高保真放大器音頻功率放大器

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)_課程設(shè)計(jì)（論文）題目：高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作院（系）： 電氣工程學(xué)院 _專業(yè)班級(jí)： _ 學(xué) 號(hào)： _ _學(xué)生姓名： 孫航 指導(dǎo)教師： _（簽字）起止時(shí)間：2013.07.012013.07.12課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電子與信息工程學(xué) 號(hào)110301041學(xué)生姓名孫永志專業(yè)班級(jí)測(cè)控112課程設(shè)計(jì)題目高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)：1. 采用全部或部分分立元件設(shè)計(jì)一種全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)。2. 額定輸出功率3. 負(fù)載阻抗。4. 頻率響應(yīng)2020KHZ設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明

2、確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要音頻功率放大器是一種應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)的電子音響設(shè)備，它它主要應(yīng)用于對(duì)弱音頻信號(hào)的放大、音頻信號(hào)的傳輸增

3、強(qiáng)，與輸音器、放大器、音頻轉(zhuǎn)換器等配接使用，其品質(zhì)的優(yōu)劣影響到音頻傳輸效果的好壞。本設(shè)計(jì)較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)靥幚砹烁鱾€(gè)環(huán)節(jié)大的技術(shù)銜接和設(shè)計(jì)，能較好地達(dá)到音頻傳輸效果，利用分立元件和集成元件設(shè)計(jì)電路有其使用價(jià)值和研究?jī)r(jià)值。關(guān)鍵詞：音頻功率放大器；信號(hào)；輸出級(jí)；前置放大級(jí)目錄第1章 高保真音頻功放大器方案論證11.1 高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì)意義11.2 高保真音頻功率放大器要求和技術(shù)指標(biāo)11.3 總體設(shè)計(jì)方案21.4 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析2 設(shè)計(jì)方案論證2 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析3第2章 高保真音頻放大器各單元電路設(shè)計(jì)42.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)42.2 前置放大級(jí)設(shè)計(jì)52.3 功率放大器設(shè)計(jì)5第3章 高

4、保真音頻放大器整體電路設(shè)計(jì)63.1 整體電路圖及工作原理63.2 電路參數(shù)計(jì)算與選擇73.3 電路仿真結(jié)果9 前置放大級(jí)電路原理圖波形比對(duì)9 前置放大級(jí)電路仿真波形圖9第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)10參考文獻(xiàn)11附錄12第1章 高保真音頻功放大器方案論證1.1 高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì)意義高保真功率放大技術(shù)的發(fā)展，使整個(gè)音頻功率放大技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化?，F(xiàn)代人對(duì)聽(tīng)覺(jué)水平要求越來(lái)越高，所以對(duì)音響的音質(zhì)真實(shí)性要求越來(lái)越多，高保真音頻功率放大技術(shù)克服了這個(gè)缺點(diǎn)，它能夠如實(shí)的反映出聲音信號(hào)的音色，音高和音強(qiáng)等音質(zhì)狀況本來(lái)面貌的能力，同時(shí)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行必要的修飾和加工，因此，我們這次的研究對(duì)象是高保真功率音

5、質(zhì)放大技術(shù)，本文主要介紹LM1875音頻放大器的設(shè)計(jì)，它在音頻應(yīng)用場(chǎng)合提供非常低的失真度和高質(zhì)量的音色，還具有了高增益、快速轉(zhuǎn)換速率、寬功率帶寬、大輸出電壓擺幅、大電流能力和非常寬的電源范圍等特性。系統(tǒng)采用大回環(huán)電壓負(fù)反饋控制輸出，配以普通雙路橋式整流濾波電路，放大器采用內(nèi)部補(bǔ)償，增益控制在26dB左右。它可用與高品質(zhì)音頻系統(tǒng)、立體聲唱機(jī)等等。 1.2 高保真音頻功率放大器要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)：1.采用全部或部分分立元件設(shè)計(jì)一種全集成電路高保真擴(kuò)音機(jī)。2.額定輸出功率3.負(fù)載阻抗。4.頻率響應(yīng)2020KHZ設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境

6、等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。1.3 總體設(shè)計(jì)方案 音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。聲音源的種類有很多種，故輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般動(dòng)率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信

7、號(hào)如果直接輸入到功率放大器的話，對(duì)于輸入信號(hào)過(guò)低的，功率放大器功率輸出不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；加入輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過(guò)載失真。這樣就失去了音頻放大的意義了，所以一個(gè)實(shí)用音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的輸入信號(hào)，或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。最后音頻放大器由直流穩(wěn)壓電源和前置放大器和功率放大器三部分組成。傳統(tǒng)的靜態(tài)”測(cè)試方法和頻響、失真度、信噪比三大考核指標(biāo)已不足以全反映設(shè)備的音質(zhì)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)試指標(biāo)與聽(tīng)音評(píng)價(jià)不一致的情況。如現(xiàn)代晶體管功效頻響已可達(dá)(0一100)kHz以上，失真度也可達(dá)0.01以下

8、，音質(zhì)已相當(dāng)好，但與頻響約30Hz一18kHs，失真度1左右的電子管功放相比，許多人還是認(rèn)為電子管功放的音質(zhì)比晶體管功放好。而訓(xùn)練有素的專業(yè)人員通過(guò)聽(tīng)音評(píng)價(jià)就能直接對(duì)設(shè)備的音質(zhì)作出比較切合實(shí)際的定性判斷。故在測(cè)試手段尚未進(jìn)一步完善時(shí)輔以主觀聽(tīng)音來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行音質(zhì)評(píng)價(jià)很有必要。1.4 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析1.4.1 設(shè)計(jì)方案論證對(duì)高保真音頻功率放大器可選以下方案: 方案一.直接耦合低功放電路OCL低功放輸出采用了全互補(bǔ)功率管，去掉自舉電容，加強(qiáng)了對(duì)中點(diǎn)電位的穩(wěn)定措施，各級(jí)施加了局部負(fù)反饋，降低了大環(huán)負(fù)反饋深度，提高了穩(wěn)定性，因此實(shí)際是一個(gè)改進(jìn)型的分立元件OCL低功放電路。這一電路存在的缺點(diǎn)是電路

9、的對(duì)稱性較差，使瞬態(tài)響應(yīng)和放大器線性變差。為提高電路的對(duì)稱性，可采用DC低功放設(shè)計(jì)。DC低功放是一種全直流化的OCL電路，可把輸入差放電路改成互補(bǔ)平衡差放電路。方案二.無(wú)輸出耦合電容的分立元件低功放分立元件低功放可分輸入級(jí),偏置中間級(jí)和功率輸出級(jí)三部分組成。為保證低頻響應(yīng)電路中采用直接耦合，同時(shí)為使電路工作穩(wěn)定，輸入級(jí)采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源。采用基極分壓式射極偏置電路，這對(duì)提高線性，降低波形失真起到很大的作用。末級(jí)輸出電路工作在甲乙類狀態(tài)，這既保證了線性不失真放大，又可使效率達(dá)到指標(biāo)。對(duì)于這兩種方案均可達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?但對(duì)于實(shí)際操作性和簡(jiǎn)易復(fù)雜度,以及成本高低選擇方案二更優(yōu)越一些。本次實(shí)驗(yàn)將

10、采用雙極射極電路和甲乙類放大器對(duì)管組成的低功放電路。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，第二種方案所設(shè)計(jì)的低功率放大器應(yīng)由以下幾部分組成：直流穩(wěn)壓電源、前置放大及功率放大。以下逐一加以設(shè)計(jì)及論證。1)電源部分本設(shè)計(jì)的電源通過(guò)變壓器變?yōu)?4 V交流電，經(jīng)整流濾波得到±31 V的直流電；供應(yīng)前置放大電路和功率放大器使用。2)信號(hào)放大部分前置放大電路采用低噪聲雙運(yùn)放，分別以相同放大的方式，作為左右通道的信號(hào)放大。功率放大電路由三部分組成：輸入級(jí)、推動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)。輸入級(jí)由有兩個(gè)三極管組成差分放大電路，推動(dòng)級(jí)由一個(gè)三極管組成，輸出級(jí)由兩個(gè)三極管對(duì)稱構(gòu)成。兩輸出管分別由正、負(fù)兩組電源供電，揚(yáng)聲器直接接在兩輸出管的

11、輸出端與地之間，同時(shí)應(yīng)使本功放工作在甲乙類狀態(tài)。1.4.2 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析總體設(shè)計(jì)方案框架圖：（如下圖1.1所示）圖1.1 總體設(shè)計(jì)方案框架圖圖2-2前置放大級(jí)設(shè)計(jì)圖第2章 高保真音頻放大器各單元電路設(shè)計(jì)2.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)220 V市電經(jīng)變壓器輸出一組獨(dú)立的24V交流電，大電容濾波得到±31V直流電，再加一個(gè)1F小電容濾除電源中的高頻分量。萬(wàn)一輸入端短路，大電容放電會(huì)使穩(wěn)壓塊由于反電流沖擊而損壞，加全波橋式整流器可使反相電流流向輸入端起到保護(hù)作用。（如圖2.1所示）圖2.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖2.2 前置放大級(jí)設(shè)計(jì)圖2.2前置放大級(jí)設(shè)計(jì)圖前端放大功能是完成小信號(hào)的電壓放大

12、任務(wù)、提高信噪比。失真度和噪聲對(duì)系其統(tǒng)的影響最大，是應(yīng)該優(yōu)先考慮的指標(biāo)。我采用兩級(jí)共射放大電路（如圖2-2所示）。信號(hào)放大倍數(shù)1+Rf/R0,其中Rf為反饋電阻，在其上并聯(lián)一個(gè)小電容抑制自激震蕩，R0為負(fù)反饋對(duì)地電阻。為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大，我將放大倍數(shù)定為30 dB左右，取Rf = 76 k,R0 = 2.5 k，Avf = 1+76/2.5 = 31.4 dB。2.3 功率放大器設(shè)計(jì)甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路由兩個(gè)二極管組成，如圖所示。因此消除了基極回路電流變化對(duì)輸出的影響。圖示的電路是克服交越失真的一種辦法，由圖可見(jiàn)，T3組成了前置放大級(jí)，T1和T2組成互補(bǔ)輸出級(jí)。靜態(tài)時(shí)，在D1和D2

13、上產(chǎn)生的壓降為T1，T3提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)。由于電路工作在甲乙類，即使輸入很小，也可以進(jìn)行線性地放大。因此這種激勵(lì)方法增益高，失真小，使輸出獲足夠的激勵(lì)，故輸出功率大，效率高。圖2-2前置放大級(jí)設(shè)計(jì)圖第3章 高保真音頻放大器整體電路設(shè)計(jì)3.1 整體電路圖及工作原理圖3.1高保真音頻放大器整體電路圖220V市電經(jīng)變壓器、橋式整流、濾波以及運(yùn)放，用此電源來(lái)給前置放大電路及功率放大器提供能量。普通信號(hào)經(jīng)由輸入端輸入到前置放大電路，電容濾除信號(hào)中的直流量，流入雙極射極電路進(jìn)行放大。放大信號(hào)可經(jīng)電阻、電容進(jìn)行負(fù)反饋，通過(guò)測(cè)試后從輸出端輸出，形成初步放大信號(hào)。初步放大信號(hào)流入由單電源

14、供電的雙極射極偏置電路中，功放的輸出端與揚(yáng)聲器直接耦合，實(shí)現(xiàn)了全頻帶放大。在揚(yáng)聲器的兩端并聯(lián)RL與C3串聯(lián)的消振網(wǎng)絡(luò)，能改善揚(yáng)聲器的高頻特性?？紤]到如果電路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致輸出端靜態(tài)不為0 V。由于揚(yáng)聲器的直流電阻很小，這樣會(huì)有很大的直流電流流過(guò)揚(yáng)聲器和輸出管，會(huì)使它們燒壞。在加入保險(xiǎn)絲之后，如出現(xiàn)這種現(xiàn)象，保險(xiǎn)絲熔斷，保護(hù)了揚(yáng)聲器和輸出管。3.2 電路參數(shù)計(jì)算與選擇 1集成運(yùn)放采用±24V,則輸入Vim=5mV,可滿足第二級(jí)輸出幅度Vom=2.5V左右的要求.對(duì)第一級(jí)Q1,保證輸出不失真。既要求Vim=700mV，Volm=10V。所以，Av1= Volm/Vim=10/0.7=14

15、.3取Av1=14，當(dāng)輸入信號(hào)最小Vim=5mV，放最大位置Volm為Volm=Av1*Vim=14*5=70mV第二級(jí)要求輸出Vom2.5V為在輸入信號(hào)最小為70V,其增益 Av2=Vom/Vo1m=35.72功率放大為甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路。因此供電電壓值可根據(jù)輸出功率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。題目中要求在RL負(fù)載上輸出功率Por10W，所以可計(jì)算出負(fù)載上輸出電壓峰值：Vom=2Rl*Por=11.64V則供電電壓 Vcc=12v擬采用Vcc=±12V雙電源供電。 Pomax=Vomax*Vomax/RL測(cè)得Vomax=13,5V,RL=8可計(jì)算得Pomax=22.78W2) 效率測(cè)量方法：

16、在不失真輸出功率情況下，測(cè)出流進(jìn)±12V電源的電流Icc,計(jì)算電源供給功率Pdm=Icc*2Vcc.則效率為 =Pomax/Pdm調(diào)整電路或輸入信號(hào)電壓，使不失真輸出功率Por=10W,測(cè)出電源電流Ioc,則Pd=2*Vcc*Ioc,效率為=Por/Pdm 若Pomax=22.78W時(shí)測(cè)得Icc=1.25A,則=60.7.Por=10W時(shí),測(cè)得Ioc=0.55A,則=60.63)失真系數(shù)的測(cè)量方法：在額定輸出功率下直接用失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量。 4.整體電路性能分析此功放不僅能放大普通信號(hào)，還能放大一些極其微弱的信號(hào)。經(jīng)過(guò)計(jì)算此功放的輸出最大功率為20W，失真系數(shù)r0.1，基本符合設(shè)計(jì)要求

17、。5.低功放輸入，輸出電阻測(cè)量1)輸入電阻的測(cè)量。方法：將低頻信號(hào)發(fā)生器對(duì)功放輸入的正弦信號(hào)，并在輸入端串連一電阻R.用毫伏表測(cè)出Vs和Vi可得 Ri=Vi*Rs/(Vs-Vi)若測(cè)得Vs=100Mv,Vi=51.7Mv,且Rs=20 K可計(jì)算得Ri=16.68 K2)輸出電阻的測(cè)量。方法：將低頻信號(hào)發(fā)生器對(duì)功放輸入f=1kH的正弦信號(hào),然后測(cè)出空載和有載時(shí)的輸出電壓Vo1,Vo2,則輸出電阻為 Ro=(Voi-Vo2)*Rl/Vo2若測(cè)得Vo1=3v,Vo2=2.98v,且Rl=8可計(jì)算得Ro=0.0543 . 輸出功率的測(cè)量。1) 最大輸出功率Pomax的測(cè)量.方法：輸入f=1kH的正弦信

18、號(hào)，在輸出波形系數(shù)r3的情況下，測(cè)出輸出負(fù)載RL=8最大電壓幅度Vomax，則最大輸出功率為 Pomax=Vomax*Vomax/RL測(cè)得Vomax=13,5V,RL=8可計(jì)算得Pomax=22.78W2) 效率測(cè)量方法：在不失真輸出功率情況下，測(cè)出流進(jìn)±12V電源的電流Icc,計(jì)算電源供給功率Pdm=Icc*2Vcc.則效率為 =Pomax/Pdm調(diào)整電路或輸入信號(hào)電壓，使不失真輸出功率Por=10W,測(cè)出電源電流Ioc,則Pd=2*Vcc*Ioc,效率為=Por/Pdm 若Pomax=22.78W時(shí)測(cè)得Icc=1.25A,則=60.7.Por=10W時(shí),測(cè)得Ioc=0.55A,則

19、=60.63)失真系數(shù)的測(cè)量方法：在額定輸出功率下直接用失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量。 4.整體電路性能分析此功放不僅能放大普通信號(hào)，還能放大一些極其微弱的信號(hào)。經(jīng)過(guò)計(jì)算此功放的輸出最大功率為20W，失真系數(shù)r0.1，基本符合設(shè)計(jì)要求。3.3 電路仿真結(jié)果 3.3.1 前置放大級(jí)電路原理圖波形比對(duì)圖3.2 前置放大級(jí)電路1-1 總體設(shè)計(jì)方案框架圖3.3.2 前置放大級(jí)電路仿真波形圖圖3.3前置放大級(jí)電路仿真波形圖1-1 總體設(shè)計(jì)方案框架圖第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)為保證低頻響應(yīng)電路中采用直接耦合，同時(shí)為使電路工作穩(wěn)定，輸入級(jí)采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源。采用基極分壓式射極偏置電路，這對(duì)提高線性，降低波形失真起到很大的作用。末級(jí)輸出電路工作在甲乙類狀態(tài)，這既保證了線性不失真放大，又可使效率達(dá)到指標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用市電供電，將市電220 V通過(guò)變壓器變成±24 V的直流電，供前置放大器與功率放大器使用。輸入信號(hào)通過(guò)前置放大電路進(jìn)行初步放大，再經(jīng)過(guò)功率放大器進(jìn)行進(jìn)一步的放大。最后通過(guò)輸出端輸出，即得到所需。通過(guò)Multisim.10仿真軟件，對(duì)電路仿真后結(jié)果，滿足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)1 電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）（模擬部分）·康華光主編·北京：高等教育出版社 2 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)·章忠全主編·北京：中國(guó)電力出版社 20013 電子技術(shù)基礎(chǔ)