音頻放大器是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號的設(shè)備，其重建的信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)(驅(qū)動頻帶受限的揚聲器時要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據(jù)應(yīng)用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。

音頻放大器是多媒體產(chǎn)品的重要組件之一，廣泛應(yīng)用于消費類電子領(lǐng)域。線性音頻功放因失真小、音質(zhì)好，在傳統(tǒng)的音頻放大器市場上一直占主導(dǎo)地位。近年來，隨著MP3、PDA、手機、筆記本電腦等便攜式多媒體設(shè)備的普及，線性功放的效率和體積已不能滿足市場的要求，而D類功放以效率高、體積小等優(yōu)點越來越受到人們的青睞。因此，高性能的D類功放具有十分重要的應(yīng)用價值及市場前景。

音頻放大器的發(fā)展先后經(jīng)歷了電子管(真空管)、雙極型晶體管、場效應(yīng)管三個時代。電子管音頻放大器音色圓潤、甜美，然而它體積龐大、功耗高、工作極不穩(wěn)定，且高頻響應(yīng)不佳;雙極晶體管音頻放大器頻帶寬、動態(tài)范圍大、可靠性高、壽命長，且高頻響應(yīng)好，然而它的靜態(tài)功耗、導(dǎo)通電阻都很大，效率難以提高;場效應(yīng)管音頻放大器具有與電子管同樣圓潤、甜美的音色，同時它的動態(tài)范圍寬，更重要的是它的導(dǎo)通電阻小，可以達到很高的效率。

音頻功率放大器設(shè)計

設(shè)計過程

1.?擬定總體方案：

甲類功放的主要優(yōu)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(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就是靜態(tài)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(dǎo)通與截止，因而，在兩管輸出信號波形的銜接處，會產(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，隨著信號頻率升高，輸出信號就會在時間上延遲，出現(xiàn)所謂的開關(guān)轉(zhuǎn)換失真。因此，在實際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到78.5%?，故本次設(shè)計采用甲乙類功放。

通過對設(shè)計要求和設(shè)計方案的分析，本課題覺得采用LM1875作為功率放大器。

確定各級的增益分配

放大倍數(shù)Vs.?dB數(shù)0dB：一般將信號電平(0dB)即0.775V作為衡量放大器靈敏度的參考標(biāo)準(zhǔn)。

又話筒輸入為5mV，則整個電路的增益為20lg(13/0.005)=68dB?？紤]到音調(diào)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(diào)控制級：-2dB。?前置放大級：44dB。?2.?單元電路的設(shè)計[9]?(1)前置放大級?①?電路形式的選擇

由于信號源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(lián)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(shù)為Auf=160，設(shè)計中選用Auf1=1，Auf2=160。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1-2??前置放大器電路圖

電路中二極管D1作用是：當(dāng)線路輸入是0.775V時，D1導(dǎo)通，此時LF353(2)也為一個電壓跟隨器，信號不經(jīng)過放大直接到音調(diào)控制級的輸入端。當(dāng)輸入為5mV時，不足以讓二極管導(dǎo)通，此時?LF353(2)為放大器，信號將放大160倍后到音調(diào)控制級的輸入端。

②?集成運放的選擇

因為Auf2=160，根據(jù)通頻帶20HZ–20KHZ，其上線頻率為20KHZ，則集成運放的放大倍數(shù)帶寬積應(yīng)滿足下列關(guān)系：

GB≥Auf2fh?=?180*20KHZ?=?3.2MHZ

從運放的資料手冊中可查出LF353的單位放大倍數(shù)帶寬GB=4MHZ，滿足要求。

③?各元件的參數(shù)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(gòu)成的是放大倍數(shù)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±15V的直流穩(wěn)壓電源。?(2)音調(diào)控制級

音調(diào)控制器主要是控制，調(diào)節(jié)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(diào)控制器的電路可以由低通濾波器和高通濾波器構(gòu)成。由運算放大器構(gòu)成的音調(diào)控制器，電路調(diào)節(jié)簡單，元器件少，因此，我們選用這種電路形式。

圖1-3??音調(diào)控制級電路圖

圖中，電位器

33RP用來調(diào)節(jié)音量的大小，即為音量控制電路。

設(shè)電容C31=C32?》》C33，在中，底音頻區(qū)，C33可視為開路，在中，高音頻區(qū)，C31，C32可視為短路。

工作狀態(tài)及元件參數(shù)計算：?第一：低頻時的情況：

低頻提升與衰減，電路圖如下圖4(a)和圖4(b)所示：

此時，電壓增益?AV2相對于?AVL下降了17dB。?同理可得低頻衰減的相應(yīng)表達式。?第二：高頻提升與衰減：

高頻等效電路如圖3-5所示：

電阻關(guān)系式為：

Ra=R31+R31+(R31R31/R32)

Rb=R34+R32+(R34R32/R31)

Rc=R31+R32+(R32R31/R34)

若取R31=R32=R34，??則上式為：Ra=Rb=Rc=3R32=3R34

高頻提升與衰減的等效電路如下圖6所示：

(3)功率放大級?電路形式的選擇：

芯片選用LM1875，而一個LM1875的輸出功率最大只能達到20W，已能滿足本課題的設(shè)計要求，故本設(shè)計采用單片LM1875。如果要把輸出功率提高到50W，可選擇BTL電路，按照如下方法進行設(shè)計：

BTL電路它是在OTL電路和OCL電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型功率放大電路，其工作原理如下：

BTL電路屬于雙端推挽放大電路，它由四管組成電橋電路，圖中對角管同時導(dǎo)通，互為推挽。負載上輸出正負半周波形。

BTL電路可以采用單電源供電，且不需要輸出電容，這不僅克服了輸出電容的影響，也免除了兩組電壓對稱性的苛刻要求。BTL的兩組對角管輪流導(dǎo)通，互為推挽，在每個信號半周內(nèi)能利用全部電源電壓(除去飽和壓降)，同單端電路相比，在相同電源電壓和相同負載時，前者的輸出功率為后者的4倍;換言之，如果負載和輸出功率相同，BTL電路對所用的晶體管的耐壓要求可比單端電路降低一半，因此，它有易于輸出大功率而不損壞輸出管的優(yōu)點。

目前常見的BTL電路大多是由兩個獨立的單端推挽電路拼合而成(多見于集成電路)，其信號分相是先將信號送入第一個單端電路，放大后經(jīng)電阻分壓再送到第二個單端電路，這樣不僅會把單端電路的缺陷帶入放大器，而且還會將第一個單端電路的畸變信號經(jīng)過第二個單端電路放大而進一步加重，因此其特性必然不好。

由BTL的工作原理及特點可知，要滿足輸出功率為50W的要求，可用兩個LM1875組成BTL電路，要想獲得好的輸出特性，關(guān)鍵是要獲得BTL電路所需的兩個大小相等，相位相反的音頻信號。通過查詢資料(3)，可知，可以用一個倒相電路來提供此信號。如下圖所示：

圖中VT組成的單管放大電路沒有電壓放大作用，它采用分壓式偏置供給VT關(guān)靜態(tài)工作電流，從集電極和發(fā)射極輸出的音頻信號大小分別為IcRc和IeRe，由于Ic≈Ie，Rc=Re，所以兩路的信號大小相等而極性相反，可將它們分別通過電容耦合到BTL?電路的兩個同鄉(xiāng)相輸入端。則功率放大電路如下圖所示：