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1、功放及其静音控制电路的设计摘要现今，随着人们生活水平的不断提高，音响在人们生活中的运用越加普遍，而功放，作为音响的一部分，也得到了广泛的运用。因为人们对音乐的要求各不相同，运用于各种不同场合的音响也就应运而生，这也就产生了各种不同的功放。虽然功放有很多的种类，但是其基本原理都是相通的。所以他们产生的问题也都是相似的，比如开关机的时候有噪声产生，当电压不稳定的时候会有噪声或者是断音产生，还有就是一些正常工作的时候的一些高频噪声，低频噪声等一些诸如此类的问题，这严重影响人们对音乐的欣赏。本课题主要是按照电子琴对功放的一系列要求来设计一款功放，在这款功放中通过三极管和电容达到降低开关机时产生的噪声，
2、达到静音控制的目的。通过运放来提高信号幅度和进行高低音信号大小的控制，通过功放芯片提高输出的信号的驱动能力。高低频噪声则是通过选择合适的电容和电阻进行滤波来解决的，以求能够提高功放输出的声音质量，满足人们对功放的需求。关键词：功放； 静音控制； 滤波器THE circuit of amplifier and mute controlAbstractToday, with the improvement of peoples living standards, the audio have a more widely used in peoples lives. The Power Amplif
3、ier, as one part of the audio, also has a widely used. Because in deferent environment, people has deferent requirements to the audio, so the power amplifier can also has a great lot of different types.Though the power amplifier has many types, but the power amplifiers principle is only has a little
4、 deferent. So the power amplifiers has almost same question, like the noise during the power on and off, the staccato and the noise for the voltage change and the high-frequency noise or the low-frequency noise. Those problem cause A serious impact on people when they are enjoy the music.This design
5、 of the Power Amplifier is according to a series of keyboards requirements. In order to realize goal of reduce the noise during the power on and off, solve the staccato and reduce the high-frequency noise and the low-frequency noise. This design through the amplifier to improve the signal and achiev
6、e the control of bass and treble. The high and low frequency noise is solved by right capacitors and resistors .In order to improve the quality of sound from the amplifier and meet peoples requirements to the sound.Key words: Power amplifier Mute control Wave Filter第1章 绪论11.1课题的设计背景及发展趋势11.2 目前功放设计中
7、的热点与难点31.3 课题研究的目的和意义3第2章 系统方案的总体设计52.1 功放设计常见参数介绍52.2 功放设计要求72.3 系统方案设计82.4 功能模块所用器件9第3章 功放设计常用电路简介103.1基本线性放大电路103.2 反馈放大电路103.3 RC电路高通与低通响应153.3.1 RC高通电路153.3.2 RC低通滤波16第4章 系统设计184.1系统设计工具184.2 芯片介绍及其使用194.2.1运算放大器5532及其使用194.2.2 TDA7294及其运用224.3 静音控制电路244.3.1 设计正常工作时候静音电路工作原理254.3.2 关机静音的工作原理254
8、.3.3 开机静音的工作原理26第5章 系统调试275.1系统测试275.2 系统修改27结论33致谢34参考文献35附录36 前言随着人们生活水平的不断提高，音响在人们生活中得到了广泛的运用，而功放，作为音响的重要组成部分，也得到了长足的发展。随着音响运用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的功放也就应运而生。在不同的场合，对功放的要求也各不相同，有些地方要求高功率的，有些地方需要的功率比较小，有些地方的信源信号幅度很低，需要对音频信号进行放大，而有些地方则不需要如此，有些地方对音响的信噪比有着严格的要求，而有些地方要求则比较低一些。所以，影响功放的设计关键因素有很多种。一般情况下，当
9、信源和输出功率确定之后，功放设计中信号放大倍数和功放芯片也就确定了。其他参数则需要在样板完成后在根据需求做小的修改。虽然功放发展很迅速，但已有的大部分功放存在很多共性的问题，比如开关机时发出的噪声，输出功率过大的时候会出现断音等现象。本文主要是介绍如何根据要求来设计一款功放。根据信源信号的幅度来设计运放电路来放大电压。根据需求来选择合适的功放芯片和电源。根据要求的信噪比来设计过滤电路等。设计出来的功放可以实现静音控制、无断音和高低频噪声低、并且能够控制音量，控制高低音的效果。本文首先从设计功放的目的和意义着手，分析该设计的背景和发展趋势，接着进行了系统的总体设计，然后是介绍系统的硬件设计，最后
10、介绍一下如何使用示波器、频率发生器该设计的测试，然后根据测试是如何对电路进行修改的，直至完成整个的过程。第1章 绪论1.1课题的设计背景及发展趋势声音是人们之间交流的主要工具，音频信号则是承载声音的各种信息的一个载体。在人们的生活之中，有时候需要很大的声音，这时候就用到了音响了。一个好的音响，能够很好的对弱的音频信号进行放大，满足人们的需求。本文中主要介绍使用具有更好的噪声性能的5532来对主板输出的低幅度，低功率的音频信号的幅度进行放大，使用功放芯片对其功率进行放大。放大出来的信号会因为，电源，地线等问题，使得放大出来的信号中存在一定的噪声信号，这时候就需要根据经验使用滤波电路对信号进行过滤
11、。本设计中主要依靠电容、电阻和静音控制电路对噪声信号进行控制。音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)，而出现了更多类别的放大器。A类(甲类)放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从
12、失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。B类(乙类)放大器，是指器件导通时间为50的一种工作类别。这类放大器
13、可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99是属于这一类。由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50100之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)。AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过笔者认为，它的正当使用在于
14、它对A类(甲类)的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。C类(丙类)放大器，是指器件导通时间小于50的工作类别。这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)，其效率在理论上来说是很高的。但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感(考虑立体声)，成本
15、自然不会低。此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。A类、B类AB类以及D类的功耗比较：线性放大器输出级直接与扬声器相接(有时通过电容器)。如果输出级使用双极结晶体管(BJT)，则它们一般工作在线性模式，集电极-发射极电压大。输出级也可采用MOS管实现。所有线性输出级都消耗功率，这是因为产生VOUT的过程中不可避免地会至少在一个输出晶体管上产生非零IDS和VDS。功耗的大小与输出晶体管使用的偏置办法关系很大。A类晶体管拓扑使用其中一个晶体管作为直流电流源，可提供扬声器需要的最大音频电流。使用A类放大器的输出级音质可能不错，但是功耗太大，这是因为流过输出级晶体管(此处我
16、们并不需要)的直流偏置电流常比较大，没有流到扬声器(此处才是我们想要的)。B类放大器的拓扑不用直流偏置电流，消耗的功率要小得多。以推挽式的方法单独控制其输出晶体管，使MH器件给扬声器提供正电流，ML器件吸收负电流。这样可降低输出级的功耗，只有信号电流流过晶体管。不过，B类放大器电路音质较差，这是因为输出电流过0时，存在非线性行为(交越失真)，晶体管在开/关状态间变化。AB类放大器是A类和B类的混合，使用一定的直流偏置电流，但比纯A类设计小得多。很小的直流偏置电流足以避免交越失真，音质很好。功耗虽然在A类与B类限之间，但通常更接近B类。与B类电路控制相似，需要有一些控制，使AB类电路能供给或吸取
17、大的输出电流。不幸的是，即使设计优秀的AB类放大器功耗也很大，这是因为其半量程输出电压一般离正或负电源轨都远。漏-源极电压降大，因此产生很大的IDS 3 VDS瞬时功耗。D类功放具有极高的效率，它产生的热量仅为线性放大器的一半。AB类放大器的效率大约是50左右，而D类放大器的效率在80以上，甚至还可以达到90。在效率、体积以及功率消耗方面，D类放大器具有明显的优势。而在广为诟病的音质方面，经过业界的努力，D类放大器的音质已与AB类放大器没有区别。而在价格上，似乎AB类放大器较为便宜，但是从系统方面考虑，由于AB类放大器要输出较大功率必然要有更大的功耗，因而其散热片也是必不可少的。而D类放大器由
18、于效率高、功耗小，因而可以省去散热片。另外，由于AB类放大器的功耗大，就需要更大体积的电源对其供电，这样也会使其开销增加。可以说，从系统方面考虑，它们的开销相差不多。因而，D类放大器的优势是显而易见的。与传统的AB类放大器相比，D类功放由于架构原因芯片成本还相对较高，另外外部通常还需要加滤波电路，成本阻碍了一部分用户使用D类功放。另外 EMI是一直困扰D类放大器发展的一个重要问题;所以如何更好地解决成本和EMI等问题，是D类放大器一个必然的发展趋势。所以，随着科学技术的发展，人们对音响体积、功耗等各方面的变化要求，D类功放放必将取代其它三类的放大器，成为主流。1.2 目前功放设计中的热点与难点
19、因为本设计主要是运用于电子琴中，所以研究的都是电子琴功放输出的问题。现在的电子琴功放中存在的研究的热点就是就是如何使用最低的成本能够获得符合标准的功放。根据我在公司工作了那么长时间以及在维修部门修理了那么多的功放板的经验来看，公司的功放都是采用稳压电源来进行供电。稳压电源的好处顾名思义：稳压，因为功率每一时刻的输出功率和声音信号的大小有关，它不可能每时每刻都工作在额定输出功率之下，而稳压电源可以为功放提供一个稳定的电压，防止因为输出功率的变化而造成有些器件出现问题从而影响声音的输出。而线性电源就是说，随着功放输出功率的变化，它能够为功放芯片提供的电压也会出现变化。所以现在的主要的难点在于使用低
20、成本的线性电源的时候，如何使得功放的输出能够符合标准，为其他元器件提供的电压虽然会出现变化，但能够不影响功放的输出。1.3 课题研究的目的和意义 单纯的从主板发送出来的音频信号不足以驱动高功率的扬声器并且其信号很微弱，所以需要对音频信号的幅度及其功率进行放大。在电源开关机的时候，会因为电路中的电容的充放电产生噪声信号，发出噪声。因为音频信号都得通过功放芯片输出，所以控制噪声的最好办法是对功放芯片进行控制。开机的时候利用电容的充电和芯片未正常启动的不定态对其进行其进行控制。关机的时候则是利用电容的放电对芯片进行控制。运放芯片采用5532，功放芯片则采用TDA7294。因为从主板发出的音频信号比较
21、微弱，所以在电容充放电的时候，一个微弱的噪声信号经过放大后都会产生很大的噪声，因为开关机的时候，有很多电容进行充放电，能够产生噪声信号的电容很多，所以不可能对每一个产生噪声信号的电容进行控制。因此采用静音控制电路直接控制功放芯片。这样可以解决开关时产生的噪声问题。本设计采用5532放大音频信号的幅度，采用TDA7294放大音频信号的功率与幅度，使用静音控制电路控制功放芯片从而解决开关机噪声的问题。从而满足设计要求，完成功放的设计。所以本设计的主要目的就是能够设计一款功放，它能够在使用线性电源的情况下其各种参数能够符合标准。而且能够解决大多数功放开关机噪声能够大的问题。第2章 系统方案的总体设计
22、本章节主要详细介绍功放的各种常见参数：额定功率、频率响应、谐波失真、讯噪比。以及系统总体方案是确定的。2.1 功放设计常见参数介绍1.功率放大器的额定功率额定功率指在规定的总谐波条件下功率放大器长期承受额定负载阻抗上的输出功率，是适用的功率。最大输出功率是在不考虑失真的情况下，给功率放大器输入足够大的信号电平，将音量开至最大时，功率放大器所能输出的最大功率。这是短时间使用的功率。峰值功率是指功率放大器在处理音乐信号时能够在瞬间输出的最大功率。峰值功率反映功率放大器处理音乐信号的能力，是一个参考功率。提高功率放大器输出功率的方法有两种方法。一种是降低负载阻抗。输出电压不变的情况下将8 改变成4
23、，理论上输出功率会增加2 倍，但因功率放大器内部直流电源容量和晶体管耗数功率的限制，实际上可提高功率为1.6 倍。另一种采用桥式跨接法，双通道立体声可选用桥接方式进行跨接使用。双通道立体声桥接后理论上是每声道的4 倍功率，实际上的输出功率约为3 倍。这种模式可选用但并不提倡。电路电桥要求每个双声道放大器的技术指标完全相同，保持0 点电位始终保持0 电位。如某个电位有点偏离，某个电路稍有点不平衡，一只功率放大器就会驱动另一只功率放大器，两只功率放大器就会产生相位差和电平差，使输出波形产生严重的失真。当不平衡状态严重时，由于相互“倒灌”可导致功率放大器的损坏。所以临时现场扩声的应急时可采用桥式接法
24、，室内固定专业音响系统均不选用。2.频率响应 在众多技术指标中，频率响应是最为人们所熟悉的一种规格。一部分放大器而言。理论上只需要做到20至2万周频率响应平直就已足够，但是真正的乐音中含有的泛音（谐波）是有可能超越这个范围的，加上为了改善瞬态反应的表现，所以对放大器要求有更高的频应范围，例如从10 Hz100 kHz等。习惯上对频率响应范围的规定是：当输出电平在某个低频点下降了3分贝，则该点为下限步率，同样在某个高频点处下降了3分贝，则定为上限频率。这个数分贝点有另外一个名称，叫做半功率点（Half Power Point）。因为当功率下降了一半时，电平恰好下降了解情况分贝。有一点必须指出的是
25、半功率点对某些电子设备及自动控制系统虽有一定的意义，但对音响器材就未必合适，因为人耳对声音的解析度可达到0.1分贝。所以有一些高级器材标称20至20K达到正负0.1分贝，这实际上经起标称10至50K+3DB规格有可能更高。顺带一提的是，频应曲线图实际上是有两幅的，在控制工程中“波特图”（Bode Plot）。其中的幅频曲线图就是我们常见的频率响应图，另一幅叫做相频曲线图，是用来表示不同频率在经过了放大器后所产生的相位失真（相位畸变）程度的。相位失真是指讯号由放大器输入端至输出端所产生的时间差（相位差）。这个时间差自然是越小越好，否则会影响负回输线路的工作。除此之外相位失真也和瞬态响应有关，尢其
26、是和近年来日益受到重视的瞬态到调失真有著密的关系。对於Hi Fi放大器而言，相位失真起码要在2020KHz+-5%范围之内。 3.谐波失真任何一个自然物理系统在受到外界的扰动后大都会出现一个呈衰减的周期性振动。举例来说，一根半米长两端因定的弦线在中间受到弹拨的话，会产生一个1米波长的振动波，称为基波（Fundemental），弦线除了沿中心点作大幅度摆动外，线的本身也人作出许多肉眼很难察觉的细小振动，其频率一般都是比基波高，而且不止一个频率。其大小种类由弦线的物理特性决定。在物理学上这些振动波被称为谐波（Harmonics）。为了方便区别，由乐器所产生的谐和波常被为泛音（Overtone）。谐
27、波除了由讯号源产生外，在振动波传播的时候如果遇上障碍物而产生反射，绕射和折射时同样是会产生谐波的。无论是基波或谐波本身都是“纯正”的正弦波，但它们合成在一起时却会产生出许多厅形怪状的波形。大家所熟悉的方波就是由一个正弦波基波加上大量的厅次（单数）谐波所组成，这也解释了为什么方波常常被用作测试讯号的原因。放大器的线路充满著各种各样电子零件，接线和焊点，这些东西可多或少都会降低放大器的线性表现，当音乐讯号通过放大器时，非线性特性会使音乐讯号产生一定程度的扭曲变形，根据前述理论这相当於在讯号中加入了一些谐波，所以这种讯号变形的失真被为谐波失真。这就不难明白为什么谐波失真常用百分比来表示。百分比小即表
28、示放大器所产生的谐波少，也就是说讯号波形被扭曲的程度低。由不同的物理系统所产生的谐波其成份也不相同。但都有一个共通点，那就是谐波的频率越高，其幅度越小。所以对音频放大器而言，使声音出现明显可闻失真的是频率最接近基波的二至三个谐波失真分量。厂商在标定产品的谐波失真时，通常只给出一项数据，例如0.1%等。可是由放大器所产生的谐波却并不是一项常数，而是一项与信号频率和输出功率有关的函数。图四表示出两台典型晶体管双声道放大器的谐波失真与讯号频率的关系曲线。图五则是一部输出为100W的晶体管放大器谐波失真与输出功率的关系曲线。由图中可见，当输出功率接近最大值时，谐波失真急剧增加。因为晶体管在接近过载（O
29、verload）的情况下会发生削波现象。将一个讯号的顶部齐平削去一块明显地是一种严重的波形畸变。谐波失真自然会大幅度增加。谐波失真并非完全一无是处，胆机的声音之所以柔美动听，原因之一是胆机主要产生偶次谐波失真。即频率是基波频率2、4、6、8、倍的谐波。因为谐波电平和频率成反比，所以2次谐波幅度大，影响也大，其余的由於幅度小，所以影响也大，其余的由於幅度小，所以影响轻微，虽然二次谐波技术上讲是失真，但由於其频率是基波的一倍，刚好是一个倍频程，也就是说右以和基波组成音乐上的纯八度。我们知道纯八度是最和谐，动听的和声。所以胆机声音甜美，音乐感丰富也就不难理解。在40年代时，有许多较“小型”的收音机故
30、意加入相当程度的二次谐波失真。目的是制造“重低音”去取悦消费者。声音右能会很过瘾，但是和高保真的要求却是完全背道而驰。 4.讯号噪声比讯号噪声比（Signal Noise Ratio）简称讯噪比或信噪比，是指有用讯号功率与无用的噪声功率之比。通常贝计量，因为功率是电流和电压的函数，所以讯噪比也可以用电压值来计算，即讯号电平与噪声电平之比值，只是计算公式稍有不同。以功北率计算讯噪比：S/N=10 log 以电压计算讯噪比：S/N=10 log 由于讯噪比和功率或者是电压成对数关系，要提高讯噪比的话便要大幅度地提高输出值和噪声值之比，举例来说，当讯噪比为100dB时，输出电压是噪声电压的一万倍，以
31、电子线路来说，这并不是一件容易的事。一台放大器如有高的讯噪比意味着背景宁静，由于噪声电平低，很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使浮音增加，空气感加强，动态范围增大。衡量放大器的讯噪比是好或者是坏没有严格的判别数据，一般来说以大约85dB以上为佳，低于此值则有可能在某些大音量聆听情况下，在音乐间隙中听到明显的噪音。除了讯噪比外，衡量放大器噪音大小也可以用噪声电平这个概念，这实际上也是一个用电压来计算的讯噪比数值，只不过分母是一个固定的数：0.775V，而分子则是噪声电压，所以噪声电平和讯噪比的分别是：前者一个绝对值，后者则一个相对数。在许多产品说明书中的规格表数据后面，常常会有一个A字，意思
32、是A-weight,即A计权，计权的意思是指将某个数值按一定规则权衡轻重地修改过，由于人耳对中频特别敏感，所以如果一台放大器的中频段讯噪比足够大的话，那么即使讯噪声比在低频和高频段稍低，人耳也不易察觉。可见如果采用了计权方式测量讯噪比的话，其数值一定会比不采用计权方式为高。以A计权来说，其数值会较不计权高约会分贝。 2.2 功放设计要求额定输出功率为50W；讯噪比为60dB以上；频率响应在20HZ到20KHZ之间；谐波失真度在10%以下；2.3 系统方案设计在功放电路中，实际的音频信号由主板提供。主板提供的音频信号首先经过4.7u的电容进行滤波，滤波之后通过反向放大器对音频信号进行放大。放大过
33、后的信号经过无源滤波器过滤后，高低频部分经过旋转电位器对其进行放大，这样就达到了控制高低频音量的目的。输出的音频信号再通过一个电位器，达到控制其音量大小的目的。然后将音频信号送入功放芯片TDA7294，对其进行功率放大，放大后的信号输入到扬声器，发出声音。本系统的静音控制电路的静音控制信号也是由主板发出，当发出信号为低电平的时候，静音控制电路开始工作。控制开关时候的噪声主要是通过电容的充放电以及芯片启动时候的不稳定态来控制的，从而达到静音控制的目的。系统的电源采用线性电源来进行供电，供电电压为+20V，+5V和+8V，因为是线性电源，所以+20V平时的电压接近30V，当功率过大的时候，电压下降
34、到一定的电压，但满足设计要求的最大输出功率。因为+20V的电压在不停的变化，所以静音控制电路处的电压要稳定，防止因为电容的充放电造成断音。整体电路框图如图2-1所示图2-1 系统整体框图初步打算在功放的第一级放大中放大倍数为2.5倍，使的第一级出来的信号满足接口板的要求，高低音大小控制区域的放大倍数大概是1.3倍左右，功放芯片处反馈放大倍数大约为10倍左右。从而保证信号的整个放大倍数大约在30倍左右。2.4 功能模块所用器件运算放大器：NJM5532M旋转电位器：100K功放IC：TDA7294三极管：NPN型9014，PNP型SS8550稳压二极管：IN4741二极管：IN4148各种规格电
35、阻与电容第3章 功放设计常用电路简介在功放设计中，常用的电路是：三极管常用电路、基本线性放大放大电路、反馈放大电路、RC滤波电路。3.1基本线性放大电路最基本的线性放大电路是同相输入放大电路和反相输入放大电路，别的电路都是由这两种电路变化组合而来。反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。瞬时电位变化极性某时刻电位的斜率。本设计中主要用到的线性放大电路是反相输入放大电路。1.反相输入放大器图3.8 反相输入放大器几样指标的近似计算：电压增益Av 根据虚短和虚断的概念vn vp 0 ， ii0所以 i1i2即：输入电阻Ri： 输出电阻Ro：Ro03.2 反馈放大电路反馈，顾名思义
36、，在电子电路中就是指将电路输出的电量（电压或者是电流）的一部分或是全部通过反馈网络，用一定的方式送回到输入回路中，以达到影响输入电量（电压或者电流）的过程。反馈具体实现了输入信号对输入信号的反作用。根据反馈的成分可以分为直流反馈和交流反馈两种：直流反馈：反馈为直流成分，影响放大电路的静态工作点。交流反馈：反馈的是交流部分，影响放大电路的带宽、增益、输入电阻、输出电阻等等反馈放大电路中根据对输入信号的影响可以分为正反馈和负反馈两种，正反馈是指使净输入信号比没有引入反馈的时候增加了，负反馈只是指净输入信号比没有引入反馈时减少。负反馈类型有四种组态：电压串联负反馈、电压并联负反馈电流串联负反馈、电流
37、并联负反馈本文中使用的是电压串联负反馈，所以主要讨论这种类型，由图3-9的可知：图3-9 电压并联负反馈反馈网络的输入端口与基本放大电路的输出端口并联连接，而反馈网络的输出端口和基本放大电路的输入端口串联连接。下图是电压串联负反馈放大电路的一个实际电路，电阻Rf与R1构成反馈网络，它跟基本放大电路A之间的连接方式上图相同。对于交流信号而言，R1上的电压Uf=R1Uo/（R1+Rf）是反馈信号，显然，当令RL=0的时候，有Uo=0，Uf=0，即反馈信号不存在，是电压反馈。在放大电路的输入端，反馈网络串联与输入回路中，反馈信号与输入信号以电压形式比较，因而是串联反馈。用瞬时极性法判断反馈极性，即令
38、Ui在某一瞬间的极性为+，经过放大电路A进行同向放大后，Uo也为+，与Uo成正比的Uf也为+，于是该放大电路的净输入电压Uid=Ui-Uf比没有反馈时减小了，是负反馈。综合上述所述，该图是电压串联负反馈放大电路。其中F=Xf/Xo为电压反馈系数Fu。显然Fu=R1/（R1+Rf）。图3-10 电压串联负反馈电路图电压负反馈的重要特点是具有稳定稳定输出电压的作用。如上图所示，当Ui一定的时候，由于负载电阻RL减小而使Uo下降时，该电路能自动进行一下调节过程可见，电压负反馈能够减小Uo受RL等变化的影响，说明电压负反馈放大电路具有较好的恒压输出特性。因此，可以说电压串联负反馈放大电路是一个电压控制
39、的点电压源。使用负反馈后可以可以使闭环增益下降之外还会影响放大电路的很多别的性能。1、提高增益的稳定性放大电路的增益可能由于元器件参数的变化、环境温度的变化、电源电压的变化、负载大小的变化等因素的影响而不稳定，引入适当的负反馈后，可以提高闭环增益的稳定性当负反馈很深的时候，即（1+AF）1时Af=1/F这就是说引入负反馈后，放大电路的增益决定于反馈网络的反馈系数，而与基本的放大电路几乎毫无关系。反馈网络一般由稳定性能优于半导体三极管的无源器件（R、C）组成。因此闭环增益是比较稳定的。在一般情况下，增益的稳定性常用有、无反馈时候的增益的相对变化量来进行衡量。用dA/A和dAf/Af分别表示开环和
40、闭环增益的相对变化量。则dAf/Af=(1/a+AF)dA/A该式表明，引入负反馈后，增益的相对变化量为开环增益相对变化量的1/(1+AF)，即闭环增益的相对稳定度提高了，(1+AF)越大，即负反馈越深，dAf/Af越小，闭环增益的稳定性也就越好。2、减小非线性失真多级放大电路中输出级的输入信号幅度比较大，在动态过程中，放大器件可能工作到它的传输特性的非线性部分，因而使得输出波形产生非线性失真，因而使输出波形产生非线性失真。引入负反馈后，可以使这种非线性失真减小。如下面的曲线所示，该曲线斜率的变化反映了增益随输入信号的大小而变化。UO和U1间的这种非线性关系，说明若输入信号幅度比较大，输出就会
41、产生非线性失真。引入深度负反馈(1+AF)1之后,由图的，闭环增益近似于1/F，所以该电压放大电路的闭环电压传输特性可以近似为一条直线，如图中2所示。与曲线1相比，在输出电压幅度相同的情况下，斜率虽然变小了，但增益因为输入信号的大小而改变的程度却大大减小了，这个说明Uo与U1之间几乎呈线性关系，亦即减小了非线性失真。负反馈减小非线性失真的程度与反馈深度(1+AF)有关。图3-10 引入反馈前后输出波形可以抑制反馈环内噪声对于放大电路来说，噪声或干扰是有害的。当存在反馈的时候，可以可以抑制反馈环内噪声假设干扰电压为Vn。当没有反馈环的时候，如图3-11所示，信噪比为：S/N=|Vs|/|Vn|为
42、提高电路的信噪比，另外增加一个增益为Av2的前置极，并且认为该极是没有噪声的，然后对整体电路增加一个反馈系数为Fv的反馈网络。如图3-12所示，则反馈系统输出的电压表达式为：这样可以得到信噪比为：S/N=|Av2|Vs|/|Vn|它比原来的信噪比提高了|Av2|倍。图3-11 无反馈环时框图图 3-12 有反馈环时框图3.对输入电阻和输出电阻的影响(1)串联负反馈对输入电阻的音响由图3-13可知开环输入电阻为：Ri=Uid/ii有负反馈的时候闭环输入电阻为Rif=ui/ii而：ui=uid+uf=(1+AF)uid所以：Rif=（1+AF）uid/ii=(1+AF)Ri由此可知，引入串联负反馈
43、后，输入电阻增加了。闭环输入电阻是开环输入电阻的（1+AF）倍。当引入电压串联反馈的时候，Rif=(1+AuFu)Ri图 3-13 输入电阻分析框图(2)电压负反馈对输出电阻的影响由于电压反馈能使放大电阻的输出电压趋于稳定，因此电压负反馈可以使放大电路的输出电阻减小。图3-14是求电压负反馈放大电路输出的基本框图。其中Ro是基本放大电路的输出电阻（开环输出电阻），Ao是基本放大电路在负载RL开路时的增益。按照求放大电路输出电阻的方法，图中已令输入信号源Xs=0，且忽略了信号源Xs的内阻RS，将RL开路，使得Rl为无穷大，在输出端加上一个测试电压Vt，于是闭环输出电阻为：Rof=Vt/it为了简
44、化分析，假设反馈网络的输入电阻为无穷大，这样，反馈网络对放大电路输出端没有负载效应。由图3-14的：Vt=itRo+AoXidXid=-Fvt将上两式合并的：Vt=itRo-AoFVt于是得：Rof=Vt/it=Ro/(1+AoF)引入电压负反馈后，输出电阻减小。闭环输出电阻是开环输出电阻的1/(1+AoF)倍。当引入电压串联负反馈的时候，Rof=Ro/(1+AvoFv)。图 3-14 输出电阻分析框图3.3 RC电路高通与低通响应3.3.1 RC高通电路图3-15为高通电路图，其频率响应为其幅频特性为 其相频特性为 上式表示输出电压相位总超前于输入电压相位，。图3-15 RC高通电路图3-1
45、6 是波特图采用与低通电路同样的折线似方法，可画出高通电路的幅频和相频响应波特图如图所示图 3-16 波特图3.3.2 RC低通滤波图3-17是RC低通滤波其频率响应为:其幅频特性为其相频为 表示负值，即输出电压总是滞后于输入电压。图 3-17 RC低通滤波幅频响应波特图可以用图3-18中的两条直线来表示图3-18 幅频响应与相频响应波特图当 时用分贝来表示：当 时用分贝表示为：此直线的斜率为20dB/十倍频程，它与零分贝线在 处相交。相频响应图如3-18所示根据式（5）作出相频响应，它可用三条直线来近似描述：（1）当 时， ，得一条 的直线。（2）当 时， ，得一条 的直线。（3）当 时，
46、。由于当 或 时，相应可近似得 和 ，故在 和 之间，可用一条斜率为 /十倍频程的直线来表示，于是可画得相频响应如图2(b)所示。第4章 系统设计4.1系统设计工具PADS是一款优秀的EDA设计软件，是PADS2005的升级版本，包括PADS Logic、PADS Layout、PADS Router三个部分。其中，PADS Logic通过自动的编排管脚和门的序号，通过整个设计连接信号名，以及使用宏命令自动进行重复的任务，结束了设计输入的苦差事。对于精确是设计您可以在 PADS Logic中定义属性，它们可以在整个设计过程中均有效。PADS Logic可以通过集成的ECO功能自动地进行电气规则检查，以确保设计的完整性。ECO功能确保每一次的工程变更命令，不管是在原理图还是布线中，都可以自动地在设计中反映。 PADS Logic带有简单的设计规则输入，用来定义物理设计的要求。所有的设计规则都可以自动地被传输到PADS Layout（PowerPCB）中，并可以利用在线的设计规则检查的功能进行监视，以确保设计的正确性。 此外，PADS Logic提供了一个强有力的原理图输入功能和高效率的特点以保证快速、准确地完成整个设计任务。PADS Layout（PowerPCB）是复杂的、高速印制电路板的最终选择的设计环境。它是一个强有力的基于形状化(shape-based)、规则驱动 (r
