1、音頻功率放大器設(shè)計摘要：這款功放采用了典型的OCL功放電路，為全互補對稱式純甲類DC結(jié)構(gòu)，功放的每一級放大均工作于甲類狀態(tài)。輸入級和電壓放大級采用線性較好的沃爾漫電路，差分管及電流推動管分別為很出名的K170、J74（可用K389、J109孿生對管對換）對管和K214、J77中功率MOS管，功率輸出級為2SC5200和2SA1943大功率東芝管并聯(lián)輸出，功率強勁，驅(qū)動阻抗2的喇叭也輕松自如，毫不費力。綜合運用了我們前面所學的知識。設(shè)計完全符合要求。關(guān)鍵字：沃爾漫電路 ，TIM，共源-共基電路，共射-共基電路1. 引言在現(xiàn)代音響普及中，人們因生活層次、文化習俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的不同，令對相同

2、電氣指標的音響設(shè)備得出不同的評價。所以，就高保真度功放而言，應該達到電氣指標與實際聽音指標的平衡與統(tǒng)一。這款功放采用了典型的OCL功放電路，為全互補對稱式純甲類DC結(jié)構(gòu)，功放的每一級放大均工作于甲類狀態(tài)。輸入級和電壓放大級采用線性較好的沃爾漫電路，差分管及電流推動管分別為很出名的K170、J74（可用K389、J109孿生對管對換）對管和K214、J77中功率MOS管，功率輸出級為2SC5200和2SA1943大功率東芝管并聯(lián)輸出，功率強勁，驅(qū)動阻抗2的喇叭也輕松自如，毫不費力。綜合運用了我們前面所學的知識。設(shè)計完全符合要求。2. 放大器性能指標2.1 靈敏度對放大器來說,靈敏度一般指達到額定

3、輸出功率或電壓時輸入端所加信號的電壓大小，因此也稱為輸入靈敏度;對音箱來說,靈敏度是指給音箱施加1W的輸入功率, 在喇叭正前方1米遠處能產(chǎn)生多少分貝的聲壓值.2.2 阻尼系數(shù)負載阻抗與放大器輸出阻抗之比。使用負反的晶體管放大器輸出阻抗極低,僅零點幾歐姆甚至更小,所以阻尼系數(shù)可達數(shù)十到數(shù)百。2.3 反饋也稱為回授,一種將輸出信號的一部分或全部回送到放大器的輸入端以改變電路放大倍數(shù)的技術(shù)。負反饋導致放大倍數(shù)減小的反饋稱為負反饋。負反饋雖然使放大倍數(shù)蒙受損失,但能夠有效地拓寬頻響,減小失真,因此應用極為廣泛。正反饋使放大倍數(shù)增大的反饋稱為正反饋。正反饋的作用與負反饋剛好相反,因此使用時應當小心謹慎。

4、2.4 動態(tài)范圍信號最強的部分與最微弱部分之間的電平差.對器材來說,動態(tài)范圍表示這件器材對強弱信號的兼顧處理能力.2.5 響應頻率響應簡稱頻響,衡量一件器材對高,中,低各頻段信號均勻再現(xiàn)的能力.對器材頻響的要求有兩方面，一是范圍盡量寬,即能夠重播的頻率下限盡量低,上限盡量高；二是頻率范圍內(nèi)各點的響應盡量平坦，避免出現(xiàn)過大的波動。 2.6 信噪比(S/N)又稱為訊噪比，信號的有用成份與雜音的強弱對比，常常用分貝數(shù)表示。設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。2.7 屏蔽在電子裝置或?qū)Ь€的外面覆蓋易于傳導電磁波的材料，以防止外來電磁雜波對有用信號產(chǎn)生干擾的技術(shù)。2.8 阻抗匹配一件器材的輸出阻抗和所

5、連接的負載阻抗之間所應滿足的某種關(guān)系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗5-10倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應選用與其輸出端標稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。3. 音頻功率放大器的設(shè)計功率放大器不僅僅是消費產(chǎn)品（音響）中不可缺少的設(shè)備，還廣泛應用于控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中。3.1 設(shè)計要求1輸出功率：20W。2負載阻抗：8。3通頻帶fs: 為20HZ20KHZ。4音調(diào)控制要求：1KHZ（0dB），10KHZ（±

6、;12dB），100HZ（±12dB）5靈敏度: 話筒輸入：5mV。 線路輸入：0.775V。3.2 方案設(shè)計過程 總體方案擬定 甲類功放的主要優(yōu)點就是電路簡單易行，非線性失真小，適用于小功率的線性音頻放大器，現(xiàn)在甲類功放主要用在高檔功放產(chǎn)品中。而乙類功放與甲類功放最主要的不同點就是靜態(tài)電流小，因此無信號時消耗功率小，可獲得較高的效率；但是，乙類功放在工作時，由于兩只晶體管交替導通與截止，因而，在兩管輸出信號波形的銜接處，會產(chǎn)生交越失真；而且功放管在從反偏到零偏再轉(zhuǎn)為正偏轉(zhuǎn)換時，隨著信號頻率升高，輸出信號就會在時間上延遲，出現(xiàn)所謂的開關(guān)轉(zhuǎn)換失真。因此，在實際Hi-Fi高保真放音系統(tǒng)中

7、，一般不采用乙類功放，而采用線性失真小的甲類功放或甲乙類功放。甲乙類功放是通過改變偏置的方法來減少交越失真，它將甲類功放的高保真度與乙類功放折衷，從而在一定程度上解決了上述效率高與失真大之間的矛盾。而且甲乙類功放的效率可達到78.5% ，故本次設(shè)計采用甲乙類功放。通過對設(shè)計要求和設(shè)計方案的分析，本課題覺得采用LM1875作為功率放大器。圖1 系統(tǒng)組成框圖確定各級的增益分配放大倍數(shù)Vs. dB數(shù)0dB：一般將信號電平（0dB）即0.775V作為衡量放大器靈敏度的參考標準。5mV的dB數(shù)為：因為采用的集成芯片LM1875，其輸出功率為20W，則負載上的電壓 ：為又話筒輸入為5mV，則整個電路的增益

8、為20lg（13/0.005）=68dB?？紤]到音調(diào)級必要的衰減，增益為2dB左右。所以取整個電路的增益為70dB。則各級的增益如下：* 功放級：26dB（廠家給定的）* 音調(diào)控制級：-2dB。* 前置放大級：44dB。 單元電路的設(shè)計（1）前置放大級 電路形式的選擇由于信號遠輸入的信號幅度較小。不足以推動以后的功放電路。因此要用電壓放大電路對信號輸入的音頻信號電壓進行放大，對于信號源，其負載約為47K，所以選用電壓串聯(lián)負反饋方式的同相比例放大器，它可以使輸入電阻增大，輸出電阻減小，且輸入輸出電壓同相。又因為前置放大級的增益為44dB，即158倍，取160倍，前置放大級電路采用二級，第一級與第

9、二級采用電容耦合方式，總的電壓放大倍數(shù)為Auf=160，設(shè)計中選用Auf1=1，Auf2=160。其中第一級實際上是一個電壓跟隨器，它提高了帶負載的能力。圖2 前置放大器電路圖電路中二極管D1作用是：當線路輸入是0.775V時，D1導通，此時LF353（2）也為一個電壓跟隨器，信號不經(jīng)過放大直接到音調(diào)控制級的輸入端。當輸入為5mV時，不足以讓二極管導通，此時LF353（2）為放大器，信號將放大160倍后到音調(diào)控制級的輸入端。 集成運放的選擇因為Auf2=160，根據(jù)通頻帶20HZ20KHZ，其上線頻率為20KHZ，則集成運放的放大倍數(shù)帶寬積應滿足下列關(guān)系： GBAuf2fh = 180*20K

10、HZ = 3.2MHZ從運放的資料手冊中可查出LF353的單位放大倍數(shù)帶寬GB=4MHZ，滿足要求。 各元件的參數(shù)選擇和計算電路中電容C11是用作噪聲去耦合的，可以用小體積大容量的鉭電容或普通電解電容，一般選為10F，R11可選用較大的電阻，取1M，電阻R12取10K，LF353（2）構(gòu)成的是放大倍數(shù)為160的電壓放大電路，同相交流放大電路的平衡電阻可盡量選得大一些，一般為10K以上，這樣有利于提高放大電路的輸入電阻，由于輸入電阻為47K，故選RP2的阻值為47K，R21取1K，耦合電容C12為10F。由Auf2 = 1+R23/R22 及R21=R23/R22，Auf2=180可得R21=R

11、22=1K，R23=160K。C21，C22，C23，C24，主要用于電源旁路濾波，一般C21，C23用電解電容，其值為220F，C22，C24用普通的電容，一般取值為22F。LF353的電源為±15V的直流穩(wěn)壓電源。（2）音調(diào)控制級音調(diào)控制器主要是控制，調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性，他只對低頻與高頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持0dB 不變。因此，音調(diào)控制器的電路可以由低通濾波器和高通濾波器構(gòu)成。由運算放大器構(gòu)成的音調(diào)控制器，電路調(diào)節(jié)簡單，元器件少，因此，我們選用這種電路形式。圖3 音調(diào)控制級電路圖 圖中，電位器RP3用來調(diào)節(jié)音量的大小，即為音量控制電路。設(shè)電容C31=C32

12、>>C33，在中，底音頻區(qū)，C33可視為開路，在中，高音頻區(qū)，C31，C32可視為短路。工作狀態(tài)及元件參數(shù)計算：第一：低頻時的情況：低頻提升與衰減，電路圖如下圖4（a）和圖4（b）所示： 圖4 低頻提升與衰減電路增益為：式中：1=1/（RP31*C32）， 2=（RP31+R32）/（RP31*R32*C32）當f<fL1時，C32可視為開路，運算放大器的反向輸入端視為虛地，R34的影響可以忽略，此時電壓增益 AVL=(RP31+R32)/R31在f=fL1時，因為fL2=10fL1，故可得 AV1=(RP31+R32)/ R31此時，電壓增益 AV1相對于 AVL下降了3d

13、B。在f=fL1時，可得AV1=(RP31+R32)/R31*（/10）=0.14 AVL 此時，電壓增益 AV2相對于 AVL下降了17dB。同理可得低頻衰減的相應表達式。第二：高頻提升與衰減：高頻等效電路如圖5所示： 圖5 高頻等效電路電阻關(guān)系式為： Ra=R31+R31+（R31R31/R32）Rb=R34+R32+（R34R32/R31）Rc=R31+R32+（R32R31/R34） 若取R31=R32=R34， 則上式為：Ra=Rb=Rc=3R32=3R34高頻提升與衰減的等效電路如下圖6所示： 圖6 高頻提升與衰減電路 增益函數(shù)表達式為： 式中， 時，視為開路，電壓增益AV0=1（

14、0dB）。在f=fH1時 AV3=AV0 此時電壓增益AV3相對于AV0高3dB 。在f=fH2時， AV4=AV0此時電壓增益 AV4相對于AV0提高了17dB。當時，視為端路，此時電壓增益 AVH=（Ra+R33）R33同理可以得圖示電路的相應表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。又已知，由計算式得：，則；，則 AVL=（RP31+R32）/R3120dB其中，R31，R32，RP31不能取得太大，否則運放漂移電流的影響不可忽視。但也不能太小，否則流過它們的電流將超過運放的輸出能力。通常取幾千歐姆至幾百千歐姆?，F(xiàn)取RP31=470K，則AVL=（RP31+R32）/R31=11（20.8d

15、B） 取標稱值0.01，即取 R34=R31=R32=47K，則 ， 取標稱值 ，取標稱值470PF 取級間耦合電容（3）功率放大級 芯片選用LM1875，而一個LM1875的輸出功率最大只能達到20W，已能滿足本課題的設(shè)計要求,故本設(shè)計采用單片LM1875。如果要把輸出功率提高到50W，可選擇BTL電路，按照如下方法進行設(shè)計:BTL電路它是在OTL電路和OCL電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型功率放大電路，其工作原理如下：圖7 雙端推挽放大電路BTL電路屬于雙端推挽放大電路，它由四管組成電橋電路，圖中對角管同時導通，互為推挽。負載上輸出正負半周波形。BTL電路可以采用單電源供電，且不需要輸出電容，這

16、不僅克服了輸出電容的影響，也免除了兩組電壓對稱性的苛刻要求。BTL的兩組對角管輪流導通，互為推挽，在每個信號半周內(nèi)能利用全部電源電壓（除去飽和壓降），同單端電路相比，在相同電源電壓和相同負載時，前者的輸出功率為后者的4倍；換言之，如果負載和輸出功率相同，BTL電路對所用的晶體管的耐壓要求可比單端電路降低一半，因此，它有易于輸出大功率而不損壞輸出管的優(yōu)點。目前常見的BTL電路大多是由兩個獨立的單端推挽電路拼合而成（多見于集成電路），其信號分相是先將信號送入第一個單端電路，放大后經(jīng)電阻分壓再送到第二個單端電路，這樣不僅會把單端電路的缺陷帶入放大器，而且還會將第一個單端電路的畸變信號經(jīng)過第二個單端電

17、路放大而進一步加重，因此其特性必然不好。由BTL的工作原理及特點可知，要滿足輸出功率為50W的要求，可用兩個LM1875組成BTL電路，要想獲得好的輸出特性，關(guān)鍵是要獲得BTL電路所需的兩個大小相等，相位相反的音頻信號。通過查詢資料（3），可知，可以用一個倒相電路來提供此信號。如下圖所示：圖8倒相電路 圖中VT組成的單管放大電路沒有電壓放大作用，它采用分壓式偏置供給VT關(guān)靜態(tài)工作電流，從集電極和發(fā)射極輸出的音頻信號大小分別為IcRc和IeRe，由于IcIe，Rc=Re，所以兩路的信號大小相等而極性相反，可將它們分別通過電容耦合到BTL 電路的兩個同鄉(xiāng)相輸入端。則功率放大電路如下圖所示： 圖9

18、BTL功率放大電路3.3 元件參數(shù)的計算與選取 反饋網(wǎng)絡(luò)電阻值的選取 LM1875的增益為26dB，即有：所以有： ，通常取左右， 則。 隔直電容，應滿足在下限頻率上（）的容抗遠小于R1，取。電源旁路電容：， 4、LM1875的簡介4.1 LM1875的參數(shù)簡介  LM1875采用TO-220封裝結(jié)構(gòu)，形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大。該集成電路內(nèi)部設(shè)有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護。 LM1875主要參數(shù)：     電壓范圍： 1660V      靜態(tài)電流： 50mA&

19、#160;    輸出功率： 25W     諧波失真： 0.02%，當f=1kHz，RL=8，P0=20W時     額定增益： 26dB，當f=1kHz時     工作電壓： ±25V     轉(zhuǎn)換速率： 18V/S LM1875極限參數(shù)： 電源電壓(Vs) 60 V 輸入電壓(Vin) -VEE-Vcc V 工作結(jié)溫(Tj) +150 存儲結(jié)溫(Tstg) -65-+150 4.2 LM18

20、75的工作原理：LM1875功放板由一個高低音分別控制的衰減式音調(diào)控制電路和LM1875放大電路以及電源供電電路三大部分組成，音調(diào)部分采用的是高低音分別控制的衰減式音調(diào)電路，其中的R02，R03，C02，C01，W02組成低音控制電路；C03，C04，W03組成高音控制電路；R04為隔離電阻，W01為音量控制器，調(diào)節(jié)放大器的音量大小，C05為隔直電容，防止后級的LM1875直流電位對前級音調(diào)電路的影響。放大電路主要采用LM1875，由1875，R08，R09，C06等組成，電路的放大倍數(shù)由R08與R09的比值決定，C06用于穩(wěn)定LM1875的第4腳直流零電位的漂移，但是對音質(zhì)有一定的影響，C0

21、7，R10的作用是防止放大器產(chǎn)生低頻自激。本放大器的負載阻抗為416。為了保證功放板的音質(zhì)，電源變壓器的輸出功率不得低于80W，輸出電壓為2*25V，濾波電容采用2個2200UF/25V電解電容并聯(lián)，正負電源共用4個2200UF/25V的電容，兩個104的獨石電容是高頻濾波電容，有利于放大器的音質(zhì)。4.3 LM1875的電路特點LM1875功率較TDA2030及TDA2009都為大，電壓范圍為1660V。不失真功率為20W（THD=0.08%），THD=1%時，功率可達40W（人耳對THD<10%一下的失真沒什么明顯的感覺），保護功能完善。筆者是一個不錯的選擇。 其接法同TDA2030相

22、似，也有單雙電源兩種接法。LM1875是美國國家半導體器件公司生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單 列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該集成電路在±25V電源電壓RL=4可獲得20W的輸出功率，在±30V電源8負載獲得30W的功率，內(nèi)置有多種保護電路。廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。 電路特點：（1）單列5腳直插塑料封裝，僅5只引腳。（2）開環(huán)增益可達90dB。 （3）極低的失真，1kHz，20W時失真僅為0.015%。 （4）AC和DC短路保護電路。 （5）超溫保護電路。 （6）峰值電流高達4A  

23、（7）極寬的工作電壓范圍（16-60V）。 （8）內(nèi)置輸出保護二極管。 （9）外接元件非常少，TO-220封裝。 （10）輸出功率大，Po=20W(RL=4)。5、電路設(shè)計5.1 典型應用電路 音頻功率放大器的典型應用電路分為兩種：一種為單電源供電，另一種為雙電源供電。兩種典型應用電路電路圖如下： 圖10 單電源接法 圖11 雙電源接法LM1875單電源供電與雙電源供電的基本工作原理相同，不同之處在于：單電源供電時，采用R1、R2分壓，取12VCC作為偏置電壓經(jīng)過R3加到1腳，使輸出電壓以12VCC為基準上下變化，因此可以獲得最大的動態(tài)范圍。但在本課題中，我們希望能對音頻放大器的音量和音頻進行

24、調(diào)節(jié)，即得到更理想更直觀的設(shè)計，在此次設(shè)計中采用雙電源供電的方法。5.2 雙電源音頻功率放大器原理圖 綜合以上討論，利用protel 99軟件畫出雙電源音頻功率放大器原理圖： 圖 12 雙電源音頻功率放大器原理圖 5.3 雙電源音頻功率放大器PCB圖 在電路原理圖的基礎(chǔ)上，繪制PCB圖如下： 圖 13 雙電源音頻功率放大器PCB圖 參考文獻1 曾廣興,現(xiàn)代音響技術(shù)應用，廣東科技出版社，1997年3月。2 張 平,關(guān)于音頻功率放大器的應用，安陽大學學報，2002年02期。3 吳振平,實用聲電技術(shù)，中國鐵道出版社，1984年11月。4 龔 偉,音頻放大器控制方式綜述，重慶大學報，2003年02期。

25、5 黎 明,電子質(zhì)量，2002年02期。6 華成英,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M，北京高等教育出版社，2001。7 姚福安,音頻功率放大器設(shè)計，山東大學學報，2003年06期。8 牟小令,高效率音頻功率放大器，西南師范大學學報，2003年01期。9 馬建國,電子系統(tǒng)設(shè)計，高等教育出版社。11曲 榮,收音機電平指示電路錦集12方佩敏,音頻功率放大器，電子世界，2003年08期。Audio Power Amplifier DesignWu HaiYang(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 246011)Abstract This amplifier uses a typical OCL power amplifier, the whole complementary symmetrical Pure Class A DC structure, each level of magnification of the amplifier is working in the CPI state. Input stage and voltag