音频功率放大器设计

音频放大器是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号的设备，其重建的信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz～20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应（驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。

音频放大器是多媒体产品的重要组件之一，广泛应用于消费类电子领域。线性音频功放因失真小、音质好，在传统的音频放大器市场上一直占主导地位。近年来，随着MP3、PDA、手机、笔记本电脑等便携式多媒体设备的普及，线性功放的效率和体积已不能满足市场的要求，而D类功放以效率高、体积小等优点越来越受到人们的青睐。因此，高性能的D类功放具有十分重要的应用价值及市场前景。

音频放大器的发展先后经历了电子管（真空管）、双极型晶体管、场效应管三个时代。电子管音频放大器音色圆润、甜美，然而它体积庞大、功耗高、工作极不稳定，且高频响应不佳；双极晶体管音频放大器频带宽、动态范围大、可靠性高、寿命长，且高频响应好，然而它的静态功耗、导通电阻都很大，效率难以提高；场效应管音频放大器具有与电子管同样圆润、甜美的音色，同时它的动态范围宽，更重要的是它的导通电阻小，可以达到很高的效率。

音频功率放大器设计

设计过程 

1. 拟定总体方案：                                                       

甲类功放的主要优点就是威廉希尔官方网站 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。

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。 

又话筒输入为5mV，则整个威廉希尔官方网站 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。所以取整个威廉希尔官方网站 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. 单元威廉希尔官方网站 的设计［9］ （1）前置放大级 ① 威廉希尔官方网站 形式的选择 

由于信号源输入的信号幅度较小。不足以推动以后的功放威廉希尔官方网站 。因此要用电压放大威廉希尔官方网站 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，前置放大级威廉希尔官方网站 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1-2  前置放大器威廉希尔官方网站 图 

威廉希尔官方网站 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 

威廉希尔官方网站 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的电压放大威廉希尔官方网站 ，同相交流放大威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，音调控制器的威廉希尔官方网站 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，威廉希尔官方网站 调节简单，元器件少，因此，我们选用这种威廉希尔官方网站 形式。

图1-3  音调控制级威廉希尔官方网站 图 

图中，电位器

33RP用来调节音量的大小，即为音量控制威廉希尔官方网站 。 

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，威廉希尔官方网站 图如下图4（a）和图4（b）所示：

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： 

高频等效威廉希尔官方网站 如图3-5所示：

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威廉希尔官方网站 如下图6所示：

（3）功率放大级 威廉希尔官方网站 形式的选择： 

芯片选用LM1875，而一个LM1875的输出功率最大只能达到20W，已能满足本课题的设计要求，故本设计采用单片LM1875。如果要把输出功率提高到50W，可选择BTL威廉希尔官方网站 ，按照如下方法进行设计： 

BTL威廉希尔官方网站 它是在OTL威廉希尔官方网站 和OCL威廉希尔官方网站 的基础上发展起来的新型功率放大威廉希尔官方网站 ，其工作原理如下：

BTL威廉希尔官方网站 属于双端推挽放大威廉希尔官方网站 ，它由四管组成电桥威廉希尔官方网站 ，图中对角管同时导通，互为推挽。负载上输出正负半周波形。 

BTL威廉希尔官方网站 可以采用单电源供电，且不需要输出电容，这不仅克服了输出电容的影响，也免除了两组电压对称性的苛刻要求。BTL的两组对角管轮流导通，互为推挽，在每个信号半周内能利用全部电源电压（除去饱和压降），同单端威廉希尔官方网站 相比，在相同电源电压和相同负载时，前者的输出功率为后者的4倍；换言之，如果负载和输出功率相同，BTL威廉希尔官方网站 对所用的晶体管的耐压要求可比单端威廉希尔官方网站 降低一半，因此，它有易于输出大功率而不损坏输出管的优点。 

目前常见的BTL威廉希尔官方网站 大多是由两个独立的单端推挽威廉希尔官方网站 拼合而成（多见于集成威廉希尔官方网站 ），其信号分相是先将信号送入第一个单端威廉希尔官方网站 ，放大后经电阻分压再送到第二个单端威廉希尔官方网站 ，这样不仅会把单端威廉希尔官方网站 的缺陷带入放大器，而且还会将第一个单端威廉希尔官方网站 的畸变信号经过第二个单端威廉希尔官方网站 放大而进一步加重，因此其特性必然不好。 

由BTL的工作原理及特点可知，要满足输出功率为50W的要求，可用两个LM1875组成BTL威廉希尔官方网站 ，要想获得好的输出特性，关键是要获得BTL威廉希尔官方网站 所需的两个大小相等，相位相反的音频信号。通过查询资料（3），可知，可以用一个倒相威廉希尔官方网站 来提供此信号。如下图所示：

图中VT组成的单管放大威廉希尔官方网站 没有电压放大作用，它采用分压式偏置供给VT关静态工作电流，从集电极和发射极输出的音频信号大小分别为IcRc和IeRe，由于Ic≈Ie，Rc=Re，所以两路的信号大小相等而极性相反，可将它们分别通过电容耦合到BTL 威廉希尔官方网站 的两个同乡相输入端。则功率放大威廉希尔官方网站 如下图所示：