立体声功率放大器设计.docx

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立体声功率放大器设计

毕业论文（设计）

立体声功率放大器设计

院系：

传媒技术学院

专业：

电子信息工程

班级：

B1001班

姓名：

肖奇峰

学号：

10405010141

指导教师：

梁楚樵

2014年5月4日

立体声功率放大器设计

TheDesignofStereoPowerAmplifier

摘要

随着社会的发展，人们的追求，现代人对听觉的水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，并对音频信号进行适当加工修饰，使声音音质真实优美动听。

因此，我们这次的主要研究对象是立体声功率放大器，功率放大器是在音响系统中把微弱的音频信号放大到足以驱动喇叭单元工作，重放出人耳能听到的声音的设备。

本次设计主要是采用功放芯片LM1875芯片设计的功率放大器，他在应用场合能提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有高增益、快转换速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性。

功放部分的外围结构比较简单，整个功放分为前级放大、音调控制、中级放大和后级放大。

电源部分为对偶式整流电路，分别输出两个不同的电压给功放供电。

本次设计的功放可用于家庭音响，立体声唱机等。

关键字：

立体声集成功放功率放大器

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,people'spursuit,themodernrequirementsforhearinglevelisgettinghigherandhigher,sothesoundqualityrequirementsmoreandmoreauthenticity,sothesoundqualityrequirementsmoreandmoreauthenticity.Andappropriatemodificationofaudiosignal,tomakethesoundqualityrealandbeautiful.Therefore,themainresearchobjectisstereopoweramplifier;thepoweramplifieristheequipmentthataudiosignalamplificationtodrivetheloudspeakerunitworkinsoundsystem,reproducingthehumanearcanhearthesound.ThedesignofpoweramplifierfocusedonusingthepoweramplifierchipLM1875todesign,itwasabletoprovideapplicationwithverylowdistortionandhigh-qualitysound,butalsohasahighgain,fastconversionrate,widebandwidth,largeoutputvoltageswing,largecurrentcapabilityandaverywidepowerrangofpowerandothercharacteristics.Peripheralstructureofpoweramplifierisrelativelysimple;thepoweramplifierisdividedintoafrontamplifier,tonecontrol,intermediateamplificationandafteramplification.Thepowerpartisthedualpowerrectifiercircuit,respectivelytwodifferentoutputvoltagestothepoweramplifierpowersupply.Thedesignofthepoweramplifiercanbeusedforhomeaudio,stereorecordplayeretc.

Keywords:

StereoIntegratedpoweramplifierAmplifier

目录

摘要I

AbstractII

绪论1

1音响技术的发展2

1.1音响2

1.2音响发展历史2

1.3家庭组合音响的种类3

2功率放大器与集成运放4

2.1功率放大器4

2.2集成运放8

3方案设计9

3.1整体电路设计框图9

3.2设计指标9

3.3方案选择9

4集成功放LM1875与NE5532简介11

4.1集成功放LM187511

4.2集成功放NE553213

5电路设计与工作原理15

5.1电路设计15

5.2电路工作原理17

6功放制作与测试18

6.1功放制作18

6.2测试及分析19

参考文献21

致谢22

附录123

附录224

绪论

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情。

早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。

这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。

再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管于，所以不得不采用变压器耦合输出。

变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的[1]。

随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。

最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是准互补电路，通过小功率硅管与一只大功率的NPN硅管的复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。

到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。

元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。

现在的科技发展迅速，新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频放大器同样也不会例外。

在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现[2,3]。

1音响技术的发展

1.1音响

音响是指除了人的语言、音乐之外的其他声响，包括自然环境的声响、动物的声音、机器工具的音响、人的动作发出的各种声音等。

音响大概包括功放、周遍设备（包括压限器、效果器、均衡器、VCD、DVD等）、扬声器（音箱、喇叭）调音台、麦克风、显示设备等等加起来一套。

其中，音箱就是声音输出设备、喇叭、低音炮等等。

一个音箱里包括高、低、中三种扬声器，三种但不一定就三个[4]。

1.2音响发展历史

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低。

上世纪50年代，电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。

由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

上世纪60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。

晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

上世纪60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

上世纪70年代中期，日本生产出第一只场效应功率管。

由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色以及动态范围达90dB、THD＜0.01％（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。

现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出[5]。

1.3家庭组合音响的种类

通常所讲的组合音响有台式组合音响和落地式组合音响两大类。

由于要求组合音响有比较高的声音质量，所以它的两只音箱一般体积都较大。

按主机的结构（层数）划分，音响有一体的和分层的两类。

在一体的组合音响中，它的各部分电路（包括电唱机）都在一个外壳之中，这种结构一般用于低档的组合音响中。

在分层的组合音响中，根据机器的档次不同所分的层数也不一样。

分层较多的组合音响中有：

电唱机一层、CD唱机一层、调谐器一层、双卡录放音座一层、音调控制器一层、主功率放大器一层。

在分层较少的组合音响中，电唱机、CD唱机各分一层，其他为一层。

微型化、数字化、专业化、影视化是家庭音响必然的发展趋势[4,5]。

2功率放大器与集成运放

2.1功率放大器

2.1.1功率放大器的定义

利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

功率放大器，简称“功放”。

很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

2.1.2功率放大器的特点及要求

（1）输出功率P0尽可能的大

（2）效率要高

（3）非线性失真THD要小

（4）功率管得散热要好

2.1.3功率放大器的种类

（1）A类放大器

A类放大器的主要特点是：

放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。

电路简单，调试方便。

但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。

由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

（2）B类放大器

B类放大器的主要特点是：

放大器的静态点在（Vcc，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真”较大。

即当信号在-0.6V~0.6V之间时，Q1和Q2都无法导通而引起的。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

（3）AB类放大器

AB类放大器的主要特点是：

晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。

可以避免交越失真。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

（4）D类放大器

D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

具有效率高的突出优点。

数字音频功率放大器也能看成是一个一比特的功率数模变换器，放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成。

D类放大或数字式放大器是利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。

B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。

而D类放大器具有效率高、低失真、频率响应曲线好，外围元器件少的优点。

AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

（5）T类放大器

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制与D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。

但它和普通D类功率放大器不同的是：

第一，它不是使用脉冲调宽的方法，Tippah公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。

它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。

输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。

从而使音质达到高保真线性放大。

第二，它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。

使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。

此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。

DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。

在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及[6]。

2.1.4功率放大器两大电路

省去输出变压器的功率放大电路通常称为OTL电路。

OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路。

通常采用电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。

图2-1互补对称OTL功率放大电路图

OTL电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。

过去大功率的功率放大器多采用变压器耦合方式，以解决阻抗变换问题，使电路得到最佳负载值。

但是，这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点，目前已较少使用。

OTL电路不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路，如图2-1。

它的特点是：

采用互补对称电路（NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出），有输出电容，单电源供电，电路轻便可靠。

“两组串联的输出中点”可理解为采用互补对称电路（NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出）。

优点：

效率高，可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路

缺点：

会出现交越失真，需要通过体积较大的电解电容作为输出耦合

省去输出端大电容的功率放大电路通常称为OCL电路。

OCL电路称为无输出电容直接耦合的功放电路，如图2-2。

图中V1为NPN型晶体管，V2为PNP型晶体管，当输入正弦信号Ui为正半周时，V1的发射结为正向偏置，V2的发射结为反向偏置，于是V1管导通，V2管截止。

此时的ic1≈ie1流过负载RL。

当输入信号Ui为负半周时，V1管为反向偏置，V2为正向偏置，V1管截止，V2管导通，此时有电流ic2通过负载RL。

由此可见，V1、V2在输入信号的作用下交替导通，使负载上得到随输入信号变化的电流。

此外电路连成射极输出器的形式，因而放大器的输入电阻高，而输出电阻很低，解决了负载电阻和放大电路输出电阻之间的配合问题[3]。

优点：

电路省掉大容量，频率特性好，改善了低频响应，有利于实现集成化

缺点：

三极管发射极直接连到负载电阻上，若静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大的电流长时间流过负载，造成电路损坏，需要双电源供电，对电源的要求稍高。

图2-2OCL功率放大电路图

2.2集成运放

2.2.1集成运放的介绍

集成运放实际上是一种高增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器。

它之所以被称为运算放大器，是因为该器件最初主要用于模拟计算机中实现数值运算的缘故。

随着集成电路技术的发展，集成运放的性能越来越好。

目前集成运放的发展方向是更低的漂移、噪声和功耗，更高的速度、增益和输入电压，以及更大的输出功率[7]。

2.2.2组成部分

它主要由输入级、中间级和输出级组成。

输入级主要由差动放大器构成，以减小运放的零漂和满足其它方面的性能，它的两个输入端分别构成整个电路的同相输入端和反相输入端。

中间级的主要作用是获得高的电压增益，一般由一级或多级放大器构成。

输出级一般是电压跟随器（电压缓冲放大器）或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高运放的带负载能力。

偏置电路则是为各级提供合适的工作点和能源的，此外为获得电路性能的优化，集成运放内部还增加了一些辅助的环节，如电平移动电路、过载保护电路、频率补偿电路等。

其内部组成框图如下:

图2-3集成运放组成框图

2.2.3集成运放的基本性能特点

集成运放均采用了直接耦合放大电路：

所谓直接耦合，是指电路的前级输出端和后级的输入端之间直接连接的一种耦合方式。

集成运放具有良好的低频频率特性，可以缓慢变化甚至接近于零频的信号。

集成运放具有良好的抑制零漂的性能：

集成运放利用差动放大器的良好的对称性，并且在内部引入了直流负反馈，因此具有良好的抑制零漂的性能。

集成运放实际上是一种高增益的电压放大器，其电压增益可达100dB。

另外其输出阻抗阻抗很高，BJT型运放可达几百千兆欧以上，MOS型运放则更高；而输出电阻较小，一般在几十欧左右，并有一定的输出电流驱动能力，最大可达几十到几百毫安[8,9]。

3方案设计

3.1整体电路设计框图

图3-1整体电路设计框图

整体的功放电路分为四个部分：

前级放大，音调控制，中级放大和后级放大。

电源部分分别为整个电路中的放大电路供电。

3.2设计指标

（1）采用集成功放器件设计音响功率放大器。

（2）具有送话器，线路两路输入，具有音响电路要求的音调电路，功放电路可由TDA2030等IC组成。

（3）具体要求参数P0=40W以上（THD<3%）RL=8ΩfBW=50HZ-20KHZ。

（4）输入阻抗R^>20KΩ，音调控制1KHZ：

0dB，125HZ和8KHZ处±12dB，Au>=20dB（选做）。

3.3方案选择

（1）OTL（Outputtransformerless）电路，称为无输出变压器功放电路。

是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输出变压器的功放电路，它是高保真功率放大器的基本电路之一，但输出端的耦合电容对频响也有一定影响。

OTL电路的主要特点有：

采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4Ω、8Ω、16Ω之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2Vcc，额定输出功率约为/（8RL）。

（2）OCL（Outputcondensertless）电路，称为无输出电容功放电路，是在OTL电路的基础上发展起来的。

OCL电路的主要特点有：

采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好；扬声器一端接地，一端直接与放大器输出端连接，因此须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择4Ω、8Ω或16Ω的负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为/（2RL）。

需要指出，若正负电源值取OTL电路单电源值的一半，则两种电路的额定输出功率相同，都是/（8RL）。

（3）BTL（Balancedtransformerless）电路，称为平衡桥式功放电路。

它由两组对称的OTL或OCL电路组成，扬声器接在两组OTL或OCL电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。

BTL电路的主要特点有：

可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便[3]。

在网上查阅相关功放芯片的资料，发现集成功放LM1875和NE5532在许多音响电路中都有应用，相比其它同类芯片它们的性价比比较高，而且功率能满足设计指标。

所以根据设计要求以及制作成本的考虑最终方案确定如下：

本次设计选用集成功放NE5532作为前级放大和中级放大的芯片，集成功放LM1975作为后级功放部分的芯片，均选用OCL电路，电源部分采用对耦式整流电路。

4集成功放LM1875与NE5532简介

4.1集成功放LM1875

4.1.1集成功放LM1875实物图

图4-1LM1875实物图

4.1.2集成功放LM1875的参数简介

集成功放LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。

该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。

（1）集成功放LM1875主要参数：

电压范围：

16～60V

静态电流：

50mA

输出功率：

25W

谐波失真：

＜0.02%，（当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时）

额定增益：

26dB，（当f=1kHz时）

工作电压：

±25V

转换速率：

18V/μS

（2）集成功放LM1875极限参数：

电源电压（Vs）60V

输入电压（Vin）-VEE-VccV

工作结温（Tj）+150℃

存储结温（Tstg）-65-+150℃

4.1.3集成功放LM1875的电路特点

集成功放LM1875功率较TDA2030及TDA2009都为大，电压范围为16～60V。

不失真功率为20W（THD=0.08%），THD=1%时，功率可达40W（人耳对THD<10%以下的失真没什么明显的感觉），保护功能完善。

其接法同TDA2030相似，也有单双电源两种接法。

集成功放LM1875是美国国家半导体器件公司生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。

该集成电路在±25V电源电压RL=4Ω可获得20W的输出功率，在±30V电源8Ω负载获得30W的功率，内置有多种保护电路。

广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。

电路特点：

1.单列5脚直插塑料封装，仅5只引脚。

2.开环增益可达90dB。

3.极低的失真，1kHz，20W时失真仅为0.015%。

4.AC和DC短路保护电路。

5.超温保护电路。

6.峰值电流高达4A

7.极宽