有源二分频音频放大器

• 前言
• 具体电路
• • 预处理电路
  • 滤波器电路
  • 功放电路
  • 其他电路
• 测试结果
• 实物图以及部分测试波形
• • 实物图
  • 部分测试波形
• PCB模块

前言

  题主正在备赛2023全国大学生电子设计竞赛，对2022年TI杯10月省赛C题有源二分频放大器题目进行了训练，写下此篇文章用来帮助后来者提供一个解题思路，个人能力有限，相互学习。

具体电路

  本题目几乎不涉及软件方案，唯一可以设计软件控制的部分是AGC控制，可以通过使用VGA、RMS检波、单片机片内ADC和片内DAC控制实现输出的稳定控制，但限于手上单片机没有片内DAC，最终选用了自动增益模块进行控制。
  硬件方案采用了预处理电路、滤波器电路和功率放大电路三部分组成。预处理电路在输入200Hz-20kHz，有效值10mV-100mV时输出稳定的有效值2V左右的信号；两路滤波器采用巴特沃斯滤波器实现；功率放大电路采用LM1875，实际随意用手上有的功率放大器均可达到要求。系统的总体方案如下图：

预处理电路

  预处理电路由前级放大电路、AGC模块和后级放大电路组成，原因是采用了AD8367作为自动增益控制，其输入范围在手册上写了不超过700mVpp,但是实际将前级放大倍数设置在6倍左右也工作正常，具体进入到AGC的信号幅值未测，AD8367稳定输出为354mVrms，达不到题目要求的最大增益不小于46dB即2Vrms,所以需要后级放大对信号再次放大。
  前级放大电路采用OPA690，采用通向放大，放大倍数为6.1倍，输入端10k欧姆用于达到输入阻抗，实际OPA690输入阻抗190k欧姆，不接也满足要求，具体电路如下图：

  AD8367硬件设计在AGC工作方式，根据芯片手册上的电路图进行设计，具体电路图如下;

  后级放大电路采用了OPA657,原因是手里的好几种运放接进去都有很大的直流偏置，用OPA657可以调到直流偏置很小的状态，OPA690也能做到但是输出范围不够，同时由于直流偏置导致顶部会有点失真，具体后级电路图如下：

滤波器电路

  滤波器电路采用两路巴特沃斯有源滤波器，阶数为5阶，因为查阅得到巴特沃斯滤波器每增加1阶阻带衰减率增加6dB/频程。滤波器采用软件直接生成就行，具体的高通滤波器和低通滤波器如下图：

功放电路

  功放芯片选用了LM1875，这款芯片在增益低时不稳定，输出噪声极大，故设计时采用了16倍的放大倍数。同时由于最终功率电阻有功率范围，具体不算了，在经过滤波器后对信号利用衰减网络作16dB的衰减，具体功放电路如下：

其他电路

  在滤波器后面有加衰减网络，采用了 π \pi π型衰减网络，具体如下，两个衰减网络相同：

   在高通滤波器一端，经过衰减后有加一个移相器电路，用来实现在2kHz输出的两端信号相位差为0度，这个电路具体参数忘了，调整相位180度，具体电路如下：

  同时在预处理电路与滤波器电路之间需要添加电压跟随器，否则高通滤波器接入时前级信号电压有衰减，此处采用OPA690作射随，输入端电阻到地用于将直流偏置调节到很小。同时滤波器与衰减网络之间也需要加电压跟随器，其中一个用OPA842一个用OPA690，用两种是因为开始用OAP842可以，然后焊了一模一样的但是不能用，最后改用OAP690就好了，具体的电路如如下：

测试结果

  此方案对照测试表进行了测试，最后测出来各项指标都是满足题目要求的，不过不清楚题目允不允许使用移相器对滤波器在2kHz频点处的信号相位进行调整。下面有一些测试数据：
自动增益数据测试：

端口电压测试：

功放测试：

实物图以及部分测试波形

实物图

  右侧两个模块为功率放大电路，左侧为其他的电路。

部分测试波形

输入10kHz，有效值100mV时C端口电压：

下面是频率固定10kHz,有效值变化时C端口的信号：

下面是用移相器移相后，在两路功放后接入负载时的输出信号，即A端口和B端口信号，输入信号频率2kHz,有效值20mVrms：

还有其他的测试数据未记录图片，就写到了这里了。

PCB模块

本着让人学习的原则，就不直接给出PCB工程文件，给出各个模块的PCB正反图片。
OPA通用模块的布线比较简单，就放一下正面图：

AD8367自动增益模块：


有源滤波器模块：


LM1875模块：