基于Multisim 的音频功率放大电路设计

姜雪菲

(潍坊工程职业学院,山东 潍坊 262500)

随着社会的不断进步和科学技术的飞速发展,各种各样的音频设备也得到了极大的发展[1-3]。在日常生活中,耳机、话筒和音响等音频设备都是不可或缺的东西。在这些音频设备中,耳机是最常见且可以随身携带的音频设备。由于耳机在前一级收到的信号很弱,没有足够的功率驱动扬声器工作[4-5]。因此,需要一种放大电路装置将小信号放大,进而推动负载(即扬声器)进行声音的放大。这种放大电路以集成电路为基础,已经有近100年的发展历史,集成电路的发展可追溯到1906年,世界上第一个晶体管诞生,在1918年前后,半导体材料逐步出现,1946年,肖克利小组研发出了半导体晶体管,1960年,第一块硅集成电路制造成功。到目前为止,集成电路的发展已非常成熟,并以芯片作为载体,应用于电子科技的各个方面[6-7]。基于此,本文设计了一款音频功率放大电路,其作用是将前一级的信号进行不失真的放大,产生足够大的功率推动扬声器工作。功率放大电路主要由芯片LM324AD 与芯片LM386 以及外围电路构成。其中,芯片LM324AD是一种集成运算放大器,进行前置信号放大,芯片LM386是一种AB类的功率放大器,进行功率的放大[8]。同时,采用Multisim 仿真软件搭建了电路模型,并进行信号测试。该设计可以根据需求,调节放大电路的增益,从而降低可输出的噪音干扰,提高了音频播放质量。该设计对放大电路的研究以及优化具有重要意义。

1 音频功率放大器的设计构成

本文设计的音频功率放大器由直流稳压电源、前置放大电路和功率放大电路3部分构成,放大电路整体结构如图1所示。其中,直流稳压电源是整个电路的供电系统,为两级放大电路提供稳定的直流电[9-11]。前置放大电路主要实现对小信号的放大,前置放大电路的输出即为功率放大级电路的输入。功率放大电路的作用是将前置放大电路的输出信号进一步进行功率放大,进而推动扬声器工作。

图1 放大电路整体结构

2 音频功率放大器的电路设计

2.1 直流稳压电源的设计

直流稳压电源由变压器、4个二极管组成的桥式整流电路、电容元件组成的滤波电路及三端稳压集成芯片LM7812组成。其中,电源变压器的作用是将220 V 的工频交流电压变成所需要的电压等级[12-13]。4个二极管组成的桥式整流电路的作用是将变压器二次侧的交流电,变成单向脉动的直流电。电容元件的作用是进行电路的滤波,滤波的目的是将整流后的脉动电流中的交流分量滤除,得到具有波纹的直流电[14]。三端稳压集成芯片LM7812是一个三端集成稳压芯片,其作用是输出稳定的12 V 电压,为两级放大电路进行供电。直流稳压电源电路图如图2所示。

图2 直流稳压电源电路图

2.2 前置电路的设计

前置放大电路由芯片LM324 AD 构成的集成运算放大电路。芯片LM324 AD 是一种单电源四运算放大器[15],具有真正的差分输入。工作在3～32 V 的电源电压范围内,经常用于前置放大电路中。运算放大器是一种双端输入、单端输出的结构[16]。其中,“＋”部分为同相输入端,“－”部分为反向输入端。前置放大电路如图3所示。

图3 前置放大电路

输入信号经过电阻R4加在同向端,反向端经过电阻R5进行接地处理,电阻R6为可调节的反馈电阻,跨接在反向输入端与输出端之间。本电路设计为同相比例运算电路,也就是输出电压值为输入电压值的一种比例放大。令MAF表示此放大器的输出电压对输入电压的放大倍数,则根据集成运算放大器的特点,输出信号对输入信号的放大倍数为MAF＝1＋R6/R4。

2.3 功率放大电路的设计

芯片LM386是美国国家半导体公司研发的音频功率放大器,功率放大电路采用的是芯片LM386。芯片LM386是由3级放大电路组成的集成运放,第1级为差分放大电路,可以稳定静态工作点[17-19];第2级为共射放大电路,可具有较高的放大倍数;第3级为准互补输出级功率放大电路,可进行功率的放大。此放大器具有较低的静态功耗,约为4 m A,并且具有较宽范围的电源电压。它的电压增益具有可调性,范围是4～200 dB,且失真度较低。LM386芯片外形结构和引脚图如图4所示,图4是典型的塑封8引脚双列直插式封装结构。其中,反相输入端是引脚2,同相输入端是引脚3,输出端是引脚5,引脚6连接电源,引脚4进行接地,引脚1和8为电压增益设定端。在使用过程中,通常在引脚7与大地之间接一个旁路电容,目的是过滤不必要的交流干扰。

图4 LM386芯片外形结构和引脚图

该设计中,引脚2连接前一级的输出端,作为本电路的输入,引脚5作为输出,引脚6连接12 V 的直流电源。LM386引脚1和引脚8之间连接一个10μF的电容,目的是使增益变大,使增益达到了200 d B。引脚7和大地之间连接1μF的旁路电容,使功率放大器的噪音可以滤除。引脚5作为放大器的输出端,经过一个电容和一个电阻进行接地,电容和电阻的作用则是为了消除自激振荡,使信号更加稳定。功率放大电路结构如图5所示。

图5 功率放大电路结构

3 整体电路仿真

本文采用Multisim14软件进行电路仿真。Multisim 是一款专门用于电子电路进行设计与仿真的软件[20-21],它的全部操作都在一个集成系统中完成,具有人性化的操作界面,应用灵活便捷。它的元器件模型库强大,可选择各种虚拟元器件,具有很强的仿真功能。系统整体结构仿真电路如图6所示,图6为前置放大电路和功率放大电路的组合。其中,前置放大电路的输出端,通过滑动变阻器R1连接到功率放大电路的输入端,目的是调节功率放大电路输入信号的大小,以调节整体电路的增益。

图6 系统整体结构仿真电路

前置放大电路仿真测试如图7所示。在输入端,输入频率为1 k Hz,幅值为10 m V 的正弦信号。其中,示波器XSC2显示前置放大电路的输入与输出波形。由图7可以看出,与输入信号相比,输出信号成比例的放大。功率放大电路仿真测试如图8所示。示波器XSC1的通道A显示功率放大器电路的输出波形,通道B显示前置放大电路的输出,即功率放大电路的输入波形。由图8可以看出,该设计实现了将小信号放大,并且无失真。

图7 前置放大电路仿真测试

图8 功率放大电路仿真测试

4 结束语

本文主要对音频功率放大电路进行研究。第1级放大电路实现了对电压信号的放大,第2级电路实现了对前级电路的功率放大。通过两组仿真数据可以看出,该放大电路具有较高的放大倍数,与其它音频放大电路相比,本文设计的音频功率放大电路的增益可以调节,即通过调节滑动变阻器的大小,可以根据需求改变电路的增益。该电路的整体设计比较简单,成本较低,输出音质性能好,失真比较小,具有一定的实际应用意义。然而,本电路的设计还有一定的不足之处,芯片LM386在通电的一瞬间会有扰动,会出现一定的噪音,在接下来的研究中可以对电路增加一些抗干扰的模块,以消除干扰。该研究对音频设备的进一步发展具有重要意义。