音频功率放大器毕业设计正文.docx

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音频功率放大器毕业设计正文

引言··········································

引言

在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。

所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

这款功放采用了典型的OCL功放电路，为全互补对称式纯甲类DC结构，功放的每一级放大均工作于甲类状态。

输入级和电压放大级采用线性较好的沃尔漫电路，差分管及电流推动管分别为很出名的K170、J74（可用K389、J109孪生对管对换）对管和K214、J77中功率MOS管，功率输出级为2SC5200和2SA1943大功率东芝管并联输出，功率强劲，驱动阻抗2Ω的喇叭也轻松自如，毫不费力。

综合运用了我们前面所学的知识。

设计完全符合要求。

音频功率放大器的设计

1、音频功率放大器简介

在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。

所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

1.1早期的晶体管功放

　半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。

早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。

这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。

再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。

变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。

“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。

1.2晶体管功放的发展和互调失真

随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路（图一）。

最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。

到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到

广泛的应用。

元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。

在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些摧琛夺目的名机，如JBL的SA600，Marantz互补对称电路MOdel15等等。

　尽管电子管的拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题。

瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代，功率放大器的发展史中出现了一件最引人注目的事情，这就是瞬态互调失真（Transientlntermodulation）及其测量方法的提出。

1963年，芬兰Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时，由于接线失误，使电路的负反馈量减少了，后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好，客观技术指标较差，而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了，音质反而比误接时明显下降。

这一现象引起了当时同一工厂的Mr.Otala的重视，之后，他对此进行了悉心研究，于1970年首先发表了关于晶体管功率放大器瞬态互调失真（TIM）的论文。

至1971年,Otala博士及其研究小组就TIM失真理论发表的论文已经超过20篇，引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。

瞬态互调失真的大意是这样的：

　在直接耦合的晶体管放大电路中，为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应，通常对整体电路施加深达40dB一60dB的负反馈，倘若在加负反馈前放大器的开环失真为10％，那么加上40dB的负反馈后，失真即可降低至0．1％，这是电子管功效难以做到的。

晶体管功放由于要施加40dB。

60dB的负反馈，所以对一台增益要求为26dB的放大器，它的开环增益就要达到66、86dB。

如此高的增益之下引入深度负反馈，电路势必会产生自激振荡，因而需要进行相位补偿，一般是在推动级晶体管的集电极——基极之间接接一个小电容C，破坏自激振荡的相位条件，形成所谓“滞后补偿”，

　当放大器输入端输入持续时间非常短的过渡性脉冲时，由于电容C需要充电时间，所以推动管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值，见图四。

显然，在电容C充、放电期间，输出电压V。

将达不到应有的电压值，输入级也不可能得到应有的反馈电压Vf，因而，在过渡脉冲通过输入级的瞬间，输入级将处于负．反馈失控状态，致使输入级严重过载，输出将严重削波（图三a点），引起过渡脉冲瞬时失真（图五）。

如果过渡脉冲波形上还叠加有正弦信号，输出端还会得到很多输入信号频谱不存在的互调频率成份，这就是TIM失真。

　TIM失真和音乐信号也有密切关系，音量大、频率高的节目信号容易诱发TIM失真。

严重的TIM失真反映在听感上类似高频交选失真，而较弱的TIM失真给人以“金属声”的不快感觉，导致音质劣化。

至今，音响界对于TIM失真都还有争议，但这毕竟是人们认识的深化，它使后来放大器的设计思想发生了根本性的变化，即更加注重放大器的动态性能而不是仅仅满足于静态技术指标的提高。

1.3功放输入级——差动与共射-共基

　对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一。

音乐讲究各声部之间的乎衡与统一，美术以色彩搭配均衡、和谐为美，在服装设计中，常常采取看似不对称的设计，其实质也是为了取得视觉上的均衡。

上面所说的都是艺术，对称和平衡给人一种安定、完美的感觉。

有意思的是，在功率放大器中，对称和平衡也有类似的效果。

最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了，一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出，不仅可以免除笨重的输出变压器，而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了，保真度有了很大提高。

稍后，人们从运算放大器的设计中得到启迪，将左右对称的差动式电路用于功率放木器的输入级，电路的稳定性和线性都得到改善，这时的电路结构如图六所示，这一结构直至今天都还有人采用。

如果以现代的眼光来审评，这一电路是显得过时了一点。

电路的主要缺陷在于电压推动级，因为Q1承担了提供电压增益的主要任务，必然是开环失真很大，频带狭窄。

此图六典型的OCL放大器外，单管放大的过载能力也很差，这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。

围绕着改进电压推动级的性能，人们相继提出了多种结构，共射——共基电路就是一个典型的例子。

共射—共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结构，但用于音频电路中同样可以发挥出色的性能。

首先是它的宽频响，由于共基放大管Qs非常低的输入阻抗，使Q，丧失了电压增益，弥勒效应的影响就非常微弱。

宽频响的推动级拉开了与输入级极点的距离，相位补偿变得很’容易，而且电容C的容量可以大大减小，这对于改善TIM失真是很有利的。

第二个优点是电路的高度线性：

共基极电路的输出特性也可以清楚地显示出这一点，有人作过测试，共射一共基电路的失真度比单管共射电路要低一个数量级。

依然是一种不平衡的设计，这一限制来源于输入级。

如果把输入级变动一下，从互补推挽的Q：

和Qg的集电极输出信号，那么电压推动级就可以在图7的基础上再增加一组NPN管构成的共射一共基电路，做到推挽输出，这时电路也就非常对称平衡了，几乎达到了完美的程度。

　当今许多最先进的功率放大器采用的也是这种电路结构。

图八是另一种电压推动级的形式，其输入信号来自图六中的Ql和Qs，当然此时Qz必须加上集电极负载电阻。

电压推动级也采用对称的差动放大，这不仅可以改善输入级的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同样可以降低推动级的失真，因为差动式放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的传输特性，有的电路还在Qn、Qz的发射极串人负反馈反阻，更加扩大了线性范围。

Q2和Qd构成镜像电流源，把Q，的集电极电流转移到Qz上，所以尽管是单端输出，电流推动能力却比原来增大了一倍。

PIONEER的M22K功率放大器就是采用的这种电路结构，取得了非常好的效果。

对称和平衡不仅体现在电路的结构上，还表现于元器件的参数上。

差动电路是集成运放中广泛采用的结构，其性能是建立在两只差分管Hrs和Vss精确匹配的基础之上。

同样，推挽电路中，如果两只异极性的晶体管特性不一致时，对波形的两个半周就不能做到一视同仁地放大，这将增力D电路的失真度。

　随着节目源的变化，音乐中包含大量瞬变、高能量的成份，要完美地重现这些细节，就要求放大器具有良好的动态响应，对晶体管配对的要求就不仅是静态的HrR和VBE匹配，而且在动态时也要高度匹配，这无疑对元器件参数的平衡提出了更苛刻的要求。

幸运的是，半导体技术的进步为我们提供了这种可能，各种各样的差分对管、晶体管阵列陈出不穷，单个的晶体管一致性也得到较大提高。

正是这些优质的元器件，让对称电路设计的优点得以充分体现，今天看到一台全无负反馈的电路也不会觉得惊讶，因为已经有足够好的开环性能了，又何必为了几个仪器上的数据去牺牲放大电路的动态响应呢?

1.4放大器的电源与甲类放大器　

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CelestionSI一6O0或Ro3ersLS3／5a，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8Ω时输出功率为250W／每声道，4Ω时为5O0W，2Ω时为1000W，lΩ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。

重视电源的一个副产物就是甲类放大器再度成为时尚（这并不是贬意）。

甲类放大器一直因为耗电多，效率低而未能在大功率的放大器中得到应用，但它天然的优点是无交越失真，无开关失真，并且谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上十分讨好听众，故而一些极度发烧的爱好者和厂家仍不惜代价地制作甲类放大器，电源储备量的提高更是为制作甲类放大器提供了有利的条件。

1.5其他类型的放大器

　最好的功率放大器还没有出现人们对功率放大器的研究一刻也没有停止过，新的元器件、新的电路形式、新的理论不断出现，放大器的研究也针对这三个方面全面地铺开。

不器件上，VMOS管的使用是八十年代以来的一个新动向。

VMOS管频响宽、线性好、无二次击穿以及电压推动等一系列优点吸引了越来越多的使用者，它的音色也与电子管很接近，投合了胆机迷的口味。

现在主要是缺乏品种众多的P沟道互补管，这个问题相信很快就能解决。

IGBT也是值得注意的一种新器件，它由MOS管与双极晶体管复合构成，兼有VMOS管的电压激励和双极晶体管压降低的优点，很有发展前途。

电路的研究以日本的各家公司最为活跃，近年来，一些公司从全新的角度提出了一系列电路，如YAMAHA的ALA，SONY的电流传输，Technics的CLASSAA，DENON的双超线性，还有英国Quad的电流倾注，都试图消除失真的产生，可是人们更欣赏的却是以精良元件和精湛工艺制作的不带这些附加措施的放大器。

　此外，对电路的客观技术指标与主观音质之间的精确关系还有待弄清，这需要有新的理论作为指导。

国内外的学者们从不同的角度提出了全新的理论，有的认为人耳的动态听觉上限超过了20kHz，有的提出了计权失真度的概念，认为人耳对不同频率的失真具有不同的感知阂值，从10％到0．01％，并给出了实验得出的阂值曲线。

在上述的观点指导下，必然要制作频带更宽，全频带失真都极低的功率放大器，而且节目源也有待改进，当然这些理论的正确性需要通过实践的检验。

新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频放大器同样也不会例外。

在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现。

2、放大器常见名词

2.1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.

2.2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。

2.3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。

2.4动态范围

信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差.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.

2.5响应

频率响应

简称频响,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。

2.6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。

2.7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干扰的技术。

2.8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。

3、音频放大器的设计

功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备，还广泛应用于控制系统和测量系统中。

3.1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。

3.2设计过程

3.2.1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。

前置放大级

音调控制级

功率放大级

自制稳压电源

负载

图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：

。

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。

3.2.2单元电路的设计

（1）前置放大级

①电路形式的选择

由于信号远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）

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

AV