立體聲音頻功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、立體聲音頻功率放大器【摘要】在現(xiàn)代音響普及中，人們因生活層次、文化習(xí)俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的不同，令對(duì)相同電氣指標(biāo)的音響設(shè)備得出不同的評(píng)價(jià)。所以，就立體聲音頻功放而言，應(yīng)該達(dá)到電氣指標(biāo)與實(shí)際聽音指標(biāo)的平衡與統(tǒng)一。本文介紹的是基于lm1875功率放大器的立體聲音頻功率放大器。本放大電路是由“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、“功率放大器”、“喇叭”幾部分構(gòu)成。關(guān)鍵字：立體聲、功率放大器、lm1875【前言】（1）整體思路語音放大電路由“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、“功率放大器”、“喇叭”幾部分構(gòu)成。前置放大器：將前級(jí)輸出的微小的電信號(hào)在電壓幅度上進(jìn)行放大；帶通濾波器：濾除各種噪聲信號(hào)，而使

2、正常的語音信號(hào)通過；功率放大器：放大電流，使信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載（喇叭）。（2）性能指標(biāo)在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為500mv1v，等效負(fù)載電阻rl8時(shí)，放大器應(yīng)滿足：（1）額定輸出功率（單通道）po10w（可使用集成功率放大電路或大功率晶體三極管）。 （2）頻率響應(yīng)：fl fh20hz20khz。 （3）在滿足po和頻率響應(yīng)下的諧波失真3%。 （4）在po下的效率h55。（5）信噪比(s/n)55db。【總體方案設(shè)計(jì)】1.總體框圖如下： 5v電源10v18v電源2.各模塊方案設(shè)計(jì)及比較（1）前置放大電路前置放大電路可以采用前面設(shè)計(jì)的差分放大電路經(jīng)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，也可以采用集成運(yùn)放構(gòu)成測(cè)量用小信

3、號(hào)放大電路。前者的設(shè)計(jì)方法已有詳細(xì)介紹，在此不再贅述，下面介紹測(cè)量用放大電路的設(shè)計(jì)。在測(cè)量用的放大電路中，一般傳感器送來的直流或低頻信號(hào)，經(jīng)放大后多用單端方式傳輸。典型情況下，信號(hào)的最大幅度可能僅有若干毫伏，共模噪聲可能高達(dá)幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對(duì)于總的精度至關(guān)重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問題。因此前置放大電路應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路。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。聲音源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、cd唱機(jī)及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾

4、毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號(hào)如果直接輸入到功率放大器中的話，對(duì)于輸入過低的信號(hào)，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號(hào)的幅值過大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過載失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大系統(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。另外在各種聲音源中，除了信號(hào)的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機(jī)輸出信號(hào)和磁帶放音的輸出信號(hào)頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對(duì)于這樣的輸入信號(hào)，在進(jìn)行功率放大器

5、之前，需要進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。對(duì)于話筒和線路輸入信號(hào)，一般只需將輸入信號(hào)進(jìn)行放大和衰減，不需要進(jìn)行頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號(hào)非常微弱，一般只有100v幾毫伏，所以前置放大器輸入級(jí)的噪聲對(duì)整個(gè)放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級(jí)首先采用低噪聲電路，對(duì)于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器，首先要選擇低噪聲的晶體管，另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)一般比晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作

6、點(diǎn)無關(guān)，在要求高輸入阻抗的前置放大器的情況下，采用低噪聲場效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂移的集成運(yùn)算放大器。對(duì)于前置放大器的另外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶，以保證音頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。本系統(tǒng)綜合運(yùn)用了ne5532高性能低噪聲雙運(yùn)放，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)與電源帶寬。用作音頻放大時(shí)音色溫暖，保真度高，在上世紀(jì)九十年代初的音響界被發(fā)燒友們譽(yù)為“運(yùn)放之皇”，所以由它組成的電壓放大器可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求。（2）帶通濾波器電路 方案一：有源濾波電路是用有源器件與rc網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。有源濾波電路的種類有低

7、通（lpf）、高通（hpf）、帶通（bpf）、帶阻（bef）濾波器，本實(shí)驗(yàn)著重討論典型的二階有源濾波器。由于聲音頻率在20到20khz之間，所以本實(shí)驗(yàn)需要二階帶通有源濾波器?；驹恚和◣V波器（bpf）能通過規(guī)定范圍的頻率，這個(gè)頻率范圍就是電路的帶寬bw，濾波器的最大輸出電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率f0的頻率點(diǎn)上。帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì)q越高。電路的q值可用公式求出：可見，高q值濾波器有窄的帶寬，大的輸出電壓；反之低q值濾波器有較寬的帶寬，勢(shì)必輸出電壓較小。要實(shí)現(xiàn)這么一個(gè)功能，我們可以將一個(gè)二階有源低通濾波器（lpf）與一個(gè)二階有源高通濾波器（hpf）串聯(lián)起來，由二階有

8、源低通濾波器來對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行抑制，由二階有源高通對(duì)濾波器隊(duì)地頻信號(hào)機(jī)行抑制，最終達(dá)到對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定頻率范圍的抑制作用。有源濾波電路是由有源器件與rc網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。本實(shí)驗(yàn)采用具有butterworth特性的典型的二階有源濾波器。在滿足lpf的通帶截止頻率高于hpf的通帶截止頻率的條件下，把相同元件的壓控電壓源濾波器的lpf和hpf串聯(lián)起來，可以實(shí)現(xiàn)butterworth通帶響應(yīng)。用該方法構(gòu)成的濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，多用作測(cè)量信號(hào)噪聲比的音頻帶通濾波器，電路圖如下圖所示，能抑制低于20hz和高于20khz的信號(hào)本電路采用的寬帶帶通濾波器，在滿足lpf的通帶截止頻率高于hpf

9、的通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的lpf和hpf串聯(lián)起來可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的功能，而且?guī)V波器的低頻截止頻率fl由hpf的截止頻率決定，高頻截止頻率fh有l(wèi)pf的截止頻率決定。其電路圖如下：方案二：此方案設(shè)計(jì)電路采用一階放大電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件較少；性價(jià)比較低。由于在一階濾波電路中用一階微分產(chǎn)生了較粗的邊緣，而二階微分則邊緣細(xì)的多。二階微分處理對(duì)細(xì)節(jié)有較強(qiáng)的響應(yīng)，如細(xì)線和孤立點(diǎn)。二階微分有一個(gè)過度，即從正回到負(fù)。在一幅圖像中，該現(xiàn)象表現(xiàn)為雙線。由此可知用二階的帶通濾波在實(shí)際檢測(cè)中能有很好的圖像觀察效果，而且還能使得電路更加的穩(wěn)定，濾波效果相比之下比用一階的濾波電路要好

10、得多，最重要的是由于一階通過的帶寬比較窄，不能滿足我們的要求。故我們選用方案一。（3）功率放大器方案一：甲類功率放大器。這類功率放大器的晶體管工作在特性曲線的直線段，用一只晶體管將聲波的正負(fù)半波完整地進(jìn)行放大。因此，正弦波波形非常完整，不存在交越失真的問題，失真度很小，在hi-fi音響領(lǐng)域里很多廠家選用此種功放，如英國羅特功放、音樂傳真功放和日本的金嗓子功放都是甲類功率放大器。方案二：乙類功率放大器。它是用兩只晶體管共同完成聲波的能量放大。一只管子擔(dān)任正半波的放大工作，另一個(gè)管子完成負(fù)半波的放大工作。最后合成為一完整的正弦波。用這種方式對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大的功放稱為乙類功放。由于兩只功放管共同完

11、成了聲波的放大，所以，其輸出功率較大，但存在著交越失真。在正負(fù)半周的波形連接處，由于晶體管的非線性，波形的合成總是存在著一些不夠平滑的現(xiàn)象。這種由于兩個(gè)電路合成時(shí)所產(chǎn)生的波形失真稱為交越失真。方案三：這是一種介于甲類和乙類之間的功率放大器。它能在較小失真的情況下，獲得較高的功率輸出。這也是一種被廣泛應(yīng)用的功率放大器。甲類功放的主要優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)在甲類功放主要用在高檔功放產(chǎn)品中。而乙類功放與甲類功放最主要的不同點(diǎn)就是靜態(tài)電流小，因此無信號(hào)時(shí)消耗功率小，可獲得較高的效率；但是，乙類功放在工作時(shí)，由于兩只晶體管交替導(dǎo)通與截止，因而，在兩管輸出信號(hào)

12、波形的銜接處，會(huì)產(chǎn)生交越失真；而且功放管在從反偏到零偏再轉(zhuǎn)為正偏轉(zhuǎn)換時(shí)，隨著信號(hào)頻率升高，輸出信號(hào)就會(huì)在時(shí)間上延遲，出現(xiàn)所謂的開關(guān)轉(zhuǎn)換失真。因此，在實(shí)際hi-fi高保真放音系統(tǒng)中，一般不采用乙類功放，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(dá)到78.5% ，故本次設(shè)計(jì)采用甲乙類功放。通過對(duì)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方案的分析，本課題覺得采用lm1875作為功率放大器。其電路圖如下3.電源的設(shè)計(jì)5v穩(wěn)定電源10v18v可調(diào)電源用7805和7905、7915制成了兩組穩(wěn)壓直流電源電路分別得到10v18v可調(diào)電源和5v穩(wěn)定電源。為了防止恒流源電路中的較大電流對(duì)控制部分產(chǎn)生干擾，將控制部分的電源和恒流源電路電源分成獨(dú)立的兩部分，分