高保真音频放大器的设计及原理分析.docx

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高保真音频放大器的设计及原理分析

高保真音频放大器的设计及原理分析

项目要求：

请利用电阻、电容、稳压管、晶体管等元器件，设计一个“失真小、效率高、工作稳定的音频放大电路”（包括前置放大和功率放大等部分），并分析说明其工作原理。

电路涉及：

差分放大、功率放大、稳压电路、反馈电路等。

音频功率放大电路是一种很常用的电子电路，广泛应用于家庭影院、音响系统、立体声唱机、伺服系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及工业制造中的电机驱动等电子系统。

高保真音频放大器的原理分析

Ø音频放大器的重要参数

音频功放虽由运放组成，但与普通的集成运放在几个方面有着比较大的区别：

音频功放要求有大的输出电流和大输出功率，因此静态功耗也要比运放大；同时，对输出信号的失真度要求较高。

1、额定输出功率

额定输出功率是指在规定的总谐波失真条件下，功放在额定负载阻抗上的输出功率。

晶体管功率放大器的额定输出功率应远远大于实际使用需要的平均数出功率，通常应有5-10倍的功率储备余量。

测试信号为100Hz~20kHz的正弦波，输出功率为正弦波的有效值。

2、频率响应

放大器的声音功率比正常功率低3dB时所对应的频率点为下限频率

和上限频率

，上限频率和下限频率之间的频率成为放大器的频率响应。

通常频率响应需要考虑两个指标：

增益频率响应和失真频率响应。

增益频率响应是指对各频率分量的放大能力。

失真频率响应是指功率带宽，即当功率放大器工作在1/2额定输出功率状态下，各频率成分均小于总谐波失真额定值的频率范围。

3、电源纹波抑制比

电源纹波抑制比是描述功率放大器抗电源干扰能力的重要指标。

4、总谐波失真加噪声

总谐波失真用来测试每一个从原始信号产生出来的新频率信号，称成为非线性失真，通常用百分数表示。

当有信号源输入时，输出信号中（谐波及倍频成分）有比输入信号多出的额外谐波成分。

5、增益A0

对音频功率放大器来说，增益通常是指放大器输出功率和输入功率之间的比值。

增益越大说明放大器的效率越高。

要设计出符合电学性能要求的功放，要特别处理好总谐波失真，功耗，噪声三方面的问题，在电路设计中采取适当措施使之得到一定改善。

Ø理想设计指标

本设计为一个具有低失真度、高性能的音频功率放大器。

其主要性能要达到如下指标：

（1）单电源供电，电压范围为6V~18V；

（2）每个声道的输出功率在负载为4

时最大可达6W；

（3）静态电流小，达80mA；

（4）电源波纹抑制比最低为58dB在fi=100HZ~10kHZ;

（5）具有过温保护功能：

电路工作时，当温度升高到150℃以上，过温保护电路将会关断功率输出级，直至温度下降到安全工作区，以保护输出管在高温下不会受到损坏；

（6）低噪声，“POP”噪声比较小；

（7）具有静音待机功能。

Ø电路系统的系统框图及各模块功能

整个电路主要由三部分构成，其中两部分是两个完全相同的三级式功放，还有一部分是静音待机开关的控制部分。

每个三级式功放包括差分输入级，中间级和输出级，输入级限幅电路，反馈电路，输出级过温保护电路以及限流，过压保护电路，偏置和基准电路；待机静音控制部分主要有比较器，基准电压源和偏置电路等模块。

下图为三级功放系统框图：

其中，差动输入级将双端信号进行一定的放大并转换成单端信号输出给下一级。

差分输入级的设计非常重要，是整个电路能否实现大的输入阻抗、低噪声以及低失真度的关键；

限幅电路的功能就是把超过某一幅值的信号削平，电路结构通常用非线性元件构成。

该电路对输入级的输入信号进行了必要的保护和限制，保证在输入信号幅值过大的情况下，也不会对整个电路的性能产生影响；

负反馈电路将放大电路输出端的电压或电流信号的一部分或全部，通过某种电路引回到放大电路的输入端以更好地稳定放大倍数，减小非线性失真，改变输入输出电阻；

中间放大级将差分输入级的输出信号进行进一步的放大，要尽量提高这一级的增益，以启动功率输出级；

偏置电路为各部分提供偏置电流或充当有源负载；

输出部分包括输出级，过温保护电路，限流、限压保护电路。

其中输出级的主要功能是在可以接受失真的情况下，为负载提供指定的信号功率，为了不使电压增益手相关负载阻抗的影响，设计中要尽量减小输出阻抗。

过温保护电路：

由于功率集成电路耗散的功率较大，发热量大，芯片的温度较高，功率管损坏的可能性也较大，所以必须设置过温保护电路。

该音频功放中的过温保护电路的热关断点设置在150℃左右。

当温度高于此临界温度，自动开启保护电路，切断功率通路，保护芯片内部器件。

限流限压保护电路：

次功率放大器可输出的最大电流是2.5A，而当有2.5A以上的电流长时间流过输出功率管时，尤其是发生短路负载时，输出电流迅速增加，此时启动限流电路，分流部分输出电流，从而减小功率管上的功耗，达到保护芯片的目的。

另外还有静音待机控制电路图。

综上所述，整个电路由十几个不同功能的模块组成，在基本三级式功放的基础上加入了保护电路模块，限幅电路，反馈电路，用以提高输入级的稳定性；过热保护电路，限流电路为输出级安全有效的工作提供了有力的保障。

静音待机结构模块使该功放应用更广泛，且整个电路所需外围电路简单，使用更方便。

高保真音频放大器的设计

Ø差分输入级的设计

差分电路的主要特点是电路结构对称，元件特性及参数对称，这样可以有效地降低直流失调量，而且线性度也比较好，失真度小。

本设计的差分输入级如下图所示。

输入级采用两级的PNP差分对管，P8、P9、P10、P2组成共集—共射差分输入级，P8、P2是一级差分，P9、P10是二级差分。

信号由P8、P2的基极输入，经电位平移，从P8、P2射极输出，加在P9、P10的基极上，进行了差动放大，再由P9，P10的集电极输出，得到输出信号Vo。

其中P9，P10构成差分输入对管，R4，R5是差分对管发射极负反馈电阻，N12，N10构成电流镜为有源负载，I4，I5为P8，P2的有源负载。

该电路基于普通的差动放大电路增加了P8，P2两个电位平移电路，这样在输入信号和差动对的输入级之间增加了一个VBE，即使当差动对的输入级电压接近0，差动对仍能正常工作，增加了差动输入级能承受的最大差模输入电压范围。

I2，I3为P8，P2提供偏置，可以提高转换速率，因为如果没有I2，I3，则P8，P2的偏置电流要由P9，P10的基极电流来提供，而基极电流很小，所以必然会增加输入级的反应时间。

改进后的电路增大了差末输入范围，且不会降低原有的转换速率。

输入级的偏置电路形成一个闭环稳定系统，可以保证差分对的工作电流不随温度变化，减小对输出级的影响。

Ø反馈电路的设计

反馈电路就是讲放大器输出信号的部分或全部通过反馈网络引回到放大电路的输入端，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，使放大器的失真度得到更进一步的改善，并能改变输入输出电阻。

简图如下：

未接入负反馈的放大器，其放大倍数往往会随电路参数的变化和电源波动而变化，为了提高放大电路工作的可靠性，必须设法提高放大电路放大倍数的稳定性，而放大器的闭环增益只决定于反馈系数F，一般反馈网络由现行比较稳定的电阻元件组成，所以Af基本不受开环增益的影响，与非线性元件没有关系。

实际反馈部分电路图如下：

途中P10，P4，P3，P7构成双极差动放大器，P7的基极为放大器的反相输入端，P3的基极为放大器的同相输入端，反馈信号由J点输入经电位平移、差动放大，由A、B两点输出，与输入级的输出信号丢架，共同组成中间放大器的净输入信号，P11，P14，P15，R9，R11，R20为放大器提供偏置。

Ø限幅电路的设计

输入信号的波形经限幅电路后，只有其中一部分传到输出端，其余部分则被限制而消失。

在模拟电路中，常用限幅电路来处理信号幅值，以适应电路的不同要求或作为保护措施。

限幅电路常采用具有非线性特性的器件来实现，可用二极管组成简单的限幅电路，基本原理图和理想的输入输出波形图如下：

实际修改后的电路图如下：

这个限幅电路使功率放大器的输入信号在输入端受到一定的限制，保证及时在出现输入信号过大的情况也不会对整个电路产生影响。

此图为输入级的限幅电路，N22，N28，N27三个管子以二级管的形式串联，形成基准电压VREF=3VTH=2.1V，P34，P35，P36构成电流镜为基准作偏置。

VREF通过电阻R1接放大器的反相端，作为运放的反相端参考电压。

输入信号通过电容C0、电阻R2从正相端输入，F接运放的同相端。

输入信号在±1.4V范围内变化时，放大器同相端的电位变化范围在2.1V±0.7V，超出此范围输入信号将会失真且无法恢复。

实际输入输出波形如图：

当输入不超过该范围时：

当输入超过此范围时：

Ø中间放大级的设计

中间级也是音频功率放大器的关键部分，因为它既要提高几乎全部的电压增益，还要给出整个功放的输出电压摆幅。

所以要求中间级要有较高的电压增益同时为了减小对前级的影响，还应该具有较高的输入电阻。

具体电路图如下：

其中，N65为射极跟随器，N64是电压放大管，I6，I7为电流源，作为放大管的有源负载，P20是保护管，R21为反馈电阻，C2为补偿电容。

N65作为射极跟随器具有输入电阻高、输出电阻底的特点，可以减小后级对输入级的负载效应。

N64，N64都采用电流镜作负载，可以提高集电极等效输出阻抗，增大开环增益，有利于中间放大级的线性化。

P20是保护管，正常工作时是截止的，若输入信号电压过大，则P20导通，N64的基极电流因P20的分流而减小，从而保护了N64管。

引入R21作反馈电阻可以减小N64的温漂效应，稳定N64的直流静态工作点，同时还有利于N64基极电荷的快速泄放。

C2是补偿电路，引入负反馈可以改善放大电路性能。

Ø输出级的设计

音频功率放大器输出级电路主要实现功率驱动。

输出级与其他不同，一般工作在大信号状态，它的任务是以最小的失真向负载提供足够大的功率。

在功率放大器中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压比较高且电流比较大，所以要增加热保护，过压过流保护电路，以保证管子正常工作。

此电路采用B类输出级，将会直接产生交越失真，大信号失真和关断失真。

大信号失真基本上是由所用放大管的非线性特性大电流摆动引起的，采用负反馈的放大可有效削弱大信号失真。

交越失真，是由输出特性的非共轭性引起的，基本不依赖于频率。

关断失真是由于高频时输出管未能迅速而彻底地关断造成的，具有非常强的频率依赖性。

关断失真实际上是电荷存储、泄放方面的失真问题，如果能够实现以下两个方面的要求，就可以明显减小高频失真。

第一，输出级若能使输出器件的B-E结反向偏置，则载流子吸出速度最大，可使输出器件迅速截止哎；第二，驱动级的电阻越小，排除已储存电荷的速度就越快。

基本设计电路图如下：

使用复合管代替单个晶体管解决了晶体管功率处理能力受限的问题，并且将输出晶体管变成了同类型器件，为选择配对功率管提供了方便。

实际的输出级详图如下：

此电路的工作过程为：

输入信号由E点输入，当信号从静态值向负向增加时，由于N82反向增大，P79的基极电压上升，K点电压、VOUT都跟随上升，P90截止，此时电流I16经N95，N99流向负载RL，向C充电；当信号从静态值向正向增加，由于N82反向放大，K点的电压会负向增加，K点电压、VOUT都跟随变化，已充电的电容CL起着电源作用，从负载RL流向P90、N100。

负载电流使P90的BE结电压有所升高，由于N81，N80，R63，P50压降为一定值，约为3VBE，所以N95，N99截止，几乎没有电流通过，因此不消耗静态功率，从而有效地提高了效率。

Ø过温保护的设计

过温保护电路一般利用二极管、三极管的温度特性作传感器，利用齐纳二极管的正温度系数和三极管BE结的负温度系数，将温度的变化转换为电压差，实现温度到电压的转换。

具体电路图如下：

当温度达到设定的热关断温度点时，O点的电位上升到使N84，N72,N71，N85导通，IC84，IC72增大，IC71，IC85增大，分流了N95，N99,P90，N100基极的电流以致输出管关断，于是静态电流减少，功耗降低，芯片的温度也随之下降，保护芯片不被烧坏。

同时，V0也下降，直至N84，N72，N71，N85都截止，N95，N99，P90，N100的基极电流从0增加，直至达到稳态，芯片开始正常工作。

Ø限流限压保护电路的设计

限流电路的基本工作原理是通过检测功率晶体管的输出电流，当输出电流超过限制电流时，开启限流电路。

而限压电路也为上下对称结构，驱动感性负载，若输出端电压高于VCC，则D2，D3导通，形成正电荷泄放电路，避免输出管的损坏，若输出电压低于0V，D4，D5导通，形成负电荷泄放通路，避免输出管的损坏。

具体电路图如下：

Ø整体电路

将上述电路组成部分与静音待机装置和基准源电路连接在一起就形成了基本的音频功率放大电路，连接如下图：

对该电路进行仿真，发现性能指标基本符合要求。

参考资料

【1】音频功率放大器，范迪，2012年4月2日；

【2】带自适应电源的高效线性音频功率放大器的研究与设计，冯勇，2011年4月13日；

【3】常用电子器件原理及典型应用，汪西川，机械工业出版社。