)為MAF＝1＋R6/R4。

2.3 功率放大電路的設(shè)計(jì)

芯片LM386是美國國家半導(dǎo)體公司研發(fā)的音頻功率放大器,功率放大電路采用的是芯片LM386。芯片LM386是由3級放大電路組成的集成運(yùn)放,第1級為差分放大電路,可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)[17-19];第2級為共射放大電路,可具有較高的放大倍數(shù);第3級為準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級功率放大電路,可進(jìn)行功率的放大。此放大器具有較低的靜態(tài)功耗,約為4 m A,并且具有較寬范圍的電源電壓。它的電壓增益具有可調(diào)性,范圍是4～200 dB,且失真度較低。LM386芯片外形結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖4所示,圖4是典型的塑封8引腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其中,反相輸入端是引腳2,同相輸入端是引腳3,輸出端是引腳5,引腳6連接電源,引腳4進(jìn)行接地,引腳1和8為電壓增益設(shè)定端。在使用過程中,通常在引腳7與大地之間接一個(gè)旁路電容,目的是過濾不必要的交流干擾。

圖4 LM386芯片外形結(jié)構(gòu)和引腳圖

該設(shè)計(jì)中,引腳2連接前一級的輸出端,作為本電路的輸入,引腳5作為輸出,引腳6連接12 V 的直流電源。LM386引腳1和引腳8之間連接一個(gè)10μF的電容,目的是使增益變大,使增益達(dá)到了200 d B。引腳7和大地之間連接1μF的旁路電容,使功率放大器的噪音可以濾除。引腳5作為放大器的輸出端,經(jīng)過一個(gè)電容和一個(gè)電阻進(jìn)行接地,電容和電阻的作用則是為了消除自激振蕩,使信號更加穩(wěn)定。功率放大電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 功率放大電路結(jié)構(gòu)

3 整體電路仿真

本文采用Multisim14軟件進(jìn)行電路仿真。Multisim 是一款專門用于電子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真的軟件[20-21],它的全部操作都在一個(gè)集成系統(tǒng)中完成,具有人性化的操作界面,應(yīng)用靈活便捷。它的元器件模型庫強(qiáng)大,可選擇各種虛擬元器件,具有很強(qiáng)的仿真功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)仿真電路如圖6所示,圖6為前置放大電路和功率放大電路的組合。其中,前置放大電路的輸出端,通過滑動變阻器R1連接到功率放大電路的輸入端,目的是調(diào)節(jié)功率放大電路輸入信號的大小,以調(diào)節(jié)整體電路的增益。

圖6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)仿真電路

前置放大電路仿真測試如圖7所示。在輸入端,輸入頻率為1 k Hz,幅值為10 m V 的正弦信號。其中,示波器XSC2顯示前置放大電路的輸入與輸出波形。由圖7可以看出,與輸入信號相比,輸出信號成比例的放大。功率放大電路仿真測試如圖8所示。示波器XSC1的通道A顯示功率放大器電路的輸出波形,通道B顯示前置放大電路的輸出,即功率放大電路的輸入波形。由圖8可以看出,該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將小信號放大,并且無失真。

圖7 前置放大電路仿真測試

圖8 功率放大電路仿真測試

4 結(jié)束語

本文主要對音頻功率放大電路進(jìn)行研究。第1級放大電路實(shí)現(xiàn)了對電壓信號的放大,第2級電路實(shí)現(xiàn)了對前級電路的功率放大。通過兩組仿真數(shù)據(jù)可以看出,該放大電路具有較高的放大倍數(shù),與其它音頻放大電路相比,本文設(shè)計(jì)的音頻功率放大電路的增益可以調(diào)節(jié),即通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的大小,可以根據(jù)需求改變電路的增益。該電路的整體設(shè)計(jì)比較簡單,成本較低,輸出音質(zhì)性能好,失真比較小,具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。然而,本電路的設(shè)計(jì)還有一定的不足之處,芯片LM386在通電的一瞬間會有擾動,會出現(xiàn)一定的噪音,在接下來的研究中可以對電路增加一些抗干擾的模塊,以消除干擾。該研究對音頻設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。