音频功率放大器.docx

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音频功率放大器

学号：

31102138 班级：

通信1102  姓名：

郑航天

学号：

31102141 班级：

通信1104  姓名：

朱宝森

音频功率放大器设计

1.1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。

1.2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，本课题觉得采用LM1875作为功率放大器。

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1-2 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1-3 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1-4 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1-5 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1-6 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1-7 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1-8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1-9 BTL功率放大电路

3.元件参数的计算与选取

（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。

（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：

， 

电路设计

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2-1 单电源接法

图2-2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。

[11]

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2-3 双电源音频功率放大器原理图

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2-4 双电源音频功率放大器PCB图

电路制作与调试

3.1利用PCB制作电路板

由于此图较简单，在实验室我们能很快制作出电路板，下面我将制作电路板的详细过程列举出来：

第1步：

利用