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

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生活水平越來越高，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Multisim 仿真軟件，以及具體的數(shù)據(jù)測量進(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。基于電路設(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)二級增益，用于預(yù)處理電路部分的信號放大。關(guān)于高通濾波放大電路，利用兩片2N3906 型號的PNP 類型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 型號的NPN 類型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，信號源提供10mV 10kHz 的信號，通過預(yù)處理放大電路來放大信號，再將信號通過高通濾波以及低通濾波電路濾出所需要的信號，分別通過負(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

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

并且為了保證輸入信號的放大，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)，因此通過計(jì)算可知理想增益在利用兩片AD603 芯片進(jìn)行級聯(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。并且其帶寬與可變增益無關(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，并且只有加入一級放大電路后才可以接入A/D 轉(zhuǎn)換器。同時(shí)對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的噪聲。并且對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)載部分不會影響整體的濾波特性，因此適用于對于信號處理環(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處理部分。

對于高低通濾波部分電路，兩者的主要分辨方式便是以信號趨近于零時(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。

對于此部分電路，主要作用在于將所接收到的信號根據(jù)頻率的不同進(jìn)行分類，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，因此為了滿足分頻以及對于電路的放大，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

對于此部分電路主要通過射極跟隨器增大輸入電阻的特性來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)載阻值來設(shè)計(jì)射極跟隨器。

負(fù)載的設(shè)計(jì)：通過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，由信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)10mV/10kHz 的信號，通過信號放大電路，使其放大，再將輸出信號分別送入高通濾波器以及低通濾波器，再將此信號分別送入不同的負(fù)載。

3 問題及解決方案

3.1 信號因素

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

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

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

改變通信環(huán)境：通過改變通信環(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)信號超出某個(gè)閾值時(shí)，信號的峰值被截止或飽和。這會導(dǎo)致信號的形狀發(fā)生變化，失真嚴(yán)重時(shí)可能會影響信號的可讀性和可靠性。

失真產(chǎn)生：

原因一：C 極靜態(tài)電壓過高使得交流波形超過截止電壓造成截止失真；C 極靜態(tài)電壓過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：

通過調(diào)節(jié)集電極電阻來調(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：輸入信號過強(qiáng)，使得交流信號波形超過截止電壓和飽和電壓。

解決方法：

調(diào)整閾值：可以調(diào)整信號處理系統(tǒng)中的閾值，使其適合輸入信號的幅度范圍，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超過特定幅度時(shí)自動(dòng)將信號截止或飽和，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)

面對放大倍數(shù)以及放大會產(chǎn)生使其信號不穩(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)多種問題，并且面對輸入信號有著較大的變化時(shí)會產(chǎn)生不同的失真情況。

面對方案二時(shí)使用AGC 放大電路時(shí)能夠有效解決面對輸入信號產(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)量龐大問題，其次是解決了增益會產(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)會出現(xiàn)不同的信號失真情況，無論是過高還是過低時(shí)都會出現(xiàn)各種不同的信號失真。而方案二中將傳輸信號分開接入后將能夠分別將不同的信號傳輸出不同的接收器當(dāng)中，因此本文采用將輸出信號分別濾出不同信號并且將不同的輸出負(fù)載接入其中解決了當(dāng)信號出現(xiàn)不同時(shí)的無論是較高的信號或者較低的信號都會有一個(gè)會輸出失誤率較少以及過濾掉大量多于噪聲的正確信號。

3.5 整體校正

對于預(yù)處理部分電路，首先使用一個(gè)射極跟隨器對輸入部分信號保持穩(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)行級聯(lián)，設(shè)計(jì)AGC 自動(dòng)增益電路，并可以對輸入信號進(jìn)行整合，此部分電路的作用在于當(dāng)輸入部分的信號比較大或較小時(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。

對于濾波電路來說，最關(guān)鍵的作用是去除低頻干擾，能改善信號質(zhì)量、改善系統(tǒng)響應(yīng)、降低功耗；對于高通濾波電路來說，在此電路中高通濾波能夠改善信號波形，去除較為低的信號出現(xiàn)噪聲時(shí)將其過濾減少輸出的錯(cuò)誤信號；對于低通濾波電路來說，在此電路中低通濾波能夠改善信號波形，去除較為高的信號出現(xiàn)噪聲時(shí)將其過濾減少輸出的錯(cuò)誤信號；對于負(fù)載電路來說，通過射極跟隨器來調(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)會產(chǎn)生放大倍數(shù)過大情況。

5 優(yōu)化以及應(yīng)用場景

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

以至于音頻放大器的使用頻率是越來越多，當(dāng)然對于音頻放大器的要求也是越來越苛刻，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)增益放大電路來充當(dāng)放大增益信號部分，利用2N3906 以及2N3904 組成高通濾波器以及低通濾波器，過濾出所需信號，并且使其輸出信號輸出分開。