作用于高保真音響設備的音頻放大器論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 易燒壞。（2） 集電極最高允許電壓 VCMVCM 值主要受晶體管反向擊穿電壓 Bvceo 的限制。當管子的集射電壓超過此值時管子將有擊穿的危險。故 VCM 必須小于 Bvceo。（3） 集電極最大允許電流 Icm從晶體管輸出特性曲線可以看出，當集電極電流增大到一定程度時，管子的 β 值將明顯變小。一般規定當降為 1/2 或 2/3 時的 Ic 為 Icm，當 Ic 過大時。輸出波形的前半周會出現平頂失真。故 Ic 不能超過 Icm 值。2. 影響最大不失真功率的因素：（1） 集電極電壓和電流的變動范圍進入飽和或截止區當 Vce 與 Ic 的變動范圍進入晶體管的飽和區或截止區后，將產生飽和失真或截止失真，因而必須注意正確的選擇工作點。對甲類放大而言，工作點應選在負載線的中點，使輸入信號達一定值時，輸出信號的正、負半周正好同時進入飽和區和截止區，即可獲得最大不是真功率。（2） 晶體管工作于大信號狀態時，β 值非線性的影響比較嚴重當其工作狀態接近飽和區和截止區或 Ic 大于 Icm 時，失真將明顯增大。為避免這種影響，不少功放設計采用了 Pcm 相對較小的多只晶體管并聯工作，使每只管子均工作于線性較好（工作電流較小）的狀態，拓寬了整體的線性范圍，收到良好的效果。選用的 Pcm 和 Icm 值余量大許多的晶體管或線性有兩的晶體管，也不失為一種簡單有效的方法。（3） 輸入、輸出變壓器的非線性失真采用輸入、輸出變壓器作耦合或阻抗變換時，雖然可避免阻抗不匹配造成的失真，但變壓器本身的非線性失真卻無法避免，改善非線性失真的效果有限。因而作為高保真放大器，應避免使用輸入、輸出變壓器。 15 / 38保證供電電源具有足夠的功率儲備，是滿足放大器最大不失真輸出功率要求的必備條件，否則，當放大器輸出功率尚未達到設計值時，電源電壓已大幅度跌落，致使波形削頂，最大不失真功率自然達不到額定位。因而，現代高保真功放電源不僅具有充足的功率儲備，而且留有一定的余量，既使放大器短時間超負荷工作，也能應付自如，不致于產生過大的失真。（二）功率放大器的類型為適應各種不同的要求，人們設計出形形色色的功率放大器電路器．按其工作狀態來分，主要有下面三類：1．甲類(A 類)功率放大器 甲類放大器的靜態工作點一般選在負載線的中點．即圖 4—1Q 點，晶體管在輸入信號的整個周期內均有集電極電流，處于線性工作狀態。常見的單管功率放大器都工作于甲類，采用雙管互補或準互補結構的功率放大器，也可以工作于甲類狀態。2．乙類(B 類)功率放大器乙類放大器的靜態工作點選在晶體管基極電流接近于零處，即圖 4—1Q’點，只有在輸入信號的半個周期內有集電極電流，而在另半個周期內截止。因此，乙類放大器須采用兩只晶體管．并使它們在兩個半周內輪流工作，才可在輸出端獲得完整的交流信號波形。3．甲乙類(AB 類)功率放大器甲乙類放大器的靜態工作狀態介于甲類、乙類之間，工作點選在臨近截止區、即16 / 38圖 4—1 的 Q”點。晶體管有一定的靜態電流，即在輸入信號的半個多周期內有集電極電流，可基本避免純乙類狀態的交越失真，但仍須雙管推挽工作才能獲得正常的輸出波形。上述三種類型的功率放大器、每種類型還可按電路結構分成若干種形式，如變壓器耦合型、滑動甲類、超甲類、數碼甲類、OTC、OCL 及 BTL 型等。 此外，功率放大器還有丙(c)類或乙十丙(BC)類及丁(D，脈沖型)類等。它們的共同特點是效率很高，其中尤以 D 類放大器為最，效率可高達 95％以上，是人們正致力研究開發的‘綠色”放大器。（三）音頻放大器的設計功率放大器不僅僅是消費產品（音響）中不可缺少的設備，還廣泛應用于控制系統和測量系統中。設計要求1．輸出功率：20W。2．負載阻抗：8Ω。3．通頻帶 Δfs: 為 20HZ–20KHZ。4．音調控制要求：1KHZ（0dB） ，10KHZ（177。12dB） ，100HZ（177。12dB）5．靈敏度：話筒輸入：5mV。 線路輸入：。設計過程1. 擬定總體方案： 甲類功放的主要優點就是電路簡單易行，非線性失真小，適用于小功率的線性音頻放大器，現在甲類功放主要用在高檔功放產品中。而乙類功放與甲類功放最主要的不同點就是靜態電流小，因此無信號時消耗功率小，可獲得較高的效率；但是，乙類功放在工作時，由于兩只晶體管交替導通與截止，因而，在兩管輸出信號波形的銜接處，會產生交越失真；而且功放管在從反偏到零偏再轉為正偏轉換時，隨著信號頻率升高，輸出信號就會在時間上延遲，出現所謂的開關轉換失真。因此，在實際 HiFi 高保真放音系統中，一17 / 38般不采用乙類功放，而采用線性失真小的甲類功放或甲乙類功放。甲乙類功放是通過改變偏置的方法來減少交越失真，它將甲類功放的高保真度與乙類功放折衷，從而在一定程度上解決了上述效率高與失真大之間的矛盾。而且甲乙類功放的效率可達到 % ，故本次設計采用甲乙類功放。通過對設計要求和設計方案的分析，本課題覺得采用 LM1875 作為功率放大器。 前置放大級 音調控制級 功率放大級自制穩壓電源負載圖 42 系統組成框圖 確定各級的增益分配放大倍數 Vs. dB 數 0dB：一般將信號電平（0dB）即 作為衡量放大器靈敏度的參考標準。5mV 的 dB 數為： dB4)(2??。因為采用的集成芯片 LM1875，其輸出功率為 20W，則負載上的電壓 ：??又話筒輸入為 5mV，則整個電路的增益為 20lg（13/）=68dB。考慮到音調級必要的衰減，增益為－2dB 左右。所以取整個電路的增益為 70dB。則各級的增益如下：* 功放級：26dB（廠家給定的）* 音調控制級：2dB。* 前置放大級：44dB。2. 單元電路的設計（1）前置放大級18 / 38① 電路形式的選擇 由于信號遠輸入的信號幅度較小。不足以推動以后的功放電路。因此要用電壓放大電路對信號輸入的音頻信號電壓進行放大，對于信號源，其負載約為 47KΩ，所以選用電壓串聯負反饋方式的同相比例放大器，它可以使輸入電阻增大，輸出電阻減小，且輸入輸出電壓同相。又因為前置放大級的增益為 44dB，即 158 倍，取 160 倍，前置放大級電路采用二級，第一級與第二級采用電容耦合方式，總的電壓放大倍數為 Auf=160，設計中選用Auf1=1，Auf2=其中第一級實際上是一個電壓跟隨器，它提高了帶負載的能力。 圖 43 前置放大器電路圖 電路中二極管 D1 作用是：當線路輸入是 時，D1 導通，此時LF353（2）也為一個電壓跟隨器，信號不經過放大直接到音調控制級的輸入端。當輸入為 5mV 時，不足以讓二極管導通，此時 LF353（2）為放大器，信號將放大 160 倍后到音調控制級的輸入端。 ② 集成運放的選擇 因為 Auf2=160，根據通頻帶 20HZ–20KHZ，其上線頻率為 20KHZ，則集成運放的放大倍數帶寬積應滿足下列關系： GB≥Auf2fh = 180*20KHZ = 從運放的資料手冊中可查出 LF353 的單位放大倍數帶寬 GB=4MHZ，滿足要求。19 / 38③ 各元件的參數選擇和計算 電路中電容 C11 是用作噪聲去耦合的，可以用小體積大容量的鉭電容或普通電解電容，一般選為 10μF，R11 可選用較大的電阻，取 1MΩ，電阻R12 取 10K，LF353（2）構成的是放大倍數為 160 的電壓放大電路，同相交流放大電路的平衡電阻可盡量選得大一些，一般為 10K 以上，這樣有利于提高放大電路的輸入電阻，由于輸入電阻為 47K，故選 RP2 的阻值為 47K，R21 取1K，耦合電容 C12 為 10μF。由 Auf2 = 1+R23/R22 及R21=R23//R22，Auf2=180 可得R21=R22=1K，R23=160K。C21，C22，C23，C24，主要用于電源旁路濾波，一般 C21，C23 用電解電容，其值為 220μF，C22，C24 用普通的電容，一般取值為 22μF。LF353 的電源為177。15V 的直流穩壓電源。（2）音調控制級音調控制器主要是控制，調節音響放大器的幅頻特性，他只對低頻與高頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持 0dB 不變。因此，音調控制器的電路可以由低通濾波器和高通濾波器構成。由運算放大器構成的音調控制器，電路調節簡單，元器件少，因此，我們選用這種電路形式。圖 44 音調控制級電路圖 圖中，電位器 3RP用來調節音量的大小，即為音量控制電路。設電容 C31=C32 C33，在中，底音頻區，C33 可視為開路，在中，高音頻區，C31，C32 可視為短路。20 / 38工作狀態及元件參數計算：第一：低頻時的情況：低頻提升與衰減，電路圖如下圖 45（a）和圖 45（b）所示：1 2 3 4ABCD4321?CBA??? ??? ???? ?? ? ??? ????3 ????? ??: ??????????? ????: ? ? ? ?1 ? ? ?D ?? ? ? ? ??169。 ? ? ? ? ? ?1 ? ?? ?D ? ? ??169。 圖 45 低頻提升與衰減電路增益為：A（jω）=[(RP31+R32)/R31]*[1+(jω)/ω2]/[1+(jω)/ω1]式中：ω1=1/（RP31*C32） ， ω2=（RP31+R32）/（RP31*R32*C32）當 ffL1 時，C32 可視為開路，運算放大器的反向輸入端視為虛地，R34的影響可以忽略，此時電壓增益 AVL=(RP31+R32)/R31在 f=fL1 時，因為 fL2=10fL1，故可得 AV1=(RP31+R32)/ 2R31此時，電壓增益 AV1 相對于 AVL 下降了 3dB。在 f=fL1 時，可得 AV1=[(RP31+R32)/R31]*（ 2/10）= AVL 此時，電壓增