小功率音频放大器设计CAD.docx

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小功率音频放大器设计CAD

小功率音频放大器设计-CAD

电路CAD课程设计报告

题目小功率音频放大器

学生姓名***

学号**********

学院信息工程学院

专业信息0802

指导教师***

2011年12月25日

引言

在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。

所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

这款功放采用了典型的OCL功放电路，为全互补对称式纯甲类DC结构，功放的每一级放大均工作于甲类状态。

输入级和电压放大级采用线性较好的沃尔漫电路，差分管及电流推动管分别为很出名的K170、J74（可用K389、J109孪生对管对换），率强劲，驱动阻抗2Ω的喇叭也轻松自如，毫不费力。

综合运用了我们前面所学的知识。

设计完全符合要求。

小音功率音频放大器的设计

1、音频功率放大器简介

在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。

所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

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。

1.1早期的晶体管功放

　半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。

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fh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子，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。

“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。

1.2晶体管功放的发展和互调失真

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（图一）。

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，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2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。

　尽管电子管的拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题。

2、音频放大器的设计

功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备，还广泛应用于控制系统和测量系统中。

2.1设计要求：

（1）输出功率：

1～2W；

（2）负载阻抗：

8～16Ω；

（3）通频带Δfs:

为100Hz～10kHz

（4）音调控制要求：

放大器增益0～40dB可调

（5）灵敏度:

话筒输入：

输入信号幅度：

Vp-p＝10～50mV。

2.2设计过程

2.2.1总体方案：

甲类功放的主要优点就是电路简单易行，非线性失真小，适用于小功率的线性音频放大器，现在甲类功放主要用在高档功放产品中。

而乙类功放与甲类功放最主要的不同点就是静态电流小，因此无信号时消耗功率小，可获得较高的效率；但是，乙类功放在工作时，由于两只晶体管交替导通与截止，因而，在两管输出信号波形的衔接处，会产生交越失真；而且功放管在从反偏到零偏再转为正偏转换时，随着信号频率升高，输出信号就会在时间上延迟，出现所谓的开关转换失真。

因此，在实际Hi-Fi高保真放音系统中，一般不采用乙类功放，而采用线性失真小的甲类功放或甲乙类功放。

甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。

而且甲乙类功放的效率可达到78.5%，故本次设计采用甲乙类功放。

通过对设计要求和设计方案的分析，本课题采用LM1875作为功率放大器。

图1系统组成框图

确定各级的增益分配

放大倍数Vs.dB数0dB：

一般将信号电平（0dB）即0.775V作为衡量放大器灵敏度的参考标准。

5mV的dB数为：

。

因为采用的集成芯片LM1875，其输出功率为20W，则负载上的电压：

为

又话筒输入为5mV，则整个电路的增益为20lg（13/0.005）=68dB。

考虑到音调级必要的衰减，增益为－2dB左右。

所以取整个电路的增益为70dB。

则各级的增益如下：

*功放级：

26dB（厂家给定的）

*音调控制级：

-2dB。

*前置放大级：

44dB。

2.2.2元电路的设计

（1）前置放大级

①电路形式的选择

由于信号远输入的信号幅度较小。

不足以推动以后的功放电路。

因此要用电压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大。

其中第一级实际上是一个电压跟随器，它提高了带负载的能力

图2前置放大器电路图

电路中二极管D1作用是：

当线路输入是0.775V时，D1导通，此时LF353

（2）也为一个电压跟随器，信号不经过放大直接到音调控制级的输入端。

当输入为5mV时，不足以让二极管导通，此时LF353

（2）为放大器，信号将放大160倍后到音调控制级的输入端。

②集成运放的选择

因为Auf2=160，根据通频带20HZ–20KHZ，其上线频率为20KHZ，则集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系：

GB≥Auf2fh=180*20KHZ=3.2MHZ

从运放的资料手册中可查出LF353的单位放大倍数带宽GB=4MHZ，满足要求。

③各元件的参数选择和计算

电路中电容C11是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容

或普通电解电容，一般选为10μF，R11可选用较大的电阻，取1MΩ，电阻R12取10K，LF353构成的是放大倍数为160的电压放大电路，同相交流放大电路的平衡电阻可尽量选得大一些，一般为10K以上，这样有利于提高放大电路的输入电阻，由于输入电阻为47K，故选RP2的阻值为47K，R21取1K，耦合电容C12为10μF。

由Auf2=1+R23/R22及R21=R23//R22，Auf2=180可得R21=R22=1K，R23=160K。

C21，C22，C23，C24，主要用于电源旁路滤波，一般C21，C23用电解电容，其值为220μF，C22，C24用普通的电容，一般取值为22μF。

LF353的电源为±15V的直流稳压电源。

（2）调控制级

音调控制器主要是控制，调节音响放大器的幅频特性，他只对低频与高频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。

因此，音调控制器的电路可以由低通滤波器和高通滤波器构成。

由运算放大器构成的音调控制器，电路调节简单，元器件少，因此，我们选用这种电路形式。

图3音调控制级电

图中，电位器

用来调节音量的大小，即为音量控制电路。

设电容C31=C32>>C33，在中，底音频区，C33可视为开路，在中，高音频区，C31，C32可视为短路。

（3）功率放大级

电路形式的选择:

芯片选用LM1875，而一个LM1875的输出功率最大只能达到20W，已能满足本课题的设计要求,故本设计采用单片LM1875。

如果要把输出功率提高到50W，可选择BTL电路。

2.3元件参数的计算与选取

2.3.1反馈网络电阻值的选取

LM1875的增益为26dB，即有：

所以有：

，通常取

=1K左右，则

=20K。

3.3.2隔直电容

，

应满足在下限频率上（

）的容抗远小于R1，取

=

=10μ。

电源旁路电容：

，

3、LM1875的简介

3.1M1875的参数简介

 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。

LM1875主要参数：

电压范围：

16～60V

总态电流：

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

3.2LM1875的工作原理：

LM1875功放板由一个高低音分别控制的衰减式音调控制电路和LM1875放大电路以及电源供电电路三大部分组成，音调部分采用的是高低音分别控制的衰减式音调电路，其中的R02，R03，C02，C01，W02组成低音控制电路；C03，C04，W03组成高音控制电路；R04为隔离电阻，W01为音量控制器，调节放大器的音量大小，C05为隔直电容，防止后级的LM1875直流电位对前级音调电路的影响。

放大电路主要采用LM1875，由1875，R08，R09，C06等组成，电路的放大倍数由R08与R09的比值决定，C06用于稳定LM1875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C07，R10的作用是防止放大器产生低频自激。

本放大器的负载阻抗为4→16Ω。

为了保证功放板的音质，电源变压器的输出功率不得低于80W，输出电压为2*25V，滤波电容采用2个2200UF/25V电解电容并联，正负电源共用4个2200UF/25V的电容，两个104的独石电容是高频滤波电容，有利于放大器的音质。

3.3LM1875的电路特点

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%一下的失真没什么明显的感觉），保护功能完善。

一个不错的选择。

其接法同TDA2030相似，也有单双电源两种接法。

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。

如图1所示，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）列5脚直插塑料封装，仅5只引脚。

（2）环增益可达90dB。

（3）低的失真，1kHz，20W时失真仅为0.015%。

（4）AC和DC短路保护电路。

（5）温保护电路。

（6）峰值电流高达4A

（7）宽的工作电压范围（16-60V）。

（8）内置输出保护二极管。

（9）接元件非常少，TO-220封装。

（10）输出功率大，Po=20W（RL=4Ω）。

4、电路设计

4.1典型应用电路

音频功率放大器的典型应用电路分为两种：

一种为单电源供电，另一种为双电源供电。

两种典型应用电路电路图如下：

图10单电源接法图11双电源接法

LM1875单电源供电与双电源供电的基本工作原理相同，不同之处在于：

单电源供电时，采用R1、R2分压，取1／2VCC作为偏置电压经过R3加到1脚，使输出电压以1／2VCC为基准上下变化，因此可以获得最大的动态范围。

但在本课题中，我们希望能对音频放大器的音量和音频进行调节，即得到更理想更直观的设计，在此次设计中采用双电源供电的方法。

4.2双电源音频功率放大器原理图

综合以上讨论，利用protel99软件画出双电源音频功率放大器原理图：

图12双电源音频功率放大器原理图

4.3双电源音频功率放大器PCB图

在电路原理图的基础上，绘制PCB图如下：

图13双电源音频功率放大器PCB图

5、总结

完成这次设计收获很多，不但进一步掌握了模电的知识及一门专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。

更多的是看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。

理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。

这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。

只有这样我们才能真正的去掌握它，而不是只懂得一点皮毛。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。

而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

参考文献

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