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单电源宽范围音频放大器设计与实现
作者：魏建军
来源：《电子技术与软件工程》2018年第01期
针对便携式音频处理中对音频放大器电路结构简单，系统功耗低，频率范围内放大倍数恒定的要求，采用了集成式单电源仪表放大器，提供轨到轨输出摆幅，放大倍数通过反馈电阻在芯片外设定。输入和输出都采用电阻偏置，节省基准电源芯片。所实现的单电源宽范围音频放大器，可对音频信号进行无失真放大，而且外围器件需求少。测试结果表明单电源宽范围音频放大器可在40Hz-20Khz的频率范围内，对信号进行恒定无失真放大，可以应用在便携式低功耗音频处理中。
【关键词】便携式 单电源 宽范围 低功耗 音频处理 无失真 恒定放大 1 引言
随着计算机技术，通讯技术和电子技术的不断发展，图像，视频和音频等多媒体数据已逐渐成为信息处理领域中主要的信息媒体形式，其中音频信息占有重要的地位。宽带音频通信系统对传输信号有效带宽的限制会降低重建音频的主观质量和自然程度。人们并不满足于现有的宽带音频通信质量，并期望获得更加明亮而富有表现力的音频服务。为此，如何使宽带音频系统获得或接近超宽带音频的主观听感成为了音频通信领域亟待解决的问题。
麦克风输出的音频信号微弱，需要进行放大以便于进行传输，分析，降噪等处理。单电源电路结构简单，对外部器件需求少，获得了广泛的应用。音频信号的频率范围为300Hz-3.4KHz，为了不失真的获得音频信号，要求在这个范围内放大器的放大倍数保持恒定。随着技术的不断发展，人们对功耗的要求越来严格，功耗已经成为一个产品的重要技术指标，在满足性能的前提下尽量降低产品的功耗。结构简单，可靠性高，稳定工作和成本低廉一直是对放大器的追求。元器件、电路模式、结构设计等都对音频放大器具有重要的作用，在设计阶段需要仔细比较，使之适合所用场合。 2 单电源宽范围音频放大器设计
单电源宽范围音频放大器的核心模块是音频放大器，选择合适的音频放大器可以降低设计的难度，获得优良的性能。AD623是ADI公司一款集成式单电源或双电源仪表放大器，可提供轨到轨输出摆幅。连接外部电阻时，AD623可通过编程实现最高增益1000。AD623具有宽输入共模范围，可以放大共模电压低至地电压以下150mV的信号。AD623可采用单极性电源供电，能保持极优的性能。所以本次单电源宽范围音频放大器设计中采用AD623芯片。 为了简化外部器件，AD623的输入偏置，输出偏置都采用电阻偏置的方式，参考电压也采用电阻分压的方式获得。其电路如图1所示。
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音频放大器对音频信号的放大倍数为67，根据芯片AD623的数据手册 Vo=（1+100K/Rg）*Vi （1）
计算可得，AD623的反馈电阻R6设置为1.5K欧姆，输入偏置电阻R1，R2，R4和R5给运放提供输入偏置，由于处于放大器的输入端，需要考虑功耗，噪声，信号的频率特性等方面的因素。输出偏置电阻R7和R8对总的噪声影响不大，但也要考虑功耗和音频信号的频率特性。输入输出C1和C2都采用电容耦合。电源线上增加两个电容C3和C4，分别滤除低频噪声和高频噪声。在单电源应用条件下，AD623芯片的负电源端管脚4接地。
运放AD623由有源器件构成，由于有源器件的特性是非线性的，在放大过程中总会产生高阶谐波，影响信号的质量，电阻R9，电容C5和C6构成低通网络，降低AD623输出的高阶谐波，提高输出的信噪比。
3 单电源宽范围音频放大器仿真结果
采用Hspice仿真器对图1所设计的单电源宽范围音频放大器进行仿真，电源电压为5V，负载为0.1uF的电容，AD623模块采用厂家提供的spice模型。
在300Hz～3.4kHz的频率范围内仿真单电源宽范围音频放大器的频率响应，结果如图2所示。
从图2可以看出，在300Hz～3.4kHz的频率范围内所设计的电路的放大倍数在66-68之间，起伏较小，可以对音频信号进行无失真的放大。
对单电源宽范围音频放大器进行噪声仿真，总输出噪声为2.17u sq V/Hz，输出噪声小，单电源宽范围音频放大器输出信号可达到V，远远大于输出噪声，所以线路自身噪声几乎不会影响信号质量。电路的功耗为17mW，满足一般便携式场合对功耗的限制。 4 测试结果
按照图1的电路图制做PCB板，如图3所示。
对图3所示电路进行测试，单电源供电，电源电压+5V。输入输出信号如图4所示。 图中上部为输入信号，单位为50mV/格， 下部为输出信号，单位为1V/格，从图中可以看出， 所设计的单电源宽范围音频放大器可以对信号进行有效放大，并滤除了噪声干扰。 测试表明，在40Hz-20KHz的频率范围内，所实现的电路都能正常工作，对信号进行恒定放大，放大倍数为67。
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5 总结
采用AD623设计的单电源宽范围音频放大器简化了电路设计，不需要外部偏置电路，可以对音频范围内的信号进行无失真放大，功耗低，噪声小。测试结果表明单电源宽范围音频放大器可在40Hz-20KHz的频率范围内，对信号进行恒定无失真放大，可以应用在便携式低功耗音频处理中。 参考文献
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