基于放大電路的音頻放大器的設(shè)計(jì)與仿真

談杰，王楠翔，林可桐，趙子閑，王穎

（大連理工大學(xué) 城市學(xué)院，遼寧大連，116600）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生活水平越來(lái)越高，在日常生活中，放大器也逐漸成了生活中不可或缺的一部分電路。

因此研究基于放大電路的音頻放大器設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。因此本文將以基本的放大電路為基礎(chǔ)，通過(guò)Multisim 仿真軟件，以及具體的數(shù)據(jù)測(cè)量進(jìn)行音頻放大器的設(shè)計(jì)。

圖1 電路設(shè)計(jì)圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)電路主要以放大電路模塊為核心，由其向外拓展出預(yù)處理放大電路模塊，濾波模塊，以及輸出負(fù)載部分模塊?；陔娐吩O(shè)計(jì)在預(yù)處理電路部分設(shè)計(jì)AGC 自動(dòng)增益電路并且滿(mǎn)足輸入部分電阻的需求，同時(shí)利用兩片AD603 芯片實(shí)現(xiàn)二級(jí)增益，用于預(yù)處理電路部分的信號(hào)放大。關(guān)于高通濾波放大電路，利用兩片2N3906 型號(hào)的PNP 類(lèi)型BJT管進(jìn)行連接用以實(shí)現(xiàn)高通濾波放大電路；關(guān)于低通濾波放大電路，利用兩片2N3904 型號(hào)的NPN 類(lèi)型BJT 管進(jìn)行連接用于實(shí)現(xiàn)低通濾波放大電路；由此滿(mǎn)足整體電路設(shè)計(jì)結(jié)果的不失真以及放大電路達(dá)到分頻的效果。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中電源提供5V 電壓，信號(hào)源提供10mV 10kHz 的信號(hào)，通過(guò)預(yù)處理放大電路來(lái)放大信號(hào)，再將信號(hào)通過(guò)高通濾波以及低通濾波電路濾出所需要的信號(hào)，分別通過(guò)負(fù)載電阻H 為8Ω/4W 功率電阻，負(fù)載電阻L 為4Ω/8W 功率電阻。

2 電路分析與設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)處理部分電路

對(duì)于預(yù)處理部分電路，由于電路所接收的信號(hào)幅度不一，因此為了保證電路在接收到比較強(qiáng)或比較弱的信號(hào)時(shí)，使電路產(chǎn)生飽和或過(guò)載或使信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中而接收不到信號(hào)，從而使整體電路工作失常。

并且為了保證輸入信號(hào)的放大，因此利用射極跟隨器進(jìn)行，其中射極跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低，因此從信號(hào)源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)也可用它連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來(lái)的影響，起到緩沖作用。

2.2 增益電路

首先我們將使用一個(gè)正常的三極管放大電路，耦合兩個(gè)分壓偏置以及一個(gè)射極跟隨器。

通過(guò)計(jì)算得出理想狀態(tài)下的靜態(tài)工作點(diǎn)為7.5V，并且此時(shí)處于分壓偏置原因，將b,e 兩端接地，并且當(dāng)其值處于大于1 小于1/4VCC 時(shí)，電路比較穩(wěn)定。

AD603 是一款低噪聲、電壓控制型放大器用于射頻(RF)和中頻(IF)自動(dòng)增益控制(AGC)系統(tǒng)。并且可以根據(jù)其提供的引腳選擇增益。其在90MHz 帶寬時(shí)增益為-11dB 到+31dB，9MHz 帶寬時(shí)增益范圍為+9dB～+51dB。并且由此公式20logX=46，其中X 為電路所需放大倍數(shù)，而46 為理想狀態(tài)下的增益倍數(shù)，因此通過(guò)計(jì)算可知理想增益在利用兩片AD603 芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)后所得的放大倍數(shù)為200，由此知，其放大能力符合電路整體的設(shè)計(jì)要求。并且其帶寬與可變?cè)鲆鏌o(wú)關(guān)，其次輸入噪聲譜密度：1.3nV/√Hz更加廣泛。并且其溫度的耐受性較高。缺點(diǎn)在于在5V 電壓供電時(shí)，輸入端部分的額定電壓有效值要在1V 左右，峰值在1.4V，并且若要加大測(cè)量范圍，需要在其電路前加入衰減部分電路，才可以使輸出電壓增大，并且只有加入一級(jí)放大電路后才可以接入A/D 轉(zhuǎn)換器。同時(shí)對(duì)于輸入電壓的控制端要求較高，需要保證加入電壓的穩(wěn)定性，否則將造成電路整體的不穩(wěn)定性，以至于增加放大信號(hào)的噪聲。并且對(duì)于輸入部分的阻抗可由分壓公式因此可求解出預(yù)處理部分的輸入阻抗大小。

2.3 高通濾波電路與低通濾波電路

由于有源濾波電路的負(fù)載部分不會(huì)影響整體的濾波特性，因此適用于對(duì)于信號(hào)處理環(huán)節(jié)要求較高的電路。且電路結(jié)構(gòu)一般為RC 電路和集成運(yùn)放兩部分共同組成，因此只有在直流電源供電充足的條件下才可以進(jìn)行使用，同時(shí)進(jìn)行放大的功能。由于電路本身有RC 和集成運(yùn)放兩部分構(gòu)成，因此其不適用于高電壓電流的情況，因此在本電路圖中作為信號(hào)處理部分。

對(duì)于高低通濾波部分電路，兩者的主要分辨方式便是以信號(hào)趨近于零時(shí)，是否有確定的電壓放大倍數(shù)，只有當(dāng)信號(hào)頻率趨近零的時(shí)候，電壓倍數(shù)同樣趨近于零時(shí)，即為低通部分的濾波電路，反之則為高通部分濾波電路。

對(duì)于此部分電路，主要作用在于將所接收到的信號(hào)根據(jù)頻率的不同進(jìn)行分類(lèi)，并且進(jìn)行放大。因此基于此目的，2N3906 的電流增益帶寬積為250MHz，放大倍數(shù)在100～400之間。同樣有2N3904 的電流增益帶寬積為300MHz，放大倍數(shù)在100～400 之間。并且兩者的放大倍數(shù)范圍相似，因此為了滿(mǎn)足分頻以及對(duì)于電路的放大，故可使用兩片2N3906進(jìn)行連接，用于實(shí)現(xiàn)高通電路部分的放大作用。同樣的，利用兩片2N3904 進(jìn)行連接構(gòu)成低通部分電路。

2.4 負(fù)載

對(duì)于此部分電路主要通過(guò)射極跟隨器增大輸入電阻的特性來(lái)給高通濾波電路與低通濾波電路增加一定量的負(fù)載，并且可以根據(jù)所需的負(fù)載阻值來(lái)設(shè)計(jì)射極跟隨器。

負(fù)載的設(shè)計(jì)：通過(guò)電路本身具體所需要阻抗的大小與整體負(fù)載的額定功率進(jìn)行計(jì)算額定電壓，由此來(lái)判斷射極跟隨器的輸入阻抗是否接近于理想狀態(tài)下的電路負(fù)載要求。

2.5 流程圖

本文中設(shè)計(jì)的放大電路音頻放大器中，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)10mV/10kHz 的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大電路，使其放大，再將輸出信號(hào)分別送入高通濾波器以及低通濾波器，再將此信號(hào)分別送入不同的負(fù)載。

3 問(wèn)題及解決方案

3.1 信號(hào)因素

增加信號(hào)強(qiáng)度：通過(guò)增加信號(hào)源的功率，可以提高信號(hào)強(qiáng)度，從而減少信號(hào)中斷和失真的情況。

降噪處理：使用濾波器、降噪算法等方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，減少信號(hào)中的噪聲干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。

信道均衡技術(shù)：通過(guò)調(diào)整信道參數(shù)，如增益、相位等，使得信道內(nèi)不同頻率上的信號(hào)達(dá)到均衡狀態(tài)，提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

改變通信環(huán)境：通過(guò)改變通信環(huán)境，如改變天線位置、調(diào)整傳輸頻率等，可以減少信號(hào)中斷和失真的情況。

3.2 削波失真

削波失真是一種非線性失真，指的是當(dāng)信號(hào)超出某個(gè)閾值時(shí)，信號(hào)的峰值被截止或飽和。這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的形狀發(fā)生變化，失真嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響信號(hào)的可讀性和可靠性。

失真產(chǎn)生：

原因一：C 極靜態(tài)電壓過(guò)高使得交流波形超過(guò)截止電壓造成截止失真；C 極靜態(tài)電壓過(guò)低使得交流波形低于飽和電壓造成飽和失真。

圖2 電路流程圖

解決方法：

通過(guò)調(diào)節(jié)集電極電阻來(lái)調(diào)節(jié)C 極靜態(tài)電壓從而解決削波失真；若出現(xiàn)截止失真則增大Rc 電阻使C 點(diǎn)電壓升高；若出現(xiàn)飽和失真則減小Rc 的阻值使C 點(diǎn)電壓降低。

原因二：輸入信號(hào)過(guò)強(qiáng)，使得交流信號(hào)波形超過(guò)截止電壓和飽和電壓。

解決方法：

調(diào)整閾值：可以調(diào)整信號(hào)處理系統(tǒng)中的閾值，使其適合輸入信號(hào)的幅度范圍，從而減少削波失真的影響；使用限幅器：限幅器可以在輸入信號(hào)超過(guò)特定幅度時(shí)自動(dòng)將信號(hào)截止或飽和，從而避免削波失真的影響；優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：通過(guò)選擇合適的元器件、改變電路結(jié)構(gòu)等方式，可以最大程度地減少削波失真的影響。

3.3 放大倍數(shù)

面對(duì)放大倍數(shù)以及放大會(huì)產(chǎn)生使其信號(hào)不穩(wěn)定的情況我們起初設(shè)計(jì)了兩種方案。

方案一：使用耦合兩個(gè)分壓偏置以及一個(gè)射極跟隨器三極管充當(dāng)放大條件。

方案二：AGC 電路自動(dòng)增益，使用AD603 芯片搭建AGC 電路。

面對(duì)方案一時(shí)首先電路容易思考并且較為易懂，但是容易出現(xiàn)失真現(xiàn)象，并且將靜態(tài)電壓調(diào)至1/2Vcc 時(shí)前后不定區(qū)域出現(xiàn)失真情況，并且需要較大的放大倍數(shù)時(shí)需要增加三極管數(shù)量因此所需三極管數(shù)量較為龐大，導(dǎo)致調(diào)整電路時(shí)出現(xiàn)多種問(wèn)題，并且面對(duì)輸入信號(hào)有著較大的變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的失真情況。

面對(duì)方案二時(shí)使用AGC 放大電路時(shí)能夠有效解決面對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生較大的變化時(shí)依然能夠保持輸出幅度變化較小的問(wèn)題，而連接兩片AD603 芯片能夠有效的減小了電路中三極管數(shù)量龐大問(wèn)題，其次是解決了增益會(huì)產(chǎn)生較小的情況，能夠達(dá)到理想數(shù)值。

因此本文將采用方案二中的兩片AD603 組成的AGC 放大電路。

3.4 負(fù)載

方案一：將輸出信號(hào)設(shè)為一種直接輸出接至輸出負(fù)載上。

方案二：首先分別設(shè)計(jì)出高通濾波器以及低通濾波器將輸出信號(hào)中兩種波形分別濾出，再將輸出負(fù)載分別連至高通濾波器以及低通濾波器上。

對(duì)比以上方案發(fā)現(xiàn)，方案一中接上負(fù)載時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)不同的信號(hào)失真情況，無(wú)論是過(guò)高還是過(guò)低時(shí)都會(huì)出現(xiàn)各種不同的信號(hào)失真。而方案二中將傳輸信號(hào)分開(kāi)接入后將能夠分別將不同的信號(hào)傳輸出不同的接收器當(dāng)中，因此本文采用將輸出信號(hào)分別濾出不同信號(hào)并且將不同的輸出負(fù)載接入其中解決了當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)不同時(shí)的無(wú)論是較高的信號(hào)或者較低的信號(hào)都會(huì)有一個(gè)會(huì)輸出失誤率較少以及過(guò)濾掉大量多于噪聲的正確信號(hào)。

3.5 整體校正

對(duì)于預(yù)處理部分電路，首先使用一個(gè)射極跟隨器對(duì)輸入部分信號(hào)保持穩(wěn)定放大并且可以使電路具有較大的輸入阻抗，其次利用兩片AD603 進(jìn)行級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)AGC 自動(dòng)增益電路，并可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整合，此部分電路的作用在于當(dāng)輸入部分的信號(hào)比較大或較小時(shí)，可由此電路進(jìn)行調(diào)整時(shí)輸出信號(hào)趨于穩(wěn)定。并且AD603 芯片的溫度耐受度較好，同時(shí)噪聲較小的特點(diǎn)因此用AD603 芯片構(gòu)成AGC 電路。

對(duì)于濾波電路來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的作用是去除低頻干擾，能改善信號(hào)質(zhì)量、改善系統(tǒng)響應(yīng)、降低功耗；對(duì)于高通濾波電路來(lái)說(shuō)，在此電路中高通濾波能夠改善信號(hào)波形，去除較為低的信號(hào)出現(xiàn)噪聲時(shí)將其過(guò)濾減少輸出的錯(cuò)誤信號(hào)；對(duì)于低通濾波電路來(lái)說(shuō)，在此電路中低通濾波能夠改善信號(hào)波形，去除較為高的信號(hào)出現(xiàn)噪聲時(shí)將其過(guò)濾減少輸出的錯(cuò)誤信號(hào)；對(duì)于負(fù)載電路來(lái)說(shuō)，通過(guò)射極跟隨器來(lái)調(diào)節(jié)所需負(fù)載的阻值與額定功率，射極跟隨器能夠保證電壓穩(wěn)定輸出的同時(shí)還能保證增大輸入阻抗減小輸出阻抗的作用。

4 仿真及數(shù)據(jù)結(jié)果

AD603AQ×2、三極管（2N3904×2、2N3906×2、2N2222A×3）、741 運(yùn)算放大器×2、二極管1N4148×2、信號(hào)發(fā)生器×1、電阻（若干）、電容（若干）、電源（若干）、示波器（若干）、導(dǎo)線（若干），如表1 所示。

表1

工作電壓在低于7mV 時(shí)會(huì)產(chǎn)生放大倍數(shù)過(guò)大情況。

5 優(yōu)化以及應(yīng)用場(chǎng)景

在進(jìn)入21 世紀(jì)，現(xiàn)代的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，面臨的使用環(huán)境也越來(lái)越多。

以至于音頻放大器的使用頻率是越來(lái)越多，當(dāng)然對(duì)于音頻放大器的要求也是越來(lái)越苛刻，可以將100Hz～20kHz頻帶內(nèi)的幅度變化減小至1dB，當(dāng)然高通濾波以及低通濾波的-3dB 截止頻率為2kHz，阻帶衰減率24dB/倍頻程，高通在10kHz～20kHz 和低通在100Hz～1kHz 的帶內(nèi)波動(dòng)都為3dB。

圖3 電路優(yōu)化圖

利用AGC 電路有效地將電壓變化出現(xiàn)6mV～20mV 電壓變化時(shí)保持著增益大致不變。

6 總結(jié)

本文介紹一種以放大電路為核心的音頻放大器的設(shè)計(jì)方法。采用兩片互連的AD603 的自動(dòng)增益放大電路來(lái)充當(dāng)放大增益信號(hào)部分，利用2N3906 以及2N3904 組成高通濾波器以及低通濾波器，過(guò)濾出所需信號(hào)，并且使其輸出信號(hào)輸出分開(kāi)。