运算放大电路在音频放大电路中的应用研究与实现

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。

图1
其中：

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。

图2

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。

图4
其中：

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。

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。

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，

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。

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。

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。

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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