音頻功率放大器設(shè)計(jì)

音頻放大器是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)的設(shè)備，其重建的信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想——如實(shí)、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)（驅(qū)動(dòng)頻帶受限的揚(yáng)聲器時(shí)要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。根據(jù)應(yīng)用的不同，功率大小差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級(jí)到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿足整個(gè)電影院或禮堂的聲音要求。

音頻放大器是多媒體產(chǎn)品的重要組件之一，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域。線性音頻功放因失真小、音質(zhì)好，在傳統(tǒng)的音頻放大器市場上一直占主導(dǎo)地位。近年來，隨著MP3、PDA、手機(jī)、筆記本電腦等便攜式多媒體設(shè)備的普及，線性功放的效率和體積已不能滿足市場的要求，而D類功放以效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的青睞。因此，高性能的D類功放具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值及市場前景。

音頻放大器的發(fā)展先后經(jīng)歷了電子管（真空管）、雙極型晶體管、場效應(yīng)管三個(gè)時(shí)代。電子管音頻放大器音色圓潤、甜美，然而它體積龐大、功耗高、工作極不穩(wěn)定，且高頻響應(yīng)不佳；雙極晶體管音頻放大器頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、壽命長，且高頻響應(yīng)好，然而它的靜態(tài)功耗、導(dǎo)通電阻都很大，效率難以提高；場效應(yīng)管音頻放大器具有與電子管同樣圓潤、甜美的音色，同時(shí)它的動(dòng)態(tài)范圍寬，更重要的是它的導(dǎo)通電阻小，可以達(dá)到很高的效率。

音頻功率放大器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程?

1.?擬定總體方案：???????????????????????????????????????????????????????

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(hào)時(shí)消耗功率小，可獲得較高的效率；但是，乙類功放在工作時(shí)，由于兩只晶體管交替導(dǎo)通與截止，因而，在兩管輸出信號(hào)波形的銜接處，會(huì)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(shí)，隨著信號(hào)頻率升高，輸出信號(hào)就會(huì)在時(shí)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(jì)采用甲乙類功放。?

通過對(duì)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方案的分析，本課題覺得采用LM1875作為功率放大器。

確定各級(jí)的增益分配?

放大倍數(shù)Vs.?dB數(shù)0dB：一般將信號(hào)電平（0dB）即0.775V作為衡量放大器靈敏度的參考標(biāo)準(zhǔn)。?

又話筒輸入為5mV，則整個(gè)電路的增益為20lg（13/0.005）=68dB?？紤]到音調(diào)級(jí)必要的衰減，增益為－2dB左右。所以取整個(gè)電路的增益為70dB。則各級(jí)的增益如下：?

功放級(jí)：26dB（廠家給定的）?音調(diào)控制級(jí)：-2dB。?前置放大級(jí)：44dB。?2.?單元電路的設(shè)計(jì)［9］?（1）前置放大級(jí)?①?電路形式的選擇?

由于信號(hào)源輸入的信號(hào)幅度較小。不足以推動(dòng)以后的功放電路。因此要用電壓放大電路對(duì)信號(hào)輸入的音頻信號(hào)電壓進(jìn)行放大，對(duì)于信號(hào)源，其負(fù)載約為47KΩ，所以選用電壓串聯(lián)負(fù)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?yàn)榍爸梅糯蠹?jí)的增益為44dB，即158倍，取160倍，前置放大級(jí)電路采用二級(jí)，第一級(jí)與第二級(jí)采用電容耦合方式，總的電壓放大倍數(shù)為Auf=160，設(shè)計(jì)中選用Auf1=1，Auf2=160。其中第一級(jí)實(shí)際上是一個(gè)電壓跟隨器，它提高了帶負(fù)載的能力。

圖1-2??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(shí)，D1導(dǎo)通，此時(shí)LF353（2）也為一個(gè)電壓跟隨器，信號(hào)不經(jīng)過放大直接到音調(diào)控制級(jí)的輸入端。當(dāng)輸入為5mV時(shí)，不足以讓二極管導(dǎo)通，此時(shí)?LF353（2）為放大器，信號(hào)將放大160倍后到音調(diào)控制級(jí)的輸入端。?

②?集成運(yùn)放的選擇

因?yàn)锳uf2=160，根據(jù)通頻帶20HZ–20KHZ，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：?

GB≥Auf2fh?=?180*20KHZ?=?3.2MHZ?

從運(yùn)放的資料手冊(cè)中可查出LF353的單位放大倍數(shù)帶寬GB=4MHZ，滿足要求。?

③?各元件的參數(shù)選擇和計(jì)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10μF，R11可選用較大的電阻，取1MΩ，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10μF。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220μF，C22，C24用普通的電容，一般取值為22μF。LF353的電源為±15V的直流穩(wěn)壓電源。?（2）音調(diào)控制級(jí)?

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(duì)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1-3??音調(diào)控制級(jí)電路圖?

圖中，電位器

33RP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。?

工作狀態(tài)及元件參數(shù)計(jì)算：?第一：低頻時(shí)的情況：?

低頻提升與衰減，電路圖如下圖4（a）和圖4（b）所示：

此時(shí)，電壓增益?AV2相對(duì)于?AVL下降了17dB。?同理可得低頻衰減的相應(yīng)表達(dá)式。?第二：高頻提升與衰減：?

高頻等效電路如圖3-5所示：

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：

（3）功率放大級(jí)?電路形式的選擇：?

芯片選用LM1875，而一個(gè)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(jì)要求，故本設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)：?

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：

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(duì)角管同時(shí)導(dǎo)通，互為推挽。負(fù)載上輸出正負(fù)半周波形。?

BTL電路可以采用單電源供電，且不需要輸出電容，這不僅克服了輸出電容的影響，也免除了兩組電壓對(duì)稱性的苛刻要求。BTL的兩組對(duì)角管輪流導(dǎo)通，互為推挽，在每個(gè)信號(hào)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(fù)載時(shí)，前者的輸出功率為后者的4倍；換言之，如果負(fù)載和輸出功率相同，BTL電路對(duì)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(diǎn)。?

目前常見的BTL電路大多是由兩個(gè)獨(dú)立的單端推挽電路拼合而成（多見于集成電路），其信號(hào)分相是先將信號(hào)送入第一個(gè)單端電路，放大后經(jīng)電阻分壓再送到第二個(gè)單端電路，這樣不僅會(huì)把單端電路的缺陷帶入放大器，而且還會(huì)將第一個(gè)單端電路的畸變信號(hào)經(jīng)過第二個(gè)單端電路放大而進(jìn)一步加重，因此其特性必然不好。?

由BTL的工作原理及特點(diǎn)可知，要滿足輸出功率為50W的要求，可用兩個(gè)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(gè)大小相等，相位相反的音頻信號(hào)。通過查詢資料（3），可知，可以用一個(gè)倒相電路來提供此信號(hào)。如下圖所示：

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(hào)大小分別為IcRc和IeRe，由于Ic≈Ie，Rc=Re，所以兩路的信號(hào)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(gè)同鄉(xiāng)相輸入端。則功率放大電路如下圖所示：