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功放设计方案

音频功率放大器设计方案

31102140宇洋通信1103

31102391宇超自动化1102

一、设计任务和设计要求：

〔1〕功能：

音频功率放大器用于驱动扬声器发声，将话筒接收到的电信号放大后从扬声器传出。

音频放大器有两种，一种是专用于音频放大的运算放大器，它在音频围有比拟好的性能〔主要是频响特性和失真特性，好的音频放大器这两个特性都非常好〕，一般用于音响的前置放大级；另一种是音频功放，也就是功率放大电路，用于音响的驱动级，可以驱动功率比拟大的喇叭或者音响，使之发出声音；运算放大器是集成放大电路的统称，其概念围比音频放大器〔特指用于前置放大的音频放大器〕大，且有更大的应用围，其频率适用围远远大于音频放大器，往低到直流，高的可以到达几百M甚至G赫兹级。

简单的说，音频放大器就是一种特殊的运放。

〔2〕主要设计指标：

1、负载阻抗：

RL=8Ω

2、额定功率：

P0=20W

3、带宽：

BW≥20Hz~20KHz。

4、音调控制：

低音：

100Hz±12dB

高音：

10kHz±12dB

1KHz处增益为0dB

5、失真度：

γ≤3%

6、输入灵敏度：

Vi<775mV,Vi’<5mV

二、详细设计方案:

根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图1所示框图实现。

下面主要介绍各部

分电路的特点及要求。

图1音频功率放大器组成框图

1、前置放大器

音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进展放大，然后输出驱动扬声器。

声音源

的种类有多种，如传声器〔话筒〕、电唱机、录音机〔放音磁头〕、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差异很大，从零点几毫伏到几百毫伏。

一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率缺乏，不能充分发挥功放的作用；假设输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。

所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进展阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。

另外在各种声音源中，除了信号的幅度差异外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。

对于这样的输入信号，在进展功率放大器之前，需要进展频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即参加频率均衡网络放大器。

对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进展放大和衰减，不需要进展频率均衡。

前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。

由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。

前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置适宜的静态工作点。

由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。

如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。

对于前置放大器的另外一要要有足够宽的频带，以保证音频信号进展不失真的放大。

图2前置级放大器电路图

由于信号远输入的信号幅度较小。

缺乏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展放大，对于信号源，其负载约为47KΩ，所以选用电压串联负反应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。

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，缺乏以让二极管导通，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[18]。

2、音调控制电路

音调控制电路的主要功能是通过对放音频带放大器的频率响应曲线的形状进展控制，从而到达控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。

此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。

在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。

一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号〔一般指1kHz〕不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。

音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反应式两大类，衰减式音调控制电路的调节围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。

负反应式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。

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，电路图如下列图4〔a和图4〔b〕所示：

图4低频提升与衰减电路

增益为：

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

式中：

ω1=1/〔RP31*C32〕，ω2=〔RP31+R32〕/〔RP31*R32*C32〕（3-4）

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5所示：

图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〕

假设取R31=R32=R34，那么上式为：

Ra=Rb=Rc=3R32=3R34

高频提升与衰减的等效电路如下列图6所示：

图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=10/

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

，由计算式得：

，那么

；

，那么

AVL=〔RP31+R32〕/R31≧20dB

其中，R31，R32，RP31不能取得太大，否那么运放漂移电流的影响不可无视。

但也不能太小，否那么流过它们的电流将超过运放的输出能力。

常取几千欧姆至几百千欧姆。

现取RP31=470KΩ，那么

AVL=〔RP31+R32〕/R31=11〔20.8dB〕

取标称值0.01

，即

取R34=R31=R32=47K，那么

，取标称值

，取标称值470PF

取

，级间耦合电容

3、功率放大器

功率放大器的作用是给音响放大器的负载〔一般是扬声器〕提供所需要的输出功率。

功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。

目前常见的电路构造有OTL型、OCL型、DC型和CL型。

有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的开展，全集成功率放大器应用越来越多。

由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、本钱低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。

芯片选用LM1875，而一个LM1875的输出功率最大只能到达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，按照如下方法进展设计:

BTL电路它是在OTL电路和OCL电路的根底上开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[19]。

BTL电路可以采用单电源供电，且不需要输出电容，这不仅克制了输出电容的影响，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，在每个信号半周能利用全部电源电压〔除去饱和压降〕，同单端电路相比，在一样电源电压和一样负载时，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一样，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。

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。

如下列图所示：

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应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。

那么功率放大电路如下列图所示：

图3-9BTL功率放大电路

三、主要单元电路的参数设计：

〔1〕反应网络电阻值的选取

LM1875的增益为26dB，即有：

（3-20）

所以有：

，通常取=1K左右，那么=20K。

〔2〕隔直电容应满足在下限频率上〔〕的容抗远小于R1，取=10μ。

（3-21）

电源旁路电容：

，

4LM1875的简介

4.1LM1875的参数简介

LM1875采用TO-220封装构造，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。

该集成电路部设有过载过热及感性负载反向电势平安工作保护[11]。

LM1875主要参数：

电压围：

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

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℃

4.2LM1875的工作原理

LM1875功放板由一个上下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局部组成，音调局部采用的是上下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[11]。

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。

4.3LM1875的电路特点

LM1875功率较TDA2030及TDA2021都为大，电压围为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。

笔者是一个不错的选择。

其接法同TDA2030相似，也有单双电源两种接法[12]。

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构造。

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，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）极宽的工作电压围〔16-60V〕。

（8）置输出保护二极管。

（9）外接元件非常少，TO-220封装。

（10）输出功率大，Po=20W（RL=4Ω）。