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使用 555 定时器的低功率音频放大器

传统的音频放大方法使用高功率电路来驱动扬声器，以覆盖如礼堂或其他大厅等区域。然而，对于只需小范围声音输出的小型扬声器应用，可以通过构建一个低输出电流（如 200 mA）的低功率放大器来满足需求。

本文将介绍使用 555 定时器实现低功率音频放大器的原理、设计和操作。555 定时器生成一个载波信号，该载波信号通过放大的音频信号进行调制以产生调制信号。该调制信号用于驱动小型扬声器。

1. 低功率音频放大器电路原理​

在该电路中，原理基于运算放大器的音频放大以及使用 555 定时器的脉宽调制 (PWM)。音频信号通过低噪声、高输入阻抗的 TL071 运算放大器进行放大，然后馈入 555 定时器的控制引脚。555 定时器被配置为无稳多谐振荡器，生成振荡信号。该信号被音频信号调制，使得输出脉冲的宽度随控制引脚的电压（即音频信号）而变化，从而实现脉宽调制。

2. 555 定时器作为放大器的电路图​

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3. 低功率音频放大器的电路设计​

电路设计过程分为两个简单步骤：

  • 设计前置放大器部分
  • 设计无稳多谐振荡器部分

在前置放大器部分中，使用低噪声 JFET 输入的 TL071 运算放大器，具有低输入偏置电流和约 13 V/µs 的高压摆率。通过两个 47K 电阻组成的分压网络，在 OPAMP 的同相输入端施加 6V 电压。

假设所需增益约为 22 (V/V) 或 27.2 dB，如果反馈电阻之一取 1KΩ，则另一个反馈电阻的值计算为约 22KΩ。由于该放大器的输出阻抗较低，因此在输出端使用约 1KΩ 电阻将其连接到 555 定时器的控制引脚。

下一步是设计 555 定时器的无稳电路。在标准 555 定时器无稳多谐振荡器的电路中，通常使用两个电阻分别用于电容充电和放电。但为了提供更快的放电速度，这里用 1N4007 二极管代替了放电电阻。所需输出频率约为 145 kHz，假设电容值为 10 nF，则阈值电阻的计算值约为 1KΩ（1N4007 的正向电阻约为 1Ω）。

4. 使用 555 定时器的低功率音频放大器电路仿真​

一旦电路设计完成，下一步是进行定时器电路仿真。这里我们使用 Multisim 软件按照以下步骤进行仿真：

  1. 从 LabView Instruments 的 Simulate 菜单中选择麦克风仿真模型；

  2. 根据要求设置参数（录音时间和采样率）；

  3. 使用软件搭建设计好的电路，并将麦克风连接为电路输入；

  4. 从 LabView Instruments 的 Simulate 菜单中选择扬声器模型，并将其作为电路输出；

  5. 设置交互式仿真参数，使结束时间等于或大于录音时间；

  6. 在仿真过程中，“播放”按钮为灰色不可用，仿真结束后按钮启用。

5. 555 定时器作为放大器电路的工作原理​

电路的工作分为两个部分：

  • 前置放大（电信号放大）
  • 脉宽调制操作

前置放大由低噪声 TL071 运算放大器完成。输入音频信号通过麦克风采集并转换为低电压电信号。该低电压交流信号通过 1µF 电解电容（用于阻断直流分量）输入 OPAMP 的同相端。

信号通过运算放大器放大，其增益由反馈电阻的取值决定。OPAMP 在 线性模式下工作，通过反馈网络使同相端电压等于输出电压。放大的信号通过电容（去除直流分量）和电阻馈入 555 定时器的控制引脚。555 定时器在无稳模式下工作，其输出信号频率由电阻 R1 和电容 C1 的组合决定。

由于施加了控制电压，输出脉冲的宽度会随控制电压而变化。555 定时器产生的载波信号被音频电压调制，得到的调制信号驱动扬声器。扬声器不会响应高频载波，而是对调制信号的直流分量作出响应，从而实现音频信号的放大。

6. 555 定时器作为放大器电路的应用​

  • 可用于开发车辆中的低功率音乐系统

  • 可用于小型教室的声音扩音

7. 音频放大器电路的局限性​

  • 该电路仅适用于低功率扬声器
  • 555 定时器无法产生 50% 占空比的信号
  • 该电路为理论设计，硬件实现时可能需要调整