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。

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。 2. 单元电路的设计［9］ （1）前置放大级 ① 电路形式的选择 

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1-2  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1-3  音调控制级电路图 

图中，电位器

33RP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：

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电路如下图6所示：

（3）功率放大级 电路形式的选择： 

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电路，按照如下方法进行设计： 

BTL电路它是在OTL电路和OCL电路的基础上发展起来的新型功率放大电路，其工作原理如下：

BTL电路属于双端推挽放大电路，它由四管组成电桥电路，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电路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），同单端电路相比，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电路对所用的晶体管的耐压要求可比单端电路降低一半，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电路大多是由两个独立的单端推挽电路拼合而成（多见于集成电路），其信号分相是先将信号送入第一个单端电路，放大后经电阻分压再送到第二个单端电路，这样不仅会把单端电路的缺陷带入放大器，而且还会将第一个单端电路的畸变信号经过第二个单端电路放大而进一步加重，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电路，要想获得好的输出特性，关键是要获得BTL电路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，可以用一个倒相电路来提供此信号。如下图所示：

图中VT组成的单管放大电路没有电压放大作用，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 电路的两个同乡相输入端。则功率放大电路如下图所示：