LM1036音频功率放大器的设计.docx

1、LM1036音频功率放大器的设计LM1036音频功率放大器的设计第1章 音频放大器的概述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/8(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12000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

2、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

3、最大输出功率仅为150W/8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

4、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。1.1.1 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

5、，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

6、大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真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。1.1.2 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。所有的自称为高保真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

7、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

8、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。由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。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50100%

9、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

10、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、 E类 (戊类 ) 放大器这类放大器，是一个极端聪明的半导体技

11、术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。7、简介D类放大器的工作原理可能读者都早就熟悉了A类、B类、AB类和C类放大器，其实所有这些放大器的区别只是在于静态工作点的选择。A类放大器具有最大的静态工作电流，也就是它在没有输入信号的时候也会消耗电流，因而显然它的效率是最低的。但是，只要选择合适的工作点，它通常具有最低的失真。B类放大器则选择了 50%的导通时间，它的效率肯定比 A类放大器要高，但是失真也要严重很多。AB类放大器则是介于A类和B类之间。它的导通时间也是介于50%到100%之间。C类放大器是指那些导通时间小于

12、50%的放大器，通常用于负载为调谐回路的射频放大器中。D 类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为D类放大器似乎并不恰当。因为它并不只是放大器工作点的选择。所以也有人称之为“数字音频放大器”。似乎这个名称更为恰当。因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术 PWM(Pulse Width Modulation)。 所谓脉宽调 制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这样， 一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。为什么要这样做呢？因为这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。而原来的

13、模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小(由其饱和电阻决定)，而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小 (只是其漏电流而已)。同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。这种脉宽调制可以用一个等幅

14、三角波来对音频信号进行采样。为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。现在的音频功率放大器主要有电子管式功率放大器、晶体管式功率放大器和集成电路功率放大器等三种。目前，以晶体管或集成电路式功率放大器为主。电子管式功率放大器的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，离散度极小。它的动态范围比较大，过负载能力强，不容易发生饱和削波失真；电路的负反馈深度较浅，也不容易发生瞬态互调失真。这些使电子管功放音色纯美动听。集成电路功放随着集成电路技术的发展而大量涌现出来，它的突出优点是体积小、电路简单、性能优越和保护功能齐全等。晶体管功放是应用最广泛的形式，它的谐波失真已经减少到 0.5以下

15、。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它是一种噪音小、动态范围大的电压控制器件。另外它还具有负温度特性，音色和电子管机相似，保护电路简单。8、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

16、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 Celestion SI 一 6O0或 Ro3ers LS3/5a，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8时输出功率为 250W /每

17、声道，4时为 5O0W，2时为1000W，l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。1.2 放大器性能指标灵敏度:对放大器来说，灵敏度一般指达到额定输出功率或电压时输入

18、端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音箱施加1W的输入功率，在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的声压值 .阻尼系数负载阻抗与放大器输出阻抗之比。使用负反的晶体管放大器输出阻抗极低，仅零点几欧姆甚至更小，所以阻尼系数可达数十到数百。反馈也称为回授，一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路放大倍数的技术 .负反馈导致放大倍数减小的反馈称为负反馈。负反馈虽然使放大倍数蒙受损失，但能够有效地拓宽频响，减小失真，因此应用极为广泛。正反馈使放大倍数增大的反馈称为正反馈。正反馈的作用与负反馈刚好相反，因此使用时应当小心谨慎。动态范围信号最强的部分与最微弱部分

19、之间的电平差。对器材来说，动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力响应:频率响应简称频响，是衡量一件器材对高，中，低各频段信号均匀再现的能力。对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。瞬态响应器材对音乐中突发信号的跟随能力。瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就嘎然而止，决不拖泥带水。信噪比(S/N)又称为讯噪比，信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。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

20、干扰的技术。阻抗匹配一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说，例如信号源连放大器， 前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。第2章 LM1036功率放大器的设计2.1 设计要求1.输出功率:20W。2.负载阻抗:8。3.通频带fs:为20HZ20KHZ。4.音调控制要求:1KHZ (0dB )，10KHZ (12dB )，100HZ (1

21、2dB )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，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

22、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，本课题采用LM1036功率放大器。图2.1 系统组成框图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:20lg(0.005/0.775) 44dB。因为采用的集成芯片LM1036，其输出功率为20W，则负载上的电压:为UL PoRL 12.6 13V又话筒输入为5mV，则整个电路的增益为20lg (13/0.

23、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。2.3 单元电路的设计2.3.1 前置放大级 电路形式的选择图2.2 前置放大器电路图高保真功放IC TDA 1521采用九脚单列直插式塑料封装，是飞利浦215W单片功放集成电路，外围元件极少，使用方便，具有短路保护和静噪功能，电源内阻要小于4欧，以确保负载短路保护功能可靠动作。电器特性参数:(Vcc=16V RL=8f=1KHz Ta=25)1、电源电压:Vcc =7.5 20V 推荐值:

24、15V2、输出功率:Po =212W(THD=0.5%) BTL形式时：Po = 30 W3、电压增益:Gv = 30dB4、通道隔离度:CT=70dB5、输出噪声电压:Vno = 70uV (Rg=2K)有输出功率大、两声道增益差小、有过热过 载短路保护等特点。双电源供电时，省去两个音频输出电容高低音音质更佳。单电源供电时，电源滤波电容应尽量靠近集成电路的电源端，以免电路内部自激。注意:1. 必须加装散热板，不小于200mm100mm2mm。2. 只要变压器功率够大、散热迅速，效果会很好。3. 切不可将输出端与输入端相连，否则迅速烧毁集成块。TDA1521功放电路特点:外接元件非常少。输出功

25、率大，P010W(RL=4)。采用超小型封装(TO-220)，可提高组装密度。开机冲击极小。内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有:短路保护、热保护、地线偶尔开路、电源极性反接(Vsmax=12V)以及负载泄放电压反冲等。注意事项:TDA1521具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。热保护:限热保护有以下有点，能够容易承受输出的过载(甚至是长时间的)，或者环境温度超过时均起保护作用。与普通电路相比较，散热片可以有较小的安全系数。万一结温超过时，也不会对器件有所随害，如果发生这种情况，

26、P0=(当然还有Ptot )和I0逐渐减少。印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流过。装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260，12秒。虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。元器件的选取设计流程:喇叭是功放的终端，要承受10W的功率输出，因此应选用10W以上的4的喇叭，才能保证功率正常的输出，还应考虑在功放与喇叭之间置入8A的保险丝，一旦输出功率有突变，可有效保护喇叭。在电路中承担交变，把突变的交流电压变成脉动纹波电压的过程，因功放电路所取的电流较大，因此整流二极管应取大电流高反向电压的元件，应选取

27、IN4007，它有1A以上的电流和1000V反向电压的能力。滤波电容 C15选取应考虑耐压和大容量，在这选取2200uF/50V的电解电容。变压器的选取应考虑功放电路所需的功率要求，要求将220V变成双20V(1.5A)，供给整流滤波稳压用，因此选取的变压器功率应在100W以上。功放正负(16V )电源的设计由于直流、滤波电路性能优良，可靠性高，外围电路简单，价格低廉，而功放器的电源电压是固定的，本设计采用直流，滤波电路具有同时输出+16V、-16V电压的稳压电路。功率放大器的技术指标测试方法及数据测试仪器XJ1631数显音频信号发生器一台；YB2172晶体管交流毫伏表；CA8010普通示波器

28、一台；EQ4121A失真度测量仪一台；DT930F数显万用表；C-30音频电流表HC-F1000L频率计，负载电阻20W4。技术指标测试方法和数据测试方法:测试前的准备工作：配备必要的仪器仪表。主要有:XJ1631数显音频信号发生器一台；YB2172晶体管交流毫伏表；CA8010普通示波器一台；EQ4121A 失真度测试仪一台；功放的输出端子不接音响，改接负载电阻，RL电阻的阻值与功放的输出阻抗在Z相同，电阻的功率应大于或等于功放的额定功率的3倍以上对于输出端标注电压的功放，其相应端子的输出阻抗可有Z=P /0求出。U0是输出电压(V )，P0是额定输出功率(W )，Z是阻抗() 。测量时所有

29、仪器、设备应按额定供电电压供给(一般为220V/50HZ)，以保证测量精度。若电网电压不稳，应加接交流的稳压器。音频信号发生器的输出抗阻应小于或等于被测供方的输出阻抗，以防止供方输出阻抗过小时影响输入信号的频率稳定度。2.3.1频率特性的测量功放的频率特性是指功放电路对不同的音频频率的放大特性，范围在2020000HZ 之间，理想的功放应对这个范围内的所有的频率具有完全相同的放大作用。如果功放在输不同频率的音频信号时，其输出电压比较一致，则频率特性平稳。频率特性的不均匀性用dB表示，它是以频率为1000HZ时输出电压对其他频率下输出电压比值的对数形式来表示，即频率为f赫兹的信号相对电平为:f

30、赫兹电平(dB) =20logU0/Ui，f赫输出电压 /1KHZ输出电压。毫无疑问，频率为1000HZ信号的基准电平为0dB。对于功放，在 2020000Hz的频率范围内，所以频率的相对电平应在1dB 3dB之间，相对电平数的绝对值越小，功放的频率特性越好，频率失真越小测量线路表示音频毫伏表，RL是负载电阻，Ui，U0分别表示输、输出信号电压。测量过程:现将音频信号发生器调至1000HZ，信号从功放的“话筒”口输入时， 在 Ui=0.35mV；当信号从“线路输入”口送入时，Ui=775mV。2.3.2 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

31、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。2.3.3 功率放大级OCL电路的优缺点:OCL电路具有体积小重量轻，成本低，且频率特性好的优点。但是它需要两组对称的正、负电源供电，在许多场合下显得不够方便。OCL电路是一种互补对称输出的单端推挽电路，为甲乙类电路工作方式，是 OTL (无输出变压器)电路改进设计而成的。它的特点是:前置、推动、功放及至负载扬声器全部都是直流耦合的，即省略了匹配用的输入、输出变压器，也省略了输出电容器，克服了低频时电容器容抗使扬声器低频输出下跌，低频相移的不足，以及浪涌电流对扬声器的冲击，避免了扬声器对电源不对称，使正负

32、半周幅度不同而产生的失真，成为当今大功率放音设备的主流电路。但是，整个放大电路的直耦方式，也成为电路的最大弊端:当某一级电路某一点出现故障时，多数情况下都将造成其余放大级电路静态工作点的牵连变化，出现无声、声音失真、沙哑甚至烧机，给检测、判断故障增加了很大难度。有时一个小小的失误或考虑不周，就造成大面积的烧机，损失严重，让人不敢开机。2.4 LM1036的简介LM1036采用DIP20封装结构，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。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。LM1036主要参数:电源电压9-16V 音控范围75dB低音控制范围15dB 高音控制范围15dB总谐波失真0.06% 通道分离度75dB频率响应250kH。2.4.1 LM1036的工作原理LM1036功放板由一个高低音分别控制的