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毕业设计高品质功率放大器

高品质功率放大器的设计

摘要：

高品质功率放大技术的发展，使整个音频功率放大技术领域发生了巨大的变化。

现代人对听觉水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，高品质音频功率放大技术克服了这个缺点，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，同时对声音信号进行必要的修饰和加工，因此，我们这次的研究对象是高品质功率音质放大技术，本文主要介绍LM1875音频放大器的设计，它在音频应用场合提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有了高增益、快速转换速率、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。

系统采用大回环电压负反馈控制输出，配以普通双路桥式整流滤波电路，放大器采用内部补偿，增益控制在26dB左右。

它可用与高品质音频系统、立体声唱机等等[1]。

关键词：

LM1875高品质功率放大

high-qualityPowerAmplifier

Abstract：

High-fidelityaudiotechnology,audiotechnology,thewholehasundergonetremendouschanges,whichnotonlycombinestheaudiotechnologyandamplifiertechnology,modernpeopleincreasinglyhighdemandonthehearinglevel,sotheauthenticityoftheaudiosoundqualityhavebecomeincreasinglydemandingmore,high-fidelitysoundtoovercomethisshortcoming,itcanhonestlyreflectthevoicesignaltone,pitchandsoundqualityandstrongcapacitytofacethecondition,whilethesoundsignalandprocessingthenecessarymodifications,sothistimewestudyisthehigh-fidelityaudio,thisarticleintroducestheLM1875audioamplifierdesign,whichinaudioapplicationswithverylowdistortionandhigh-qualitysound,alsohasahighgain,fastslewrate,widepowerbandwidth,largeoutputvoltageswing,highcurrentcapabilityandverywidesupplyrangeandothercharacteristics.Usinglargeloopnegativefeedbackcontrolvoltageoutput,togetherwiththeordinarytwo-waybridgerectifierfiltercircuit,amplifierwithinternalcompensation,gaincontrolisabout26dB.Itcanbeusedwithhigh-qualityaudiosystems,stereoplayerandsoon.

Keywords:

LM1875High-fidelitypoweramplifier

目录

第一章绪论1

1.1音频放大电路的回顾和展望1

1.2音频功率放大电路的简介1

1.3音频放大器分类2

2.9屏蔽5

第二章音频放大器的设计6

2.1设计要求6

2.2设计过程6

第三章LM1875的简介15

3.1LM1875中文资料（引脚图，性点,参数及应用电路）15

3.2LM1875的工作原理：

15

3.3LM1875的电路特点16

第四章电路设计17

4.1典型应用电路17

4.2双电源音频功率放大器原理图17

4.3双电源音频功率放大器PCB图18

第五章电路制作与调试19

5.1利用PCB制作电路板19

5.2装配与调试19

总结21

参考文献（References）22

致谢23

第一章绪论

1.1音频放大电路的回顾和展望

随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8Ω（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块USP3；可对1~2000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。

各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。

晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。

20世纪80年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。

电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。

晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。

80年代中期欧洲首先推出了采用MOSFET音频场效应管功放。

MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。

但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为150W/8Ω等。

90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。

西班牙艺格公司（ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。

第3代MOSFET功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外MOSFET开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。

数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。

1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。

主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。

美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放，取名为“T”类功1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。

1.2音频功率放大电路的简介

音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。

然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。

主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。

为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。

进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。

从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。

陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。

所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的，都希望能够有较长的使用寿命。

就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。

它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。

因为，功率越大，效率也就越重要。

而随着人们的居住条件的改善，高品质音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。

在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。

这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

1.3音频放大器分类

长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类（甲类）和AB类（甲乙类）。

其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类（乙类）电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。

所有的自称为高品质放大器均工作于推挽式的A类（甲类）。

随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。

就放大器的类别而言，已不限于A类（甲类）和AB类（甲乙类）。

这里将各种类别的放大器简介如下。

不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类（甲类）、AB类（甲乙类）和B类（乙类）这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。

　　1、A类（甲类）放大器

A类（甲类）放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。

这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。

A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。

其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。

这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。

另一类可称作为控制电流源型（VCIS），它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。

这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。

　　2、B类（乙类）放大器

B类（乙类）放大器，是指器件导通时间为50％的一种工作类别。

这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99％是属于这一类。

　　3、AB类[甲乙类）放大器

AB类（甲乙类）放大器，实际上是A类（甲类）和B类（乙类）的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。

该类放大器的偏置按B类（乙类）设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类（甲乙类）。

AB类（甲乙类）放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类（甲类）；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。

这样在AB类（甲乙类）状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类（甲类）或B类（乙类）。

不过笔者认为，它的正当使用在于它对A类（甲类）的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。

　　4、C类（丙类）放大器

C类（丙类）放大器，是指器件导通时间小于50％的工作类别。

这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。

　　5、D类（丁类）放大器

这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制（PWM），其效率在理论上来说是很高的。

但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感（考虑立体声），成本自然不会低。

此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。

　　6、放大器的电源

极端重视电源的现代放大器“放大器不过是电源的调制器”，这句话道出了放大的实质。

既然如此，又有什么理由不引起对电源的高度重视呢。

电源部份作为推动扬声器发声的源泉，再也不应象过去那样随便找个整流电源接上了事。

对电源的要求有两个方面，即纹波噪声小，输出能力强。

噪声小比较容易办到，只要加大滤波电容器的容量就可以，但是要做到输出能力强却不简单。

首先要加大电源变压器的容量，这是过去一些放大器生产厂所不乐意的，因为加大电源变压器容量会使成本大量增加，整机的重量和体积也会加大；但现在听小喇叭的人越来越多，这些小喇叭大多效率很低，有些名牌音箱如CelestionSI一6O0或Ro3ersLS3／5a，十分大食难推，再加上现代节目信号中常常出现一些炮弹爆炸，锣鼓敲击的声音，对放大器是一个极为严峻的考验，同样两台100W的放大器，一台可能让你感觉到大炮地动山摇的震撼力，而另一台可能象是破鼓在“咐咐”作响。

所以现代优质的功率放大器的电源储备量十分惊人，往往采用巨大的环形变压器，再配合容量达数万甚至数十万徽法的电容器，以提高电源的瞬时供应能力。

KRELI的功率放大器号称“功率发动机”，如KSA一250功效，在8Ω时输出功率为250W／每声道，4Ω时为500W，2Ω时为1000W，lΩ时为2000W，而且任何状态下失真均小于0.1％，真是惊人！

MarkLevi2zson的产品也是极端重视电源的典范。

提高电源的质量，不仅是量的加大，还有质的提高。

滤波电容是一个关键，它除了起平滑滤波和储能的作用以外，还是音频信号的通路，因此优质放大器中常常采用专门为音响用途而生产的电容器，以求获得更好的音质。

KRELLKAS放大器中，电源部份竟然采用稳压电源供电，这台机器可以在纯甲类状态下输出400W的功率，为此，其电源部份也付出了采用60只大功率晶体管的代价。

[2]

2.9屏蔽

　　在电子装置或导线的外面覆盖易于传导电磁波的材料，以防止外来电磁杂波对有用信号产生干扰的技术。

[4]

第二章音频放大器的设计

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：

20W。

2．负载阻抗：

8Ω。

3．通频带Δfs:

为20HZ–20KHZ。

4．音调控制要求：

1KHZ（0dB），10KHZ（±12dB），100HZ（±12dB）

5．灵敏度：

话筒输入：

5mV。

线路输入：

0.775V。

2.2设计过程

1.拟定总体方案：

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高品质放音系统中，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，它将甲类功放的高品质度与乙类功放折衷，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，本课题觉得采用LM1875作为功率放大器。

图3-1系统组成框

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.单元电路的设计[9]

（1）前置放大级

①电路形式的选择

由于信号源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，对于信号源，其负载约为47KΩ，所以选用电压串联负反馈方式的同相比例放大器，它可以使输入电阻增大，输出电阻减小，且输入输出电压同相。

又因为前置放大级的增益为44dB，即158倍，取160倍，前置放大级电路采用二级，第一级与第二级采用电容耦合方式，总的电压放大倍数为Auf=160，设计中选用Auf1=1，Auf2=160。

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3-2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

（2）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）音调控制级

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3-3音调控制级电路图

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。

工作状态及元件参数计算：

第一：

低频时的情况：

低频提升与衰减，电路图如下图4（a）和图4（b）所示：

图3-4低频提升与衰减电路

增益为：

A（jω）=

=-[（RP31+R32）/R31]*[1+（jω）/ω2]/[1+（jω）/ω1]

式中：

ω1=1/（RP31*C32），ω2=（RP31+R32）/（RP31*R32*C32）

当f

AVL=（RP31+R32）/R31

在f=fL1时，因为fL2=10fL1，故可得

AV1=（RP31+R32）/

R31

此时，电压增益AV1相对于AVL下降了3dB。

在f=fL1时，可得AV1=[（RP31+R32）/R31]*（

/10）=0.14AVL

此时，电压增益AV2相对于AVL下降了17dB。

同理可得低频衰减的相应表达式。

第二：

高频提升与衰减：

高频等效电路如图3-5所示：

图3-5高频等效电路

电阻关系式为：

Ra=R31+R31+（R31R31/R32）

Rb=R34+R32+（R34R32/R31）

Rc=R31+R32+（R32R31/R34）

若取R31=R32=R34，则上式为：

Ra=Rb=Rc=3R32=3R34

高频提升与衰减的等效电路如下图6所示：

图3-6高频提升与衰减电路

增益函数表达式为：

=

=-

式中，

，

时，

视为开路，电压增益AV0=1（0dB）。

在f=fH1时

AV3=

AV0

此时电压增益AV3相对于AV0高3dB。

在f=fH2时，

AV4=

AV0

此时电压增益AV4相对于AV0提高了17dB。

当

时，

视为端路，此时电压增益

AVH=（Ra+R33）∕R33

同理可以得图示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。

又已知

，由计算式得：

，则

；

，则

AVL=（RP31+R32）/R31≧20dB

其中，R31，R32，RP31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽视。

但也不能太小，否则流过它们的电流将超过运放的输出能力。

通常取几千欧姆至几百千欧姆。

现取RP31=470KΩ，则

AVL=（RP31+R32）/R31=11（20.8dB）

取标称值0.01

，即

取R34=R31=R32=47K，则

，取标称值

，取标称值470PF

取

，

，级间耦合电容

（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，按照如下方法进行设计:

BTL电路它是在OTL电路和OCL电路的基础上发展起来的新型功率放大电路，其工作原理如下：

图3-7双端推挽放大电路

BTL电路属于双端推挽放大电路，它由四管组成电桥电路，图中对角管同时导通，互为推挽。

负载上输出正负半周波形。

BTL电路可以采用单电源供电，且不需要输出电容，这不仅克服了输出电容的影响，也免除了两组电压对称性的苛刻要求。

BTL的两组对角管轮流导通，互为推挽，在每个信号半周内能利用全部电源电压（除去饱和压降），同单端电路相比，在相同电源电压和相同负载时，前者的输出功率为后者的4倍；换言之，如果负载和输出功率相同，BTL电路对所用的晶体管的耐压要求可比单端电路降低一半，因此，它有易于输出大功率而不损坏输出管的优点。

[7]

目前常见的BTL电路大多是由两个独立的单端推挽电路拼合而成（多见于集成电路），其信号分相是先将信号送入第一个单端电路，放大后经电阻分压再送到第二个单端电路，这样不仅会把单端电路的缺陷带入放大器，而且还会将第一个单端电路的畸变信号经过第二个单端电路放大而进一步加重，因此其特性必然不好。

由BTL的工作原理及特点可知，要满足输出功率为50W的要求，可用两个LM1875组成BTL电路，要想获得好的输出特性，关键是要获得BTL电路所需的两个大小相等，相位相反的音频信号。

通过查询资料（3），可知，可以用一个倒相电路来提供此信号。

如下图所示：

图3-8倒相电路

图中VT组成的单管放大电路没有电压放大作用，它采用分压式偏置供给VT关静态工作电流，从集电极和发射极输出的音频信号大小分别为IcRc和IeRe，由于Ic≈Ie，Rc=Re，所以两路的信号大小相等而极性相反，可将它们分别通过电容耦合到BTL电路的两个同乡相输入端。

则功率放大电路如下图所示：

图3-9BTL功率放大电路

3.元件参数的计算与选取

（1）反馈网