运算放大电路在音频放大电路中的应用研究与实现「建议收藏」

运算放大电路在音频放大电路中的应用研究与实现「建议收藏」1、导言放大电路是构成各种功能模拟电路的基础电路,也是对模拟信号最基本的处理。音频信号可以分解成若干频率的正玄波之和,其频率分为在20Hz~20KHz。不当的放大电路会造成音频信号的失真,亦会带来干扰和噪声。所有电子信息系统组成的原则都应包含:1、满足功能和性能要求,2、尽量简单,3、电磁兼容,4、调试应用简单。因此本文就来研究在不会增大电路复杂度的前提下,如何实现音频信号放大的同时对信号进…

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

1、导言
放大电路是构成各种功能模拟电路的基础电路,也是对模拟信号最基本的处理。音频信号可以分解成若干频率的正玄波之和,其频率分为在20Hz~20KHz。不当的放大电路会造成音频信号的失真,亦会带来干扰和噪声。
所有电子信息系统组成的原则都应包含:1、满足功能和性能要求,2、尽量简单,3、电磁兼容,4、调试应用简单。
因此本文就来研究在不会增大电路复杂度的前提下,如何实现音频信号放大的同时对信号进行优化。
2、常见运算电路对音频信号的处理
2.1反相比例运算电路
图1所示为反相比例运算电路,Uin通过电阻R1作用于集成运放的反相输入端,同相输入端通过补偿电阻R3接地。R3的作用是保持运放输入级差分放大电路具有良好的对称性,从而提高运算精度。
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图1
其中:
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该电路的输出电阻=0,因而具有很强的带负载能力,由于“虚短”反相输入端电压,故输入电阻,由于,说明集成运放的共模输入电压为0。即,该电路可以有效抑制共模干扰
其中:差模又称串模,指的是两根线之间的信号差值;而共模噪声又称对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声。 差模信号:幅度相等,相位相反的信号,共模信号:幅度相等,相位相同的信号。
图2为该电路仿真电路,从该图可以看出:信号发生器输入波形为峰值3V,频率1Hz的正玄波,示波器为峰值6V,频率1Hz的正玄波,符合该电路放大特性。
波特测试仪可看出,在1Hz~1MHz,增益满足=6DB。当频率大于1MHz后,该电路输出增益开始衰减,从图3芯片的频率特性可以看出,该变化满足器件本身的幅频特性。
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图2
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图3
2.2同相比例运算电路
图4所示集成运放的反相输入端通过电阻R4接“地”,同相输入端通过补偿电阻R5接输入信号。
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图4
其中:
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由于“虚断”,同相比例运算电路的输入电流为0,故输入电阻为无穷大。由于,故运放的共模输入电压等于输入电压。故该电路不可抑制共模输入。

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图5
3、常见运算电路对音频信号的优化
3.1 音频信号的频率范围
前文所述,音频信号主要分布在20Hz~20KHz内,而人声频率范围如表1所示。
表1
男 女
低音 82~392Hz 82~392Hz
基准音区 64~523Hz 160~1200Hz
中音 123~493Hz 123~493Hz
高音 164~698Hz 220~1.1KHz
各类乐器的频率如图6所示。
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图6
因此,取有效音频频率范围50Hz~16KHz,可以满足所有人声和乐器的需求范围。而在实际电路设计运用中,直接将输出信号接入大功率功放,难免会有低频“嗡嗡”交流底噪和高频“唧唧”刺耳底噪。如何降低两种底噪,保证所需频率输出,才是重中之重需要考虑的。
3.2 高频信号如何抑制
在自动控制系统中,积分电路和微分电路常用作调节环节。且积分电路可实现波形的变化,对低频信号增益大,对高频信号的增益小,当信号频率趋于无穷大时增益为0,实现了滤波。那么如果将积分电路和放大电路合二为一呢?
图7在图1的基础上增加积分电路,
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图7
从仿真图8中,可以看出,当频率等于140Hz时,增益已变为0,大于140Hz时,增益为负数,实现了高频的衰减。
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图8
而我们的需要实现的是16KHz以上的信号的衰减,那么根据电路进行修改如图9。
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图9
从图9中可看出,频率大于16KHz后,增益将小于6DB,实现了高频的衰减。
3.3 低频信号如何抑制
需要实现50Hz以下频率的衰减,那么在输入端进行C滤波。如图10所示。
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图10
可以看出,当频率小于58Hz时,增益小于6DB,实现了低频的衰减。
4、总结
运算电路用法多种多样,如何实现我们想要的效果,是需要经过仔细研究、计算的。所有的电路实现都是需要具有缜密思考,不能死搬乱套。
文中有些计算未能提供,后边如有时间进行补充吧。
参考文献:
[1],模拟电子技术基础教程(华成英)
[2],https://www.cnblogs.com/zthua/archive/2013/01/09/2853208.html
[3],Multisim14 电子系统仿真与设计(张新喜)

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