基于放大电路的音频放大器的设计与仿真

谈杰，王楠翔，林可桐，赵子闲，王颖

（大连理工大学 城市学院，辽宁大连，116600）

0 引言

随着社会经济的飞速发展，生活水平越来越高，在日常生活中，放大器也逐渐成了生活中不可或缺的一部分电路。

因此研究基于放大电路的音频放大器设计具有十分重要的意义。因此本文将以基本的放大电路为基础，通过Multisim 仿真软件，以及具体的数据测量进行音频放大器的设计。

图1 电路设计图

1 系统设计思路

本文设计电路主要以放大电路模块为核心，由其向外拓展出预处理放大电路模块，滤波模块，以及输出负载部分模块。基于电路设计在预处理电路部分设计AGC 自动增益电路并且满足输入部分电阻的需求，同时利用两片AD603 芯片实现二级增益，用于预处理电路部分的信号放大。关于高通滤波放大电路，利用两片2N3906 型号的PNP 类型BJT管进行连接用以实现高通滤波放大电路；关于低通滤波放大电路，利用两片2N3904 型号的NPN 类型BJT 管进行连接用于实现低通滤波放大电路；由此满足整体电路设计结果的不失真以及放大电路达到分频的效果。

在系统设计当中电源提供5V 电压，信号源提供10mV 10kHz 的信号，通过预处理放大电路来放大信号，再将信号通过高通滤波以及低通滤波电路滤出所需要的信号，分别通过负载电阻H 为8Ω/4W 功率电阻，负载电阻L 为4Ω/8W 功率电阻。

2 电路分析与设计

2.1 预处理部分电路

对于预处理部分电路，由于电路所接收的信号幅度不一，因此为了保证电路在接收到比较强或比较弱的信号时，使电路产生饱和或过载或使信号淹没在噪声中而接收不到信号，从而使整体电路工作失常。

并且为了保证输入信号的放大，因此利用射极跟随器进行，其中射极跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低，因此从信号源索取的电流小而且带负载能力强的特点。同时也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起到缓冲作用。

2.2 增益电路

首先我们将使用一个正常的三极管放大电路，耦合两个分压偏置以及一个射极跟随器。

通过计算得出理想状态下的静态工作点为7.5V，并且此时处于分压偏置原因，将b,e 两端接地，并且当其值处于大于1 小于1/4VCC 时，电路比较稳定。

AD603 是一款低噪声、电压控制型放大器用于射频(RF)和中频(IF)自动增益控制(AGC)系统。并且可以根据其提供的引脚选择增益。其在90MHz 带宽时增益为-11dB 到+31dB，9MHz 带宽时增益范围为+9dB～+51dB。并且由此公式20logX=46，其中X 为电路所需放大倍数，而46 为理想状态下的增益倍数，因此通过计算可知理想增益在利用两片AD603 芯片进行级联后所得的放大倍数为200，由此知，其放大能力符合电路整体的设计要求。并且其带宽与可变增益无关，其次输入噪声谱密度：1.3nV/√Hz更加广泛。并且其温度的耐受性较高。缺点在于在5V 电压供电时，输入端部分的额定电压有效值要在1V 左右，峰值在1.4V，并且若要加大测量范围，需要在其电路前加入衰减部分电路，才可以使输出电压增大，并且只有加入一级放大电路后才可以接入A/D 转换器。同时对于输入电压的控制端要求较高，需要保证加入电压的稳定性，否则将造成电路整体的不稳定性，以至于增加放大信号的噪声。并且对于输入部分的阻抗可由分压公式因此可求解出预处理部分的输入阻抗大小。

2.3 高通滤波电路与低通滤波电路

由于有源滤波电路的负载部分不会影响整体的滤波特性，因此适用于对于信号处理环节要求较高的电路。且电路结构一般为RC 电路和集成运放两部分共同组成，因此只有在直流电源供电充足的条件下才可以进行使用，同时进行放大的功能。由于电路本身有RC 和集成运放两部分构成，因此其不适用于高电压电流的情况，因此在本电路图中作为信号处理部分。

对于高低通滤波部分电路，两者的主要分辨方式便是以信号趋近于零时，是否有确定的电压放大倍数，只有当信号频率趋近零的时候，电压倍数同样趋近于零时，即为低通部分的滤波电路，反之则为高通部分滤波电路。

对于此部分电路，主要作用在于将所接收到的信号根据频率的不同进行分类，并且进行放大。因此基于此目的，2N3906 的电流增益带宽积为250MHz，放大倍数在100～400之间。同样有2N3904 的电流增益带宽积为300MHz，放大倍数在100～400 之间。并且两者的放大倍数范围相似，因此为了满足分频以及对于电路的放大，故可使用两片2N3906进行连接，用于实现高通电路部分的放大作用。同样的，利用两片2N3904 进行连接构成低通部分电路。

2.4 负载

对于此部分电路主要通过射极跟随器增大输入电阻的特性来给高通滤波电路与低通滤波电路增加一定量的负载，并且可以根据所需的负载阻值来设计射极跟随器。

负载的设计：通过电路本身具体所需要阻抗的大小与整体负载的额定功率进行计算额定电压，由此来判断射极跟随器的输入阻抗是否接近于理想状态下的电路负载要求。

2.5 流程图

本文中设计的放大电路音频放大器中，由信号发生器产生一个10mV/10kHz 的信号，通过信号放大电路，使其放大，再将输出信号分别送入高通滤波器以及低通滤波器，再将此信号分别送入不同的负载。

3 问题及解决方案

3.1 信号因素

增加信号强度：通过增加信号源的功率，可以提高信号强度，从而减少信号中断和失真的情况。

降噪处理：使用滤波器、降噪算法等方法对信号进行处理，减少信号中的噪声干扰，提高信号质量。

信道均衡技术：通过调整信道参数，如增益、相位等，使得信道内不同频率上的信号达到均衡状态，提高信号传输的稳定性。

改变通信环境：通过改变通信环境，如改变天线位置、调整传输频率等，可以减少信号中断和失真的情况。

3.2 削波失真

削波失真是一种非线性失真，指的是当信号超出某个阈值时，信号的峰值被截止或饱和。这会导致信号的形状发生变化，失真严重时可能会影响信号的可读性和可靠性。

失真产生：

原因一：C 极静态电压过高使得交流波形超过截止电压造成截止失真；C 极静态电压过低使得交流波形低于饱和电压造成饱和失真。

图2 电路流程图

解决方法：

通过调节集电极电阻来调节C 极静态电压从而解决削波失真；若出现截止失真则增大Rc 电阻使C 点电压升高；若出现饱和失真则减小Rc 的阻值使C 点电压降低。

原因二：输入信号过强，使得交流信号波形超过截止电压和饱和电压。

解决方法：

调整阈值：可以调整信号处理系统中的阈值，使其适合输入信号的幅度范围，从而减少削波失真的影响；使用限幅器：限幅器可以在输入信号超过特定幅度时自动将信号截止或饱和，从而避免削波失真的影响；优化电路设计：通过选择合适的元器件、改变电路结构等方式，可以最大程度地减少削波失真的影响。

3.3 放大倍数

面对放大倍数以及放大会产生使其信号不稳定的情况我们起初设计了两种方案。

方案一：使用耦合两个分压偏置以及一个射极跟随器三极管充当放大条件。

方案二：AGC 电路自动增益，使用AD603 芯片搭建AGC 电路。

面对方案一时首先电路容易思考并且较为易懂，但是容易出现失真现象，并且将静态电压调至1/2Vcc 时前后不定区域出现失真情况，并且需要较大的放大倍数时需要增加三极管数量因此所需三极管数量较为庞大，导致调整电路时出现多种问题，并且面对输入信号有着较大的变化时会产生不同的失真情况。

面对方案二时使用AGC 放大电路时能够有效解决面对输入信号产生较大的变化时依然能够保持输出幅度变化较小的问题，而连接两片AD603 芯片能够有效的减小了电路中三极管数量庞大问题，其次是解决了增益会产生较小的情况，能够达到理想数值。

因此本文将采用方案二中的两片AD603 组成的AGC 放大电路。

3.4 负载

方案一：将输出信号设为一种直接输出接至输出负载上。

方案二：首先分别设计出高通滤波器以及低通滤波器将输出信号中两种波形分别滤出，再将输出负载分别连至高通滤波器以及低通滤波器上。

对比以上方案发现，方案一中接上负载时发现会出现不同的信号失真情况，无论是过高还是过低时都会出现各种不同的信号失真。而方案二中将传输信号分开接入后将能够分别将不同的信号传输出不同的接收器当中，因此本文采用将输出信号分别滤出不同信号并且将不同的输出负载接入其中解决了当信号出现不同时的无论是较高的信号或者较低的信号都会有一个会输出失误率较少以及过滤掉大量多于噪声的正确信号。

3.5 整体校正

对于预处理部分电路，首先使用一个射极跟随器对输入部分信号保持稳定放大并且可以使电路具有较大的输入阻抗，其次利用两片AD603 进行级联，设计AGC 自动增益电路，并可以对输入信号进行整合，此部分电路的作用在于当输入部分的信号比较大或较小时，可由此电路进行调整时输出信号趋于稳定。并且AD603 芯片的温度耐受度较好，同时噪声较小的特点因此用AD603 芯片构成AGC 电路。

对于滤波电路来说，最关键的作用是去除低频干扰，能改善信号质量、改善系统响应、降低功耗；对于高通滤波电路来说，在此电路中高通滤波能够改善信号波形，去除较为低的信号出现噪声时将其过滤减少输出的错误信号；对于低通滤波电路来说，在此电路中低通滤波能够改善信号波形，去除较为高的信号出现噪声时将其过滤减少输出的错误信号；对于负载电路来说，通过射极跟随器来调节所需负载的阻值与额定功率，射极跟随器能够保证电压稳定输出的同时还能保证增大输入阻抗减小输出阻抗的作用。

4 仿真及数据结果

AD603AQ×2、三极管（2N3904×2、2N3906×2、2N2222A×3）、741 运算放大器×2、二极管1N4148×2、信号发生器×1、电阻（若干）、电容（若干）、电源（若干）、示波器（若干）、导线（若干），如表1 所示。

表1

工作电压在低于7mV 时会产生放大倍数过大情况。

5 优化以及应用场景

在进入21 世纪，现代的电子产品越来越多，面临的使用环境也越来越多。

以至于音频放大器的使用频率是越来越多，当然对于音频放大器的要求也是越来越苛刻，可以将100Hz～20kHz频带内的幅度变化减小至1dB，当然高通滤波以及低通滤波的-3dB 截止频率为2kHz，阻带衰减率24dB/倍频程，高通在10kHz～20kHz 和低通在100Hz～1kHz 的带内波动都为3dB。

图3 电路优化图

利用AGC 电路有效地将电压变化出现6mV～20mV 电压变化时保持着增益大致不变。

6 总结

本文介绍一种以放大电路为核心的音频放大器的设计方法。采用两片互连的AD603 的自动增益放大电路来充当放大增益信号部分，利用2N3906 以及2N3904 组成高通滤波器以及低通滤波器，过滤出所需信号，并且使其输出信号输出分开。