设计制作一款HiFi立体声音频功放l兰双.docx
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设计制作一款HiFi立体声音频功放l兰双
编号
学士学位论文
设计制作一款Hi-Fi立体声音频功放
学生姓名：
兰双
学号：
200100204015
系部：
物理系
专业：
电子信息科学与技术
年级：
10-4班
指导教师：
蔡东红
完成日期：
年月日
中文摘要
高保真的英文原词是HighFidelity，简称HI-FI。
高保真指声频录音及放音系统或设备具有如实反映声音信号本来面貌的能力，以及设备对声音信号进行特定修饰、加工处理和声场再现时声像位置及其移动的逼真程度。
随着社会的发展，人们的追求，现代人对听觉的水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，并能对音频信号进行适当的加工装饰，使声音音质真实优美动听。
因此，我们这次的研究主要对象是高保真家用功率放大器,然而功率放大器是在音响系统中是把微弱的音频信号放大到足以驱动喇叭单元工作，重放出人耳能听到的声音设备。
本设计主要介绍采用LM3886芯片设计的功率放大器，它在应用场合能提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有了高增益、快转换速率、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。
它可用于家用功放，高品质音频系统，立体声唱机等。
关键词：
LM3886、高保真、功率放大器
DesignaHi-Fistereoaudiopoweramplifier
Abstract
HighFidelityoftheoriginalwordinEnglishisHighFidelity,hereinafterreferredtoastheHI-FI.Highfidelityreferstotheaudiorecordingandplaybacksystemorequipmenthastheabilitytoreflectthesoundsignalwouldlikeaudiosignalsandequipmentforspecificmodification,processing,andsoundfieldreappearanceaudio-visualpositiondegreeofvividandmoving.
Withthedevelopmentofthesociety,thepursuitofpeople,themodernhearinglevelofdemandishigherandhigher,sothesoundqualityofaudioauthenticityrequirementmoreandmore,andcanbedecoratedappropriatelyforaudiosignalprocessing,makethesoundqualityreallysoundsbeautiful.Therefore,thestudyisourmainobjectishighfidelityhouseholdpoweramplifier,poweramplifieris,however,inthesoundsystemistheweakaudiosignalamplificationenoughtodrivethehornunitwork,sentouttothehumanearcanhearthesoundequipment.LM3886chipdesignismainlydescribedinthispaperthedesignofpoweramplifier,itinapplicationscanprovideverylowdistortionandhighsoundquality,butalsohasahighgainpower,quickconversionrate,widebandwidth,largeoutputvoltageswing,largecurrentcapacityandthepoweroftheverywiderangeoffeatures.SystemUSESincludevoltagenegativefeedbackcontroloutput,withordinarydoublebridgerectifierfiltercircuit,amplifierusinginternalcompensation,gaincontrolaround26db.Itcanbeusedforhouseholdpoweramplifier,highqualityaudiosystems,stereo,etc.
Keywords：
LM3886、Hi-Fihighfidelity、poweramplifiertationamplifier
目 录
中文摘要1
Abstract1
引言2
1.设计功率放大器的目的意义及其作用3
1.1设计功率放大器的意义：
3
1.2功率放大器的作用4
2.功率放大器的性能指标4
2.1输出功率4
2.2频率响应5
2.3失真6
2.3.2互调失真6
2.3.3交叉失真和削波失真7
3.功率放大器的分类及其特点8
3.1电子管功率放大器8
3.3B类功放（乙类功放）10
3.7OTL功率放大器12
3.8OCL13
3.9BTL14
3.10场效应功率放大器14
4.LM3886音频功放的原理及其设计15
5.电路板的制作与调试18
5.1电路板的制作18
5.2电路板的调试19
6.结语20
参考文献21
致谢21
引言
功率放大器，简称“功放”。
很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出
随着电子技术的发展，音频功放（APA）技术的最新发展进一步提高了音响的音质，以及人们生活水平的不断提高，各种新型家庭影院的新技术、新品种器材不断涌现，市场中的音响设备品种繁多，音响爱好者被商店里的设备搞得眼花缭乱，无从下手，往往投入较大的资金而得不到较好的重放效果。
高保真功放就克服了传统音响的这些缺点.表现出了声音的真实性.我们所做的LM3886高保家用功率放大器就是使重放的声音跟真实的声音高度相似.如果从重放声的角度来讲，高保真音响系统非常讲究表现音乐的内涵和细节，通过器材的重放能够表现出音乐所要表达的深刻含义，与欣赏者产生情感上的交流，在重放时对音乐中的细微声音都能表现出来。
自从爱迪生在1877年发明留声机至今已有120多年了，由当年机械式录音/重播系统发展到现在的高科技数码系统，其中的进步可谓翻天覆地。
不过在这120多年中的音响技术发展却是很不平均的，在发明留声机后的大约60至80年中，音响技术的发展是相当缓慢的不过也取得了一定的成果，例如录放音以电动方式取代了机械方式，开始采用多极真空管等等。
使音响技术得以快速发展是在927年，美国贝尔实验室公布了划时代的负反馈（负回输，NFB）技术，声频放大器从此开始步入了一个新纪元。
所谓高保真（HighFidelity）放大器，其鼻祖应该是追溯至1947年发表的威廉逊放大器，当时Willianson先生在一篇设计Hi-FI放大器的文章中介绍了一种成功运用负回输技术，使失真降至0.5%的胆机线路，音色之靓在当时堪称前无古人，迅即风靡全世界，成为了Hi-FI史上一个重要的里程碑。
在威廉逊放大器面世后4年，即1951年，美国Audio杂志又发表了一篇“超线性放大器”的文章。
第二年6月，又发表了一篇将威廉逊放大器超线性放大器相结合的线路设计。
由於超线性设计将非线性失真大幅度降低，许多人硌起仿效，再次形成了一个热潮。
超线性设计的影响时至今日21世纪仍然存在，可以说威廉逊放大器和超线性放大器标志著负回输技术在音响技术中的成熟。
从那时候开始，放大器的设计和种类可谓百花争艳。
技术的进步是前70年所望鹿莫及的。
现在，音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。
前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小；音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频功率放大器的主要部分，它决定输出功率的大小，要求输出效率高，输出功率大的特点。
对整机的要求是失真小、噪声低，有较好的扩音效果。
1.设计功率放大器的目的意义及其作用
1.1设计功率放大器的意义：
音频功率放大器已经快要一个世纪的历史了，从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，它还在不断的更新、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的加以改进。
音频功率放大器是各种携式的电子设备不可缺少的一部分。
高效率的音频功率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。
在一些设备中，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，高保真的音频功率放大器就成为其中的关键部件，而对音频性能的要求不断提高，需要音频放大器具有更多功能，基本要求是在更低的负载阻抗和更高的输出功率下实现更好的音质。
随着人们居住条件的改善，音频功率放大器也广泛应用在家庭影院、音响系统等设备中。
人们在享受视听盛宴的同时，也在追求着音乐的高保真。
因此，设计一种高保真的音频功率放大器就有很重要的现实意义。
1.2功率放大器的作用
功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱的信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。
在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。
而用于家庭的hi－fi音乐欣赏，av系统放音，以及卡拉ok娱乐的功放，通常我们称为家用功放。
2.功率放大器的性能指标
功率放大器的性能指标很多，有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻尼系数等，其中以输出功率、频率响应、失真度三项指标为主。
2.1输出功率
输出功率是指功放输送给负载的功率，以瓦（W）为基本单位。
功放在放大量和负载一定的情况下，输出功率的大小由输入信号的大小决定。
过去，人们用额定输出功率来衡量输出功率，现在由于高保真度的追求和对音质的评价不一样，采用的测量方法不同，因此形成了许多名目的功率称呼，应当注意。
2.1.1额定输出功率（RMS）
额定输出功率是指在一定的谐波失真指标内，功放输出的最大功率。
应该注意，功放的的负载和谐波失真指标不同，额定输出功率也随之不同。
通常规定的谐波失真指标有1%和10%。
由于输出功率的大小与输入信号有关，为了测量方便，一般采用连续正弦波作为测量信号来测量音响设备的输出功率。
通常测量时给功放输入频率为1000Hz的正弦信号，测出等阻负载电阻上的电压有效值V，此时功放的输出功率P可表为P=V2/RL式中RL为扬声器的阻抗。
这样得到的输出功率，实际上为平均功率。
当音量逐渐开大时，功放开始过载，波形削顶，谐波失真加大。
谐波失真度为10%时的平均功率，称为额定输出功率，亦称最大有用功率或不失真功率。
2.1.2最大输出功率
在上述情况下不考虑失真的大小，给功放输入足够大的信号，并将音量和音调电位器调到最大时，功放所能输出的最大功率称为最大输出功率。
额定输出功率和最大输出功率是我国早期音响产品说明书上常用的两种功率。
通常最大输出功率是额定功率的2倍。
但是，在放音时却有这样的情况，两台最大有用功率及扬声器灵敏度都差不多的功放在试听交响乐节目时，当一段音乐从低潮过去以后突然来一突发性的打击乐器声，可能一台功放能在瞬间给出相当大的功率，给人以力度感，另一台功放却显得底气不足。
为了标志功放这种瞬间的突发输出功率的能力，除了测量上述的最大有用功率和最大输出功率之外，有必要测量功放的音乐输出功率和峰值输出功率。
才能全面地反映功放的输出能力。
2.1.3音乐输出功率（MPO）
音乐输出功率（MusicPowerOutput）是指功放工作于音乐信号时的输出功率，亦即在输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。
国际上还没有统一的输出功率（MPO）和峰值音乐输出功率（PMPO）的测量标准，国外各厂家一般都有各自的测量方法。
通常音乐输出功率为额定功率的4倍。
2.1.4峰值音乐输出功率（PMPO）
通常是指在不计失真的条件下，将功放的音量和音调电位器调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率。
峰值音乐功率不仅反映了功放的性能，而且能反映功放直流电源的供电能力。
一般来说，某一功放的上述几个输出功率有如下关系：
峰值音乐输出功率>音乐输出功率>最大输出功率>额定输出功率。
通常，峰值音乐输出功率是额定输出功率的8-10倍，但无统一定论。
2.2频率响应
频率响应是指功率放大器对声频信号各频率分量的均匀放大能力。
频率响应一般可分为幅度频率响应和相位频率响应。
幅度频率响应表征了功放的工作频率范围，以及在工作频率范围内的幅度是否均匀和不均匀的程度。
所谓工作频率范围是指幅度频率响应的输出信号电平相对于1000Hz信号电平下降3dB处的上限频率与下限频率之间的频率范围。
在工作频率范围内，衡量频率响应曲线是否平坦，或者称不均匀度一般用dB表示。
例如某一功放的工作频率范围及其不均匀度表示为：
20Hz-20kHz，+-1dB。
相位频率响应是指功放输出信号与原有信号中个频率之间相互的相位关系，也就是说有没有产生相位畸变。
通常，相位畸变对功放来说并不很重要，这是因为人耳对相位失真反应不很灵敏的缘故。
所以，一般功放所说的频率响应就是指幅度频率响应。
目前，一般功功率放大器的工作频率范围为20Hz-20kHz。
2.3失真
失真是指重放的声频信号波形发生了不应有的变化。
失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、相位失真和瞬态失真等。
2.3.1谐波失真
谐波失真是由功率放大器中的非线性元件引起的，这种非线性会使声频信号产生许多新的谐波成分。
其失真大小是以输出信号中所有谐波的有效值与基波电压的有效值之比的百分数来表示。
谐波失真度越小越好。
谐波失真与频率有关。
通常在1000Hz附近，谐波失真量较小，在频响的高、低端，谐波失真量较大。
谐波失真还与功放的输出功率有关，当接近于额定最大输出功率时，谐波失真急剧增大。
目前，优质放大器在整个音频范围内的总谐波失真一般小于0.1%；优秀功放谐波失真值大多在0.03%-0.05%之间。
2.3.2互调失真
当功放同时输入两种或两种以上频率的信号时，由于放大器的非线性，在输出端会产生各频率以及谐频之间的和频和差频信号。
例如，200Hz信号和600Hz的信号和在一起，就产生400Hz（差信号）和800Hz（和信号）这两个微弱的互调失真信号。
由于互调信号与自然信号没有相似之处，因此容易使人察觉，在比较小的互调失真度时就可以听出来，令人生厌。
因此，降低互调失真是提高音响音质的关键之一。
2.3.3交叉失真和削波失真
交叉失真又称交越失真，是由于功率放大器的乙类推挽放大器功放管的起始导通非线性造成的，它也是造成互调失真的原因之一。
削波失真是功放管饱和时，信号被削波，输出信号幅度不能进一步增大而引起的一种非线性失真。
削波失真会使声音变得模糊而且抖动。
削波失真是无法消除的，只有在聆听音乐时注意不要使放大器达到满功率极限。
2.3.4瞬态失真和瞬态互调失真
瞬态失真又称瞬态响应，它是指功放瞬态信号的跟随能力。
当瞬态信号加到放大器时，若放大器的瞬态响应差，放大器的输出就跟不上瞬态信号的变化，从而产生瞬态失真。
功放的瞬态响应主要决定于放大器的频率范围，，这就是高保真放大器将频率范围做得很宽的主要原因之一。
瞬态互调失真是现代声频领域里的一个重要技术指标。
由于功率放大器往往加入大环路深度负反馈，而且在其中一般都加入相位滞后补偿电容，因此在输入瞬态信号时，造成输出端不能立即达到最大值，使输入级得不到应有的负反馈电压而出现瞬态过载，产生很多新的互调失真量。
由于这些失真量是在瞬态产生的，所以叫做瞬态互调失真。
瞬态互调失真是晶体管功放电路和集成功放电路产生所谓“晶体管声”、使其音质不及电子管功放的重要原因。
2.4信噪比
信噪比是指功放输出的各种噪声（如交流声、白噪声）电平与输出信号电平的比值的分贝数。
信噪比的分贝值越高，说明功放的噪声越小，性能越好。
一般要求在50dB以上，优质功放的信噪比大于72dB。
2.5输出阻抗和阻尼系数
功放输出端对负载（扬声器）所呈现的等效内阻抗，称为输出阻抗，阻尼系数则是指功放给扬声器的电阻尼的大小。
由于功放电路的输出阻抗是扬声器并联的，相当于在扬声器音圈两端并联一个很小的电阻，它会使扬声器纸盘的惯性振荡受到阻尼。
功放的输出阻抗越小，对扬声器的阻尼越大，因此常用阻尼系数来描述功放电路对扬声器的阻尼程度。
阻尼系数定义为扬声器阻抗与功放输出阻抗（含音箱线电阻）之比，即可见功放的输出阻抗越小，阻尼系数DF越大，表示功放使扬声器不能作自由振荡的制动能力（即阻尼能力）越强。
但是阻尼系数也不是越大越好，从听感上说，阻尼系数太大（成为过阻尼），会使声音发干；而阻尼系数太小（成为欠阻尼或阻尼不足），因振荡拖尾较长，会使低音变得混浊不清，失真增大。
一般来说，对于民用功放来说，阻尼系数取15-100为宜。
对于专业用功放，阻尼系数宜在200-400或更高。
3.功率放大器的分类及其特点
音频功率放大器的类型很多，根据使用器件的不同，可分为，纯电子管、晶体管、集成电路、场效应管功率放大器。
而晶体管功率放大器又分为有输出变压器的功率放大器和无输出变压器（OTL）的功率放大器两大类，后者又分为并联推挽、单端推挽、OCL、DC、BTL等几类。
音频功率放大器按其放大器件的不同来分，有电子管、晶体管、纵向场效应管和集成电路等；按工作状态来分，有甲类、甲乙类、乙类和丁类（开关型功率放大器）等。
一般认为电子管功率放大器（俗称胆机）的音色优于晶体管功率放大器的音色，但因其体积大，耗电大等原因，已被日益完善的晶体管功率放大器所取代。
3.1电子管功率放大器
常见的电子管功放是由功率放大，电压放大和电源供给三部分组成。
电压放大和功率放大组成了放大通道，电源供给部分为放大通道工作提供多种量值的电能。
一般而言，电子管功放的工作器件由有源器件（电子管，晶体管）、电阻、电容、电感、变压器等主要器件组成，其中电阻，电容，电感，变压器统称无源器件。
以各有源器件为核心并结合无源器件组成了各单元级，各单元级为基础组成了整个放大器。
整机电路如图所示：
电子管功放发展历程
60年代以前，在声频领域占统治地位的一直是用电子管装置的各种音响设备，放大器也不例外。
60年代后期，特别是70年代，可说是电子管最不幸的年代。
由于其自身的缺点（体积大、功耗高等），使其渐成淘汰状态，尤其是在国内更是如此。
70年代末期，在国外电子管又开始活跃起来。
进入80年代电子管放大器越来越盛行。
特别是高音质的音源CD机发明后，随着制约电子管放大器的输出变压器技术的进步，电子管放大器能“中和”CD唱机生硬的“数码声”，电子管放大器的地位在提高。
加之老年发烧友当年均领略过其优美的放声，它的复出首先得到了这些人的欢迎。
在国内外，电子管放大器有时甚至是一种身份的象征。
3.2A类功放（又称甲类功放）
A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。
当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。
当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。
A类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（SwitchingDistortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。
但这种设计有利有弊，A类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。
当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。
A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。
A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。
因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。
一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。
所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。
一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。
甲类功放声音上有饱满通透的优点，晶体管功率放大器是由三极管组成的，而三极管是由多组配对（N结及P结），这两个结构成的，当没有外加电压时是截止，只有在上面外加一个偏置电压并且高于它的门限电压，这个N/P结才会导通，有电流通过，三极管才开始工作。
甲类功放是把正向偏置定在最大输出功率的一半处，使功放在没有信号输入时也处于满负载工作状态，使得功放在整个信号周期内都导通都有电流输出。
甲类功放使三极管始终工作于线性区，因此甲类功放几乎无失真，听感上质感特别好，尤其是小信号时，整个声音通透细节丰富。
纯甲类功放它的造价也是惊人的，它电耗等于是一部空调。
特别是百分之百的甲类功放就是指音箱阻抗怎样随频率变化，功放都能保持甲类工作而且输出功率足够，一对音箱虽然它的标称阻抗是8欧姆，便在工作时它的实际阻抗因素是会随频率变化的，时高时低，有时会低至1欧姆，这就要求功放的输出功率能随阻抗降低而倍增，也就是我们常看到的巨甲级数的功放所标输出功率指标，如贵丰单声道旗舰功放安替龙；175W（8Ω）、350W（4Ω）、700W（2Ω）1400W（1Ω），这才是百分之百纯甲功放。
只有这样的功放才能使你听到纯甲类的音质。
3.3B类功放（乙类功放）
B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。
当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。
纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。
B类功放的效率平均约为75%，产生的热量较A类机低，容许使用较小的散热器。
3.4AB类功放
与前两类功放相比，AB类功放可以说在性能上的
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