單電源寬范圍音頻放大器設計與實現

魏建軍

針對便攜式音頻處理中對音頻放大器電路結構簡單，系統功耗低，頻率范圍內放大倍數恒定的要求，采用了集成式單電源儀表放大器，提供軌到軌輸出擺幅，放大倍數通過反饋電阻在芯片外設定。輸入和輸出都采用電阻偏置，節省基準電源芯片。所實現的單電源寬范圍音頻放大器，可對音頻信號進行無失真放大，而且外圍器件需求少。測試結果表明單電源寬范圍音頻放大器可在40Hz-20Khz的頻率范圍內，對信號進行恒定無失真放大，可以應用在便攜式低功耗音頻處理中。

【關鍵詞】便攜式 單電源 寬范圍 低功耗 音頻處理 無失真 恒定放大

1 引言

隨著計算機技術，通訊技術和電子技術的不斷發展，圖像，視頻和音頻等多媒體數據已逐漸成為信息處理領域中主要的信息媒體形式，其中音頻信息占有重要的地位。寬帶音頻通信系統對傳輸信號有效帶寬的限制會降低重建音頻的主觀質量和自然程度。人們并不滿足于現有的寬帶音頻通信質量，并期望獲得更加明亮而富有表現力的音頻服務。為此，如何使寬帶音頻系統獲得或接近超寬帶音頻的主觀聽感成為了音頻通信領域亟待解決的問題。

麥克風輸出的音頻信號微弱，需要進行放大以便于進行傳輸，分析，降噪等處理。單電源電路結構簡單，對外部器件需求少，獲得了廣泛的應用。音頻信號的頻率范圍為300Hz-3.4KHz，為了不失真的獲得音頻信號，要求在這個范圍內放大器的放大倍數保持恒定。隨著技術的不斷發展，人們對功耗的要求越來嚴格，功耗已經成為一個產品的重要技術指標，在滿足性能的前提下盡量降低產品的功耗。結構簡單，可靠性高，穩定工作和成本低廉一直是對放大器的追求。元器件、電路模式、結構設計等都對音頻放大器具有重要的作用，在設計階段需要仔細比較，使之適合所用場合。

2 單電源寬范圍音頻放大器設計

單電源寬范圍音頻放大器的核心模塊是音頻放大器，選擇合適的音頻放大器可以降低設計的難度，獲得優良的性能。AD623是ADI公司一款集成式單電源或雙電源儀表放大器，可提供軌到軌輸出擺幅。連接外部電阻時，AD623可通過編程實現最高增益1000。AD623具有寬輸入共模范圍，可以放大共模電壓低至地電壓以下150mV的信號。AD623可采用單極性電源供電，能保持極優的性能。所以本次單電源寬范圍音頻放大器設計中采用AD623芯片。

為了簡化外部器件，AD623的輸入偏置，輸出偏置都采用電阻偏置的方式，參考電壓也采用電阻分壓的方式獲得。其電路如圖1所示。

音頻放大器對音頻信號的放大倍數為67，根據芯片AD623的數據手冊

Vo=（1+100K/Rg）*Vi （1）

計算可得，AD623的反饋電阻R6設置為1.5K歐姆，輸入偏置電阻R1，R2，R4和R5給運放提供輸入偏置，由于處于放大器的輸入端，需要考慮功耗，噪聲，信號的頻率特性等方面的因素。輸出偏置電阻R7和R8對總的噪聲影響不大，但也要考慮功耗和音頻信號的頻率特性。輸入輸出C1和C2都采用電容耦合。電源線上增加兩個電容C3和C4，分別濾除低頻噪聲和高頻噪聲。在單電源應用條件下，AD623芯片的負電源端管腳4接地。

運放AD623由有源器件構成，由于有源器件的特性是非線性的，在放大過程中總會產生高階諧波，影響信號的質量，電阻R9，電容C5和C6構成低通網絡，降低AD623輸出的高階諧波，提高輸出的信噪比。

3 單電源寬范圍音頻放大器仿真結果

采用Hspice仿真器對圖1所設計的單電源寬范圍音頻放大器進行仿真，電源電壓為5V，負載為0.1uF的電容，AD623模塊采用廠家提供的spice模型。

在300Hz～3.4kHz的頻率范圍內仿真單電源寬范圍音頻放大器的頻率響應，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，在300Hz～3.4kHz的頻率范圍內所設計的電路的放大倍數在66-68之間，起伏較小，可以對音頻信號進行無失真的放大。

對單電源寬范圍音頻放大器進行噪聲仿真，總輸出噪聲為2.17u sq V/Hz，輸出噪聲小，單電源寬范圍音頻放大器輸出信號可達到V，遠遠大于輸出噪聲，所以線路自身噪聲幾乎不會影響信號質量。電路的功耗為17mW，滿足一般便攜式場合對功耗的限制。

4 測試結果

按照圖1的電路圖制做PCB板，如圖3所示。

對圖3所示電路進行測試，單電源供電，電源電壓+5V。輸入輸出信號如圖4所示。

圖中上部為輸入信號，單位為50mV/格， 下部為輸出信號，單位為1V/格，從圖中可以看出， 所設計的單電源寬范圍音頻放大器可以對信號進行有效放大，并濾除了噪聲干擾。

測試表明，在40Hz-20KHz的頻率范圍內，所實現的電路都能正常工作，對信號進行恒定放大，放大倍數為67。

5 總結

采用AD623設計的單電源寬范圍音頻放大器簡化了電路設計，不需要外部偏置電路，可以對音頻范圍內的信號進行無失真放大，功耗低，噪聲小。測試結果表明單電源寬范圍音頻放大器可在40Hz-20KHz的頻率范圍內，對信號進行恒定無失真放大，可以應用在便攜式低功耗音頻處理中。

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作者單位

1.西安電子科技大學 陜西省西安市 710071

2.蘇州林華通信科技有限公司 江蘇省蘇州市 215513

3.太原理工大學 山西省太原市 030024