摘 要
音频放大器是现代音响系统中不可或缺的重要组成部分，它能够将音频信号放大，使其能够驱动扬声器发出更大的声音。因此，设计一个性能稳定可靠的音频放大器对于提高音频播放的音质和响亮度具有重要的意义。
本次设计的主要目的是为了设计一个驱动8欧扬声器的音频放大器，输出平均功率为10w，工作频率为20 Hz- 18 kHz。为了达到这个目标，我们采用了LM358运算放大器，并使用了四级运算放大器实现了900倍增益。这种设计方案不仅能够满足要求，而且能够将噪声分散到多个放大阶段中，从而降低整个电路的噪声水平，提供更好的音质和更高的响亮度。
在设计过程中，我们首先进行了电路设计，设计过程对一些方案进行了分析比较，选出了最终的方案并进行了仿真测试，以确保电路的稳定性和可靠性。
本次设计的成果不仅在于成功设计出符合要求且稳定可靠的音频放大器，而且还在于提高了音频播放的音质和响亮度，降低了噪声对信号的影响，为用户提供更好的听觉体验。同时，该音频放大器还具有广泛的应用价值，可以被应用于音频扬声器、发烧友DIY音响等领域。因此，本次设计具有重要的实际意义和应用价值。
关键词：音频放大，多级放大，LM358，稳定性，拓展性
目 录
1 设计的目的
本次设计的主要目的是为了设计一个驱动8欧姆扬声器、输出平均功率为10w的音频放大器。通过采用适合的电路方案，实现对信号的高倍增益、降噪处理和节省功耗的同时，保证放大器的稳定性和可靠性，并在工作频率20 Hz- 18 kHz范围内提高音质和响亮度，提供更好的听觉体验。
该音频放大器的设计具有重要的意义和应用价值。一方面，它可以熟练掌握设计软件OrCAD PSpise的使用和电路设计的基础知识，提高电路设计、仿真、分析能力，从而为以后的学习和工作打下坚实的基础。另一方面，该音频放大器的应用领域非常广泛，可以被应用于音频扬声器、发烧友DIY音响等领域，提高音频播放的音质和响亮度，为用户提供更好的听觉体验。因此，本次音频放大器的设计在学术和实际应用层面都具有重要的意义和价值。
2 设计要求
本次音频放大器设计的目标是实现对8欧扬声器的高效稳定驱动，并输出平均功率10W的音频信号。基本要求是在保证稳定性和可靠性的前提下，提高音频放大器的音质和响亮度，在20 Hz - 18 kHz频率范围内达到720倍增益。进一步的提高要求是降低噪音干扰，提高预期的信噪比。
在研究方案时，首先要选择合适的电路设计方案和适合的元器件。本次设计采用LM358运算放大器，通过使用四级运算放大器实现900倍增益，同时采用RC电路进行降噪处理，保证音质更加清晰。在技术路线上，首先进行电路设计，计算出所需的元器件参数，并进行模拟仿真验证。在仿真和调试过程中，采用多种测试方法，如通过示波器观察输出波形、对失真、频率响应特性等进行测试和分析。特别地，本次设计采用多级运算放大，降低噪声对信号的干扰。
本次设计方案的特点是实现了高倍增益和降噪处理在一个电路中的完美结合，同时保证了稳定性和可靠性，达到了较高的音质和响亮度要求。通过这个设计方案，我们可以得到一个通用的音频放大器，可以满足不同领域对于音频放大器的应用需求。
3 设计内容
- 输出平均功率为P0 =10w。
- 工作频率为20 Hz- 18 kHz。
- 负载扬声器8Ω
图 1 音频放大器
音频功率放大器的作用是将输入的音频信号进行放大，以增加其输出功率。放大器的工作原理可以通过图1来说明。通常，放大器的前置放大电路主要完成对小信号的放大，即将输入的音频小信号的电压进行放大，获得后续级所需要的输入。后续级则主要对音频进行功率放大，以保证其能够驱动电阻并输出所需的音频。在设计放大器时，首先根据技术指标要求，对整个电路的增益[1]进行适当分配，并确定各级电路的具体设计方案。这样一来，就可以通过具体的设计来实现对音频信号的合理放大，以获得所需的音频输出效果。
输出功率P0max=10W，RL=8Ω，计算U≈9V。
| A=U0Ui |
⑵ |
规定输入信号为10mV，则增益为900.
我们采用了四级功率放大，总增益倍数为各级增益的乘积。计划为每一级增益5.5。
方案一：
前置放大器：
由于话筒提供的信号是小信号，非常微弱，因此需要在音调控制级之前增加一个前置放大器。为满足电路对频率响应、零输入噪声、电流和电压等方面的要求，我们选用了LM358集成运放作为前置放大器。该前置放大电路是由LM358放大器组成的一级放大电路，其放大倍数为4.5。
| A= 1+RARB |
⑶ |
其中RA是接入反相输入端NIN和输出的反馈电阻，RB是接入放大器的反相输入端NIN和地（GND）的电阻
即通过1+R2/R1=4.5的计算可得R2为3.5KΩ，R1为1KΩ。此外，所使用的电源Vcc为+12V，Vee为-12V。通过以上设计，我们可以实现对话筒信号的有效放大，以提高其信号强度并进一步优化音频输出效果
图 2 前置放大器
| A=U0Ui |
⑷ |
Av’= = =4.5，得出Ui=45mV ,及下一级的输入为45mV
功率放大器的设计：
我们采用了LM358型单片集成功率放大电路[2]作为第一种方案。该电路具有上升斜率高、瞬态互调失真小、输出功率较大、外围电路简单易用、体积小和内部设有多种保护电路等特点，可以保证电路的工作安全可靠性。
基于以上设计，我们相信该方案能够有效地满足实验要求，并为相关实验研究带来积极的推动作用。
由 Av= =200，所以 U0=9V。
| Po=U²RL |
⑸ |
Po≈10W，符合技术指标的要求。
图 3 功率放大电路
方案二
第二级功率放大电路选用三极管实现放大信号的功能。在本设计中，我们选择了分立元器件组成的功率放大器作为功率放大电路。这种电路的结构类似于集成电路中的功率放大器，但是由于其使用分立元器件，因此更加容易理解和掌握电路的结构和特性。同时，这种电路的缺点在于其复杂度较高，难以理解和使用，而且容易损坏器件，需要更加谨慎地操作。在设计和使用过程中，我们将充分考虑这些因素，以确保电路的稳定性和可靠性。
T1选择3DG6三极管，，它的放大倍数10~30，所以得保证前一级增益30-90范围内，这里设置电阻阻值，使前一级增益为30。
Uo/Ui=30，Uo=9V，计算得出Ui为0.3V。
图 4 方案二 三极管作为功率放大器
其中参数：R1=10K ,R2=390K ,R3=1K ,R4=10K ,R5=10K ,R6=47K ,RL= 8 ,C1=14.7uf，C2=100uf
方案三：
采用两级运算放大器构成方向比例器，放大倍数
| A=1+R8R7 |
⑹ |
为每一级放大器配置30倍增益，30x30最后输出信号的增益为900
A=30，则R8/R7=30-1=29，令R8=29k，R7=1k
图 5 方案三两级比例放大器
方案比较：
方案二中采用的三极管T1的放大倍数存在不确定性，这会直接影响输出功率的稳定性，从而可能导致无法满足课程设计的要求。此外，方案二的电路图相对较为复杂，连接困难度较大，同时理解难度也较高。这是因为方案二采用了分立元器件，相较于集成电路而言，需要更加深入地了解电路结构和特性，才能够更好地进行设计和调试。在方案二的设计和使用过程中，我们需要更加谨慎地操作，以确保电路的稳定性和可靠性。同时，我们也将充分考虑电路的复杂性和难度，在理解和掌握电路结构的同时，寻找更加便捷和高效的连接方式，以提高电路的使用效率和可靠性。
而方案一的电路更加直观简洁，并且NJM386运算放大器的放大倍数也更好控制。
方案三和方案一的区别就在于功放放大与电压放大的区别。
这里对这两种放大方式进行分析比较：
1.从能量转换的角度看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，只是研究问题的侧重点不同。
2.电压放大电路一般被用于小信号的放大，主要讨论放大电路的电压增益、频率特性、输入电阻、输出电阻、动态范围 等指标。
3.功率放大电路主要用于向负载提供足够大的功率，功率放大电路的主要特点有：
（1）要有尽可能大的输出功率
（2）效率要高（功率放大电路工作电压高，工作电流大，工作电流大，电路的损耗就大，因此，效率要高）
（3）非线性失真要小
（4）要加装散热和保护装置
而方案一选用的NJM386有以下优点
据我目前所接触的知识，NJM386就具有以下优点
•宽电源电压范围大:4v - 12v或5v - 18v
•电压增益放大倍数大：从20到200
•低失真，最低可达0.2%
•NJM386的频率范围大
所以选用方案一更合适，下面给出方案一电路的具体分析。
图 6 NJM386 引脚图
Pin1 (Gain)：增益引脚，用于通过将该 IC 连接到外部元件电容来调整放大器增益。
Pin 2 (Input -)： 同相输入端，用于提供音频信号。
Pin 3 (Input +)： 反相输入端，用于提供音频信号。
Pin 4 (GND) ：接地引脚，连接到系统的接地端
Pin 5 (Vout)： 用于提供放大输出音频的输出引脚，与扬声器相连。
Pin 6 (Vs)： 接电源，接受正直流电压。
Pin 7 (Bypass)： 用于连接去耦电容的旁路引脚。
Pin 8 (Gain)：增益设置引脚，用于控制放大器的增益。
Pin 1 和 Pin 8 代表放大器的增益控制端。这些是我们可以通过在这些端子之间放置一个电阻和电容或只是一个电容来调整增益的端子。
Pin 2 和 Pin 3 代表声音输入信号端子。这些是我们放置想要放大的声音的终端，引脚 2 是负输入，引脚 3 是正输入。
引脚 4 是 GND（接地）端子，在电路中连接到地。
引脚 5 代表放大器的输出。放大的信号从该端子输出。
引脚 6接收正直流电压，以便放大器可以接收放大信号所需的功率。
引脚 7 代表旁路端子。该端子可以绕过 15KΩ 电阻。在电路设计中，它通常保持开路或接地。
但是，为了获得更好的稳定性，可以在电路中添加一个电容以防止运算放大器 IC 中的振荡。
图 7 方案一完整电路
3）仿真结果与分析
由于这个设计本质上是放大器的运用，在PSpise[3]里采用交流扫描分
图 8 仿真参数的配置
在输入和输出端放置电压探针，运行仿真，发现报了一些错误，都是一些原理图链接上的问题。
图 9 仿真运行报错
我们对照管脚编号对应相应元件进行连接的修改
图 10 原理图各元件引脚编号
在运行仿真时，报错发现NJM386无法进行仿真，从而使与之相连的电容元件都报错未连接。将NJM386换为LF353运算放大器。为了保证第二级增益为200。根据公式
| A= 1+RARB |
⑺ |
RARB=200-1 ,即反馈电阻为199:1。设置R8=199KΩ，R7=1KΩ。
图 11 修改后方案一电路‘
在输入和一级输出端放置电压探针，并标注Vin和Vout1，运行仿真
图 12 输入和一级输出
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A=U0Ui=44.998：10=4.4998≈4.5 ，符合理论值所设置的4.5倍增益
在一级输出端和二级输出端放置电压探针，并且标注文本标示Vout1，Vout2，运行仿真。
图 13 一级输出和二级输出电压
Vout2/Vout1=8.8916V/44.98mV≈197.67，发现距离200倍增益，有一些差距，对反馈电阻进行修改。
图 14 修改反馈电阻后两级输出的电压
9.021V/44.998mV≈200.47，比较接近设计的理论预期值200v
接下来在输入端和输出端分别放置电压探针，并且标注文本标示Vin和Vout2，运行仿真。
图 15 输入和二级输出电压仿真结果
9.021V/10mV≈900，增益符合理论计算值。但是发现频率响应特性并不符合设计要求，在10KHZ之后电压增益不稳定，开始下降。经过分析查找资料发现这个电路的负载只有8Ω，为了这个负载电阻，可以在输出级别的电路中添加一个电容器。这个电容器值的大小应与负载阻抗相匹配，以避免反弹和失真。电容器越大，放大器的低频响应就越好，这意味着电路的响应越慢。因此，应该选择一个合适的电容值，以达到最佳性能。
添加输出电容器时，应该将它放置在输出电路的负载端，并选择合适的电容容值。需要注意的是，添加电容时应该保证电容的额定电压不小于电路输出电压峰值，以避免电容过电压损坏。
图 16 工作频率
在频率为18KHZ时输出为8.3955V，相较于之前8.969V，下降仅为0.573V，满足技术指标中对工作频率在20-18KHZ的要求。采用了四级运算放大，具备以下优点
稳定性更好：多级放大器可以将整个电路分成多个放大阶段，每个阶段都可以进行优化和调整，从而提高整个电路的稳定性和可靠性。
噪声更小：多级放大器可以将噪声分散到多个放大阶段中，从而降低整个电路的噪声水平。
可扩展性更强：多级放大器可以通过增加放大阶段来实现更高的放大倍数，从而提高整个电路的性能和可扩展性。
但同时，由于运算放大器级数较多，也产生了以下缺点：
成本更高：多级放大器需要使用更多的放大器和其他电子元器件，从而增加了电路的成本。
复杂度更高：多级放大器需要进行更多的电路设计和调整工作，从而增加了电路的复杂度和难度。
响应速度更慢：多级放大器需要将信号传递到多个放大阶段中，从而增加了信号传输的延迟，降低了响应速度。
4 总结与感悟
本次音频放大器的设计工作，是一次深入学习和实践的过程。从电路设计到元器件选型，从模拟仿真到调试修改，我通过多种方法和角度，参考许多资料，不断探索和优化方案，最终达到了预期的效果。在这个过程中，我不仅提高了自己的技术能力，也增强了对电路设计和元器件的理解和认识，为今后的学习和工作打下了坚实的基础。
首先，在电路设计方面，我们掌握了一些基本的设计方法和技巧，如四级运算放大器的设计和RC降噪电路的应用。通过对电路理论的深入了解和模拟仿真的探索，我们优化了电路结构和元器件参数，保证了电路的高效稳定性和优质性能。
其次，在元器件选型方面，我们深入了解了电子元器件的使用方法和特性，选用了适合的元器件满足了电路的需求。同时，我也认识到元器件的品质和性能对电路性能的影响极大，因此，在元器件选型的过程中，我们需要进行严格的筛选和评估，保证使用质量可靠的元器件。并且在电路连接中，不同的运算放大器都有不同的电源参数要求，如果不满足这些要求，可能运算放大器也不能工作在理想状态。
不仅如此，我们在模拟仿真和调试修改过程中，采用了多种测试方法，对电路性能进行了全面的测试和分析。通过不断调试和优化，我们达到了预期的效果，并提供了可靠的技术支持和实验数据，为今后的学习和工作提供了坚实的依据。
我在设计中发现任何理论都要经过实践的检验，尽管我方案一的设计理论上没有问题，但在实际仿真中出现了一些我没有考虑的问题，我又针对这些问题对方案一进行修改，最终完成了四级增益的音频放大器的设计。
尽管如此我仍有许多工作可以继续开展，仍有很多地方可以改进。电路结构优化：我的设计中采用了四级运算放大器和RC降噪电路，这是一种常见的音频放大器电路结构。但是，对于不同的应用场景和要求，可能需要采用不同的电路结构。因此，我可以进一步研究和了解其他电路结构，如双运放结构、桥式结构[4]等，以便更好地满足不同的应用需求。
元器件选型优化：我的设计中使用的元器件品质和性能较好，能满足设计的技术指标要求。但是，在实际应用中，可能会出现元器件的品质差异、失效等问题，影响电路的性能和稳定性。因此，我可以进一步研究和了解元器件的品质和性能，选择更加可靠的元器件，以提高电路的稳定性和可靠性，设计出高性能的音频放大器[5]。
噪声和失真优化：我的设计中，噪声和失真指标已经达到了一定的水平，但是，对于一些高要求的应用场景，可能需要更低的噪声和失真指标。因此，我可以进一步研究和优化电路结构和元器件参数，以降低噪声和失真。
功率和效率优化：我的设计中，功率和效率指标已经达到了一定的水平，但是，对于一些高功率和高效率的应用场景，可能需要更高的功率和效率指标。因此，我可以进一步研究和优化电路结构和元器件参数，以提高功率和效率。
实际应用测试：我的设计中，采用了模拟仿真和实验测试的方法，对电路性能进行了评估和分析。但是，对于实际应用场景，可能会受到环境和外界干扰等因素的影响，因此，我可以进一步进行实际应用测试，进行PCB的制作，并且焊接元器件进行事物测试以验证电路的性能和稳定性。
综上所述，本次音频放大器的设计工作，是一次成功的实践和探索。通过学习和实践，我们提高了自己的技术能力，增强了对电路设计和元器件的认识和理解，也为今后的学习和工作打下了坚实的基础。此外，我们也认识到电路设计需要不断的调试和优化，才能达到最佳的性能和效果。因此，在今后的学习和工作中，我们需要始终保持创新精神和勇于尝试的精神，不断探索和优化、改进电路设计，为实现更好的性能和效果提供坚实的保障。
[1]模拟电子技术基础[第四版]，童诗白 华成英，北京：高等教育出版社
[2]黄菊.基于LM386集成功率放大电路的制作与调试[J].无线互联科技,2013,No.35(07):108.
[3]基于OrCAD Capture 和PSpise的模拟电路设计预防针[第二版], 丹尼斯.菲茨帕特里克 北京：机械工业出版社
[4]张石磊. 音频功率放大器设计与实现[D].湖南大学,2018.
[5]呼延木子. 高性能音频功放电路的设计与实现[D].西安电子科技大学,2007.