功放的设计方案和组成框图.docx

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功放的设计方案和组成框图

一、功放的设计方案和组成框图

（一）、设计方案：

首先，元件的选择。

功率放大器使用的放大元件有电子管、晶体管、集成功放块、场效应管等。

电子管功放：

电子管在音频领域里发挥过重要的作用，尤其是在20世纪60年代以前均是使用电子管制作功率放大器的，后来被体积小、功率大、耗能少、技术参数高的晶体管所取代。

但是在20世纪90年代以后，欧洲人双追忆起电子管放大器某些独有的特色，音色柔和、富有弹性和空间感强等优点。

晶体管功率放大器。

晶体管功率放大器具有体积、功率大、耗能少等特点，技术参数指标很高，具有良好的瞬态特性。

它有分立式的电路结构，这种电路用在很多功率放大器中。

集成电路功率放大器。

由于大功率晶体管的品种日益繁多，使得集成大功率优质功放得以大量应用，并且在电路设计中采用了大电流、超动态、超线性的DD电路（菱形差动放大电路）和霍尔电路，或者采用动态偏置、双电源供电以及全互补等一系列技术，使得集成苏州的谐波失真大大降低（小于0.05%以下），频率响应在20Hz~20KHz之间，而且在电路中还可以方便地加入各种保护电路。

目前专业音频功率放大器几乎都采用集成放大模块作苏州的输出级。

场效应管功率放大器。

随着场效应管生产技术的不断发展，大功率的场效应管品种也日趋丰富。

因为场效应管是电压控制的器件，它具有负温度特性，因此无需对输出管进行复杂的保护，而且它具有和电子管相似的音色。

采用场效应管制作的功放且有噪声低、动态范围大、无需保护等特点。

其电路简单，而性能却十分优越。

其次，工作特性的选择。

按功放管的工作特性，可把功放分成三类：

甲类、乙类、甲乙类。

甲类功率放大器。

这类功率放大器的晶体管工作在特性曲线的直线段，用一只晶体管将声波的正负冲半波完整地进行放大。

因此，正弦波波形非常完整，不存在交越失真的问题，失真度很小，在Hi—Fi音响领域里很多厂家选用此种功放，如英国罗特功放、音乐传真功放和日本的金嗓子功放都是甲类功率放大器。

乙类功率放大器。

它是用两只晶体管共同完成声波的能量放大。

一只管子担任下半波的放大工作，另一个管子完成负半波的放大工作，最后合成为一完整的正弦波。

用这种方式对音频信号进行放大的功放称为乙类功放。

由于两只功放管共同完成了声波的放大，所以，其输出功率较大，但存在着交越失真。

在正负半周的波形连接处，由于晶体管的非线性，波形的合成总是存在着一些不够平滑的现象。

这种由于两个电路合成所产生的波形失真称为交越失真。

甲乙类功放。

这是一种介于甲类和乙类之间的功率放大器。

它能在较小失真的情况下，获得较高的功率输出。

这也是一种被广泛应用的功率放大器。

还有功放的末级电路结构选择。

功放的末级电路结构有OTL电路、OCL电路、BTL电路。

OTL电路。

它为单端推挽式无输出变压器功率放大电路，通常采用单电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。

与采用输出变压器的功放电路相比，它具有体积小、重量轻、制作方便等优点，性能也较好。

OCL电路。

它的最大特点是电路全部采用直接耦合方式，中间既不要输入、输出、变压器，也不要输出电容，通常采用正负对称电源供电。

该电路克服了OTL电路中输出电容的不良影响，如低频性能不好、放大器工作不稳定，以及输出晶体管和扬声器受浪涌电流的冲击等。

随着技术的发展，人们又推出了DC功放，它是在OCL的基础上发展起来的。

性能要优于OCL功放。

BTL电路。

它的特点是把负载扬声器跨接在两组性能相同、输出信号相位相反的单端推挽功率放大电路之间，这样在较低的电源电压下能得到较大的输出功率。

通常采用单组电源供电。

它的缺点就是输出端不能接地，给电路测试带来了困难。

根据上述的材料，我决定做一个做为家用的功放，特点是：

前后级合并、甲乙类、DC功放，电路包含了音调、音量、平衡调节电路，互补差分电路，预激励级，激励级，功率放大级，保护电路，电源电路等电路。

音调电路采用了运放，末级电路采用了场效应管。

（DC功放是针对OTL和OCL功放电路的缺点在OCL电路的基础上改进而成的，DC是表示该电路的低频响应可以一直扩展到“直流”的意思，把OCL电路的输入放大级改成互补差分放大器，以实现全对称的平衡激励，输出电路仍用OCL的形式，就成了DC放大器。

DC电路由于去掉了输出电容、自举电容和反馈电容，使这些电容的不良影响随之消除，因此，瞬态指标比OCL电路高，还提高了放大器工作的稳定性。

）

DC功放的特点:

1、减小了大环路负反馈量，增大每一级的内部反馈量。

2、用特征频率ft为几百到几千兆赫兹的超高频中功率管作末前级和前级电压放大，这样就去掉中和电容或减小中和电容的数值，减小瞬态互调失真。

3、提高电路的对称性，如前级用甲类或推挽放大，平衡激励，采用全互补输出管等。

4、使电抗元器件减至最少，必须存在的电感元件加均衡补偿。

5、必要时限制前级的高频通带，使功放级的频响范围宽于前级放大器的频响范围

（二）、组成框图：

功放由：

输入级，预激励级，激励级，功率放大级，电源，调节电路，保护电路等组成[01]如（图1、1）。

输入级起着缓冲作用，其输入阻抗较高。

通常要引入一定的负反馈，增加整个功放电路的稳定性并减小噪声，减小末级电路对前级电路的影响。

预激励级的作用是控制其后的激励级和功率输出级两推挽管的直流平衡，并提供足够的电压增益，输出较大的电压以推动激励级和功放级正常工作。

激励级的作用是给功率输出级提供足够大的激励电流及稳定的静态偏压。

激励级还与功率输出级一起向扬声器提供足够的激励电流，以保证扬声器正常工作。

此外，功率输出级还向保护电路功率指示电路提供控制信号，向输入级提供负反馈信号。

功率放大级就是进行单纯的功率放大，它的作用就是尽可能原原本本地放大来自于前级的信号，对它的要求是，放大倍数尽可能高，而放大后信号的失真程度应尽可能低。

保护电路有多种，如过流保护、过压保护、开机延时保护等。

它们的作用是保护放大电路和扬声器的安全。

　　合并式功率放大器，就是将前级放大器和后级放大器合并在一起，兼有两者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用的范围较广。

这是因为合并式功放价钱较便宜，且使用方便，完全能够满足一般的家庭需要。

这就是我选择做合并式功率放大器这个方案的原因。

电路原理图见附录A

（图1、1）功放组成框图

二、各部分电路的说明

（一）、输入级

由于OCL电路各级晶体管间均采用直接耦合，温度的变化，电源电压的波动，都会产生零点漂移现象，使OCL电路输出端中点产生偏离，使电路性能恶化，因此，OCL电路往往在前级采用温度稳定性较好的差分输入电路来克服零点漂移现象。

为使电路工作在DC状态，就采用了全对称互补差分放大电路，正半周时用一组差分，负半周时用一组差分。

这种电路虽然采用了乙类放大器的形式，但却不存在乙类放大器所有的交越失真，使得输入级的效率得到有效地提高。

对电路的要求是；两个电路的参数完全对称，管子的温度特性也完全对称。

由于电路对称，如（图2、1）所示：

Q1—Q4组成互补差分电路，当输入信号U1＝0时，两管的电流相等两管集电极的电位也相等，所以输出电压U0=Uc11-Uc13＝0。

如果温度上升使两管的电流均增加，则集电极的电位Uc11、Uc13均下降。

由于两管处于同一环境温度，因此两管电流的变化量和电压变化量都相等，即△Ic11=△Ic13,△Uc11=△Uc13，其输出电压仍然为零。

这说明，尽管每一管子的静态工作点均随温度而变化，但Q11、Q13两端之间的输出电压却不随温度而变化，且始终为零，故有效地消除了零漂。

这就是靠电路的对称性来消除零漂的，如果元件的参数相差太大，就没有抑制零漂的效果了。

（图2、1）差分输入电路

信号流程：

Q11b为正时，Q11正偏导通，Q13反偏截止，从Q11c输出音频信号至Q21b。

当Q11b为负时，Q11反偏截止，Q13正偏导通，音频信号从Q13c输出至Q22b。

Q12/Q14的基极接收来自中点的反馈信号，以改善放大器的性能。

电路元件参数的选择：

首先选择差分管，由于该部分电路是输入级，所以对管子要求较高，才能有效的抑制零飘，但功率不用太大，所以选择了2N5551（NPN）、2N5401（PNP）这一对对管。

这一对管子是小功率 、 低频管，可用3DG12，8550，8050G来直接代换（极电级耗散功率Pcm=0.625W；极电级最大电流Icm=0.6A；集电极—发射极最小雪崩电压Vceo=160V；直流电流增益hfe最小值80db,直流电流增益hfe最大值250db。

最小电流增益带宽乘积Ft=100MHz。

对于三极管的选择来选择电源电压为21V左右的正负双电源；偏置电阻的选择：

根据公式（2-1）（2-2）（2-3）：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

硅管：

，取0.7V，

锗管：

，取0.2V

图中元件参数为参考参数，在实际应用中还得跟据电压的不同来选择不同的电阻值，

（二）、激励级

激励级包括预激励级和推动级。

如（图2、2）

预激励级由Q21、Q22组成，为推动级提供一较大的输入信号，Q21、Q22的基极信号分别来自Q11、Q13的集电极，经Q21、Q22放大后从集电极输出。

在预激励级输出至推动级的输入之间加上偏值调节电路Q23、R2p、R21，为后级提供静态工作点，改变R2p的电阻值，就能改变后级的静态工作点。

推动放大级是由Q24——Q27四个晶体管组成的放大电路，推动级主要完成电压放大任务，以输出足够大的电压提供给末级放大电路。

推动级的信号由预激励级提供，偏置由偏值调节电路提供，放大后的信号送至功率放大级。

工作原理：

Q11输出时（Q11放大倒相输出为负极性信号），Q13没有输出，Q22截止，Q21放大输出并倒相为正极性信号，至Q24,使Q24放大在送至Q25,Q25在放大输出至Q31、Q32；Q13输出时（Q13放大倒相输出为正极性信号），Q11没有输出，Q21截止，Q22放大输出并倒相该信号，由正极性变为负极性，送至Q26放大输出，在经过Q27放大输出至功率放大级的Q33、Q34，就是激励级由两级放大电路组成，激励级前有一级预激励级。

（至Q31、Q32的为正Q33、Q34的为负）

（图2、2）激励电路

Mje15030/mje15031参数：

电流参数：

IC=8A/IB=2A

电压参数：

UCEO=250V/UCBO=250V/UIEBO=5V/UCE（sat）=0.5V

功率：

PD=2W

特征频率：

fT=30MHz

（三）、末级放大

如图（2、3），采用2组场效应对管并联作为末级放大电路，为负载提供足够大的功率，以便推动较大功率的音箱。

采用场效应管是因为场效应管的音色和电子管的音色相似而且场效应管有很大的放大倍数，不需要用输出耦合变压器。

工作过程：

Q25输出时，Q27没有输出，即Q33、Q34截止，Q31、Q32放大输出。

当Q27输出时，Q25没有输出，Q31、Q32截止，Q33、Q34放大输出。

R35、R36、R37、R38起着射极负反馈的作用，可以稳定电路的工作点；R39、C31的作用是防止高频干扰；

（图2、3）末级放大电路

型号

管型

极性

VGS（V）

IDSS（A）

PW（W）

GmMin-typ

CIS（PF）

2SK1529

MOS

N

200V

10A

120W

2～4

700

2SJ200

MOS

P

-200V

-10A

120W

2～4

1300

（四）、电源

如（图2、4），电源变压器采用两组不同输出电压的正负双电源（变压器容量要足够大），分别为前级和后级提供所需电压，经过整流滤波输出所需电压。

43V电源是为功率放大级提供的，21V是为差分电路提供的，15V是为音调调节电路提供的。

（图2、4）电源电路

根据变压器的次级输出电压，可用公式（2－4）来计算整流滤波后的电源输出电压为

、

、

。

用公式（2－5）来计算滤波电容的容量。

（2-4）

（2-5）

（五）、调节电路

调节电路包括：

音源选择、音调调节、音量调节、左右声道平衡控制等电路。

调节电路如（图2、5），这是一个声道的。

音量调节用电子式的，没有滑动噪声；但其成本比衰减式高，所以还是用负反馈式的，负反馈式的音量调节电路简单，只要一只滑动电位器和一个运放即可，不但节约了成本，而且调试维修比电子式的方便，RW14是音量调节电位器，RW3是左右声道平衡调节电位器。

（图2、5）音调音量控制电路

音调调节电路采用负反馈式音调调节电路，由IC1、IC2、RW11、RW12、RW13、CI2——C16、R12——R18组成，IC的4、8脚接电源。

RW11是低音调节，RW12调节频高，RW13调节中频。

在音调调节电路的输入端接一个三通开关（双刀双置开关），开关的中间与运放相连，两端分别与两个输入插孔相连，按下开关与断开此开关就形成了两路输入信号的转换。

（六）、保护电路

过流保护（图2、6a），过压保护、中点偏离零点保护[15]（图2、6b）

（图2、6a）过流保护（图2、6b）过压、延时保护

当功率放大管出现过流的情况时，经R35（R37）取样，R41（R42）为分流管Q41（Q42）提供偏置，使分流管导通，把功率放大管的输入电流分流一部分，使输出电流减小，达到保护音箱的目的。

扬声器延时及保护电路的工作过程是,开机时,因C53上的电压为零,故Q52、Q53截止,继电器无电未吸合,常开触点不通,扬声器与功放断开。

对C53充电几秒后,C53上电压上升至能使Q52、Q53导通的电压，Q52、Q53导通,继电器吸合扬声器接人功放电路,完成了延时接通。

当功率放大级输出端失调电压过大或输出管击穿损坏时,经R51、C51、C52滤波延时,约1一2秒，Q51导通，Q52、Q53截止，继电器断电，触点释放,扬声器与功放断开,起到保护作用。

三、使用说明

（一）、整机框架

整机框架如图３、１所示，

（图３、１）整机框架

（二）、使用说明

后面板如图３、２所示，

（图２、２）后面板

前面板如图３、３所示，

（图３、３）前面板

功放立体图如图３、４所示

（图３、４）功放立体图

功放的使用首先是信号线的连接，看功放立体图的后面板（左边），有四个输入插孔，竖着的两个是一组输入，有两组，也就是可以输入两种音源，因为本功放只有左右两个声道，所以每一组输入只有两个插孔。

连接好输入信号的连接线后，就开始接输出信号的线了（音箱线），就是功放到音箱的这段线，在后面板的中间，有四个输出插孔，上边两个是红的，下边两个是黑的，与输入插孔一样，都是竖着的两个是一组（一个红的和一个黑的为一组），在后面板的右下边是电源线。

线连好了，接下来就看怎么用了，看前面板，在前面板的右边有一个电源开关，它是控制整个功放与电源的接通或断开的；再从前面板的左边往右边看，第一个按钮是音源选择按钮，是用来选择我们的信号源的；第二个到第六个这五个都是旋钮，分别是低音调节旋钮、中音调节旋钮、高音调节旋钮、平衡调节旋钮和音量调节旋钮；前三个旋钮是调节音调的，平衡调节是调节左右声道的音量平衡，音量调节是调节音量的大小的。

四、结论

本次毕业设计的高保真功放是根据目前功放的社会需求与任务书的要求来做的，本次设计就是针对功放的功能与功放的性价比，使功放的市场更加活跃，另外还巩固了电子线路ＣＡＤ软件protel99se的各种功能的操作。

除此之外，还有很多实践的知识，在前置电路，电路的放大倍数对电路的影响，怎样实现音调频率的调节，级间及输入输出的耦合方式等；在电源电路中，整流二极管型号的选择方法，滤波电容的选择等；在放大电路中，静态工作点的选择等很多实际与理论之间的差别。

参考文献

01：

《模拟电子技术》第二版；江晓安、董秀峰　编著；西安电子科技大学出版社出版

02：

《家用电器单元电路识图与故障分析》胡斌编著；机械工业出版社出版

03：

《实用功放DIY》梗更华编著；福建科学技术出版社出版。

2003.1

04：

刊名：

影音发烧之友《无线电与电视》总第383期；

05：

【作者】李楠，《基于Mutisim的高保真功放仿真分析软件应用》，【刊名】电声技术,2005年01期

06：

《天逸AD－88合并式高保真功放》，【刊名】实用影音技术,2002年10期  

07：

《天逸AD－21/21P多声道AV高保真功放》，【刊名】实用影音技术,2001年08期  

08：

【作者】赵剑青，一款入门级高保真功放【刊名】家庭电子,2001年05期

09：

【作者】秦冬成;景新幸，《前胆后石超甲类高保真功放的研制》，【刊名】电声技术,2000年10期  

10：

《天逸AD－21/21P多声道AV高保真功放》，【刊名】实用影音技术,2000年12期  

11：

【作者】孙德印;孙铁强，《高保真功放的安全检修》，【刊名】电子世界,1999年11期

12：

【作者】秦冬成，《前胆后石超甲类高保真功放研制》，【刊名】桂林电子工业学院学报,2000年02期  

13：

【作者】杨继文，《LM3886高保真功放板》，【刊名】实用无线电,1999年04期  

14：

【作者】彭子光，《用TDA1525制作高保真功放》，【刊名】电子制作,1999年12期  

15：

【作者】周兴华，《LM12及其在高保真功放中的应用》，【刊名】电子世界,1998年10期

16：

【作者】龚广跃;姚银华，《分体式纯甲类高保真功放》，【报纸中文名】电子报,2007/12/09，

【版号】022，【栏目】音响发烧

17：

【作者】金光，《浅谈自制高保真功放的工艺》【报纸中文名】;电子报,2008-08-10，【版号】022，【栏目】音响发烧

致谢

历时四个多月的毕业设计结束了，毕业设计的顺利完成使我获得很多平时没学到的知识，毕业设计是大学四年所学知识的综合运用，也是理论走向实践的第一步，为以后走向工作岗位奠定了基础，经过这次毕业设计，使我对功放有了清楚的认识，对功放的几部分有了更为深刻的理解。

设计中我得到了指导老师的悉心指导，他博深的知识以及对我的严格要求和他严谨的作风都给我留下了很深的影响，将使我终身受益，在此，对指导老师表示感谢，另外，还要谢谢其他的老师以及同学给予的帮助。

附录A：

功率放大电路原理图

功率放大电路ＰＣＢ

调节电路原理图

调节电路ＰＣＢ

电源电路原理图

电源电路ＰＣＢ