1、電路CAD課程設(shè)計報告題 目 小功率音頻放大器 學(xué)生姓名 * 學(xué) 號 * 學(xué) 院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 信息0802 指導(dǎo)教師 * 2011 年 12 月 25 日摘要音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認(rèn)識上都取得了長足的進(jìn)步。此文就將探討、設(shè)計一種小功率音頻放大器。關(guān)鍵字(Key Words)小功率 音頻 放大器 M1875 PCB 設(shè)計方案low power udio mplifier M1875 PCB sign proposal 目 錄引言1、音頻功率放大器簡介11.1 早期的晶體管功放11.2 晶體

2、管功放的發(fā)展和互調(diào)失真12、 音頻放大器的設(shè)計12.1 設(shè)計要求：12.2 設(shè)計過程12.2.1 總體方案：22.2.2 元電路的設(shè)計22.3 元件參數(shù)的計算與選取43、LM1875的簡介43.1 M1875的參數(shù)簡介43.2 LM1875的工作原理：43.3 LM1875的電路特點(diǎn)54、電路設(shè)計54.1 典型應(yīng)用電路54.2 雙電源音頻功率放大器原理圖64.3 雙電源音頻功率放大器PCB圖65、 總結(jié)7參考文獻(xiàn)8 引言在現(xiàn)代音響普及中，人們因生活層次、文化習(xí)俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的不同，令對相同電氣指標(biāo)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(yīng)該達(dá)到電氣指標(biāo)與實(shí)際聽音指標(biāo)的平衡與

3、統(tǒng)一。這款功放采用了典型的OCL功放電路，為全互補(bǔ)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），率強(qiáng)勁，驅(qū)動阻抗2的喇叭也輕松自如，毫不費(fèi)力。綜合運(yùn)用了我們前面所學(xué)的知識。設(shè)計完全符合要求。小音功率音頻放大器的設(shè)計1、音頻功率放大器簡介在現(xiàn)代音響普及中，人們因生活層次、文化習(xí)俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的不同，令對相同電氣指標(biāo)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(yīng)該達(dá)到電氣指標(biāo)與實(shí)際聽音指標(biāo)的平衡與統(tǒng)一。音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)

4、域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐Γ瑹o論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認(rèn)識上都取得了長足的進(jìn)步。1.1 早期的晶體管功放 半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使晶體管放大器向前邁進(jìn)了一大步。自從有了晶體管，人們就開始用它制造功率放大器。 早期的放大器幾乎全用鍺管來制作，但由于鍺管工藝上的一些原因，使得放大器中所用的晶體管，尤其是功放管性能指標(biāo)不易做得很高，例如，共發(fā)射極截止頻率fh的典型值為4kHz，大電流管的耐壓值一般在30V一40V左右。這樣，放大器的頻率響應(yīng)也就很狹窄，其3dB截止頻率通常在10kHz左右，大大影響了音樂中高頻信號的重現(xiàn)。再加上功放管的耐壓、電流和功耗三個指標(biāo)相互制約，制作較大功率

5、的 OTL或OCL放大器不易尋到三個指標(biāo)都滿足要求的管子，所以不得不采用變壓器耦合輸出。變壓器的相移又使電路中加深度負(fù)反饋?zhàn)兊煤芾щy，諧波失真得不到充分的抑制，因此這一時期的晶體管放大器音質(zhì)是很差的?！斑€是膽機(jī)規(guī)聲”，這種看法的確事出有因。1.2 晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真 隨著半導(dǎo)體工藝的逐漸成熟，大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加，越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的 OCL電路或 OTL電路(圖一)。 最初的大功率 PNP管是鍺管，而 NPN管是硅管，兩者的特性差別非常顯著，電路的對稱性很差，人們更多采用的是圖二所示的準(zhǔn)互補(bǔ)電路，通過小功率硅管 Q1與一只大功率的 NPN硅管 Q2復(fù)

6、合，得到一只極性與PNP管類似的大功率管，降低了電路因?qū)ΨQ性差而招至的失真。 盡管電子管的擁護(hù)者仍大量存在，人們畢竟能夠比較公正地看待晶體管放大器了，認(rèn)為晶體管機(jī)頻響寬闊，層次細(xì)膩，與電子管機(jī)比較起來有一種獨(dú)特的艙力，而不是簡單的誰取代誰的問題。 2、 音頻放大器的設(shè)計功率放大器不僅僅是消費(fèi)產(chǎn)品（音響）中不可缺少的設(shè)備，還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中。2.1 設(shè)計要求：(1) 輸出功率：12W；(2) 負(fù)載阻抗：816；(3) 通頻帶fs: 為100Hz10kHz(4) 音調(diào)控制要求：放大器增益040dB可調(diào)(5) 靈敏度: 話筒輸入：輸入信號幅度：Vp-p1050mV。2.2 設(shè)計過程 總

7、體方案： 甲類功放的主要優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)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(shí)際Hi-Fi高保真放音系統(tǒng)中，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

8、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(dá)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，本課題采用LM1875作為功率放大器。 前置放大級音調(diào)控制級功率放大級自制穩(wěn)壓電源負(fù)載 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(biāo)準(zhǔn)。5mV的dB數(shù)為：。因?yàn)椴捎玫募尚酒琇M1875，其輸出功率為20W，則負(fù)載上的電壓 ：為又話筒輸入為5mV，則整個電路的增益為20lg（13/0.005）=68dB?？紤]到音調(diào)級必要的衰減，增益為2dB左

9、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。 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(yuǎn)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(jìn)行放大。其中第一級實(shí)際上是一個電壓跟隨器，它提高了帶負(fù)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(dāng)線路輸入是0.775V時，D1導(dǎo)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(dāng)輸入為5mV時，不足以讓二極管導(dǎo)通，此時LF353（2）為放大器，信號將放大160

10、倍后到音調(diào)控制級的輸入端。 集成運(yùn)放的選擇因?yàn)锳uf2=160，根據(jù)通頻帶20HZ20KHZ，其上線頻率為20KHZ，則集成運(yùn)放的放大倍數(shù)帶寬積應(yīng)滿足下列關(guān)系：GBAuf2fh = 180*20KHZ = 3.2MHZ從運(yùn)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

11、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=R22=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) 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(jìn)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(yùn)算

12、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)控制級電圖中，電位器用來調(diào)節(jié)音量的大小，即為音量控制電路。設(shè)電容C31=C32 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。(3) 功率放大級電路形式的選擇:芯片選用LM1875，而一個LM1875的輸出功率最大只能達(dá)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。2.3 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=1K左右， 則=20K。 隔直電容，

13、應(yīng)滿足在下限頻率上（）的容抗遠(yuǎn)小于R1，取=10。電源旁路電容：， 3、LM1875的簡介3.1 M1875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(fù)載反向電勢安全工作保護(hù)。 LM1875主要參數(shù)：電壓范圍： 1660V總態(tài)電流： 50mA輸出功率： 25W諧波失真： 0.02%，當(dāng)f=1kHz，RL=8，P0=20W時額定增益： 26dB，當(dāng)f=1kHz時工作電壓： 25V轉(zhuǎn)換速率： 18V/S3.2 LM1875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LM18

14、75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，C07，R10的作用是防止放大器產(chǎn)生低頻自激。本放大器的負(fù)載阻抗為416。為了保證功放板

15、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(fù)電源共用4個2200UF/25V的電容，兩個104的獨(dú)石電容是高頻濾波電容，有利于放大器的音質(zhì)。3.3 LM1875的電路特點(diǎn)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(dá)40W（人耳對THD10%一下的失真沒什么明顯的感覺），保護(hù)功能完善。一個不錯的選擇。 其接法同TDA2030相似，也有單雙電源兩種接法。LM1875是美國國家半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單

16、 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(fù)載獲得30W的功率，內(nèi)置有多種保護(hù)電路。廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。電路特點(diǎn)：(1) 列5腳直插塑料封裝，僅5只引腳。(2) 環(huán)增益可達(dá)90dB。(3) 低的失真，1kHz，20W時失真僅為0.015%。(4) AC和DC短路保護(hù)電路。(5) 溫保護(hù)電路。(6) 峰值電流高達(dá)4A(7) 寬的工作電壓范圍（16-60V）。(8) 內(nèi)置輸出保護(hù)二極管。(9) 接元件非常少，TO-220封裝。(10) 輸出功率大，Po=20W(RL=4

17、)。4、電路設(shè)計4.1 典型應(yīng)用電路 音頻功率放大器的典型應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(jìn)行調(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。4.2 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

18、功率放大器原理圖： 圖 12 雙電源音頻功率放大器原理圖 4.3 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5、 總結(jié)完成這次設(shè)計收獲很多，不但進(jìn)一步掌握了模電的知識及一門專業(yè)仿真軟件的基本操作，還提高了自己的設(shè)計能力及動手能力。更多的是看清了自己，明白了凡事需要耐心，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。理論知識的不足在這次實(shí)習(xí)中表現(xiàn)的很明顯。這將有助于我今后的學(xué)習(xí)，端正自己的學(xué)習(xí)態(tài)度，從而更加努力的學(xué)習(xí)。只有這樣我們才能真正的去掌握它，而不是只懂得一點(diǎn)皮毛。同時我認(rèn)為我們的工作是一個團(tuán)隊的工作，團(tuán)隊需要個人，個人也離不開團(tuán)隊，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。只有一個人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每