课程设计-音频功率放大器的设计

PAGEPAGE1音频功率放大器的设计任务书1设计指标（1）直接耦合的功率放大器，额定输出功率10W，负载阻抗8Ω；（2）具有频响宽、保真度度、动态特性好及易于集成化；（3）采用分立元件设计；（4）所设计的电路具有一定的抗干扰能力。2设计要求（1）画出电路原理图；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH文件生成与打印输出。3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。4答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。音频功率放大器设计摘要：这款功放采用了典型的OCL功放电路，为全互补对称式纯甲类DC结构，功放的每一级放大均工作于甲类状态。输入级和电压放大级采用线性较好的沃尔漫电路，差分管及电流推动管分别为很出名的K170、J74（可用K389、J109孪生对管对换）对管和K214、J77中功率MOS管，功率输出级为2SC5200和2SA1943大功率东芝管并联输出，功率强劲，驱动阻抗2Ω的喇叭也轻松自如，毫不费力。综合运用了我们前面所学的知识。设计完全符合要求。关键字：沃尔漫电路TIM共源-共基电路共射-共基电路1引言在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。设计思路输入音频信号输入音频信号前置放大级电路共射-共基电路共射-共基电路恒压源电路推动级反馈电路至末级功放沃尔漫电路图1前置放大电路框图3电路组态与频响的关系经过一期的学习，我们学了各种放大电路及其组合形式。由于所选器件和组合形式的不同，不可避免地要造成诸如输入阻抗、频响、失真、信噪比等方面性能的指标差异，并且最终以音质方面的差异体现出来。3.1组态与频响的关系选择电路时，我们希望其频响应尽量平坦宽阔，在整个音频范围内平衡度好。电路的转换速率和失真也相对低。通过第五章的学习，我们了解到晶体管Cbe、Ccb和Co的反馈或分流效应，造成输入、输出信号中的高频分量减少，其中以Ccb的影响最大。高频信号经该电容反馈主生的“密勒效应”，相当于在放大器输出端并接了一个容量等于Cm(密勒电容)的电容。Cm和Ccb的关系是：Cm=(1+Kv)Ccb（1）图2共射-共基差分电路可以认为Cm是影响放大器高频响应的主要因素。而耦合电容的容抗主要影响放大器低频频响。这些因素与电路组态有关。图2共射-共基差分电路3.2共射-共基差分的频响3.2.1共射-共基电路通过学习我们知道共基放大器由于基极交流接地，集电极电容Ccb的反馈条件被破坏，Ccb转化为CO（共基接地时晶体管的输出电容）。其影响比Cm自然小得多，而集电极与发射极之间的寄生电容基电路有很好的高频响应。在音频放大电路中，共一般极小，管子内部反馈的影响也小得多。所以共基电路不单独作用，而是与共射或场效应管共源放大器直接耦合组成共射-共基或共源-共基放大器。共射-共基差分电路如图2所示。图3共源-共基差放电路这种放大器取两种放大器之长而避其短，不仅有很好的高频响应和较高的增益，而且使共射管有恒定的UCE。因T1有很高的输出阻抗，T3有很低的输入阻抗，所以T3可将T1的电流变化转化成电压的变化。如图2示，这就为T1提供了恒定的UCE。UCE恒定，可明显改善T1的β值线性度，避免了上下半周放大量不一致而导致的失真。所以共射-共基电路是一款性能优良的放大器。图3共源-共基差放电路3.2.2共源-共基电路众所周知，场效应管具有输入阻抗高，动态范围大，噪声系数小且与工作电流基本无关的特点。所以由场效应管和三极管组成的共源-共基差放电路在现代高保真放大器中应用更为广泛。共源-共基差放电路3所示。3.3互补对称放大器的失真图4沃尔漫电路图4沃尔漫电路共射-共基电路有诸多优点，在信噪比方面的表现也不逊色。4功放优化设计4.1DC化无大环路负反馈功放电路为消除非线性失真和抑制零飘，一般晶体管功放的输出端与输入级之间加有大环路负反馈。研究表明，由于功放输出端信号会因为晶体管极间电容的充电过程而被延迟，使输出信号相位滞后于输入信号。加环路负反馈后产生TIM失真。虽然晶体管的极间电容很小，相移的影响主要表现在高频段。但对波形前沿很陡的音频信号仍然产生明显的影响。要避免TIM失真，减少电路相移量的方法为治本之策。在功放电路中，输出级晶体管的极间电容最大，可达几百皮法上千皮法。若使反馈环路避开输出级，反馈信号的相移将会明显减少。TIM失真也可明显改善。于是设计时可将反馈信号的提取点移至电压驱动级的输出端，使输出级不介入环路负反馈（即所谓无大环路负反馈）。这样就缩短了反馈路经。使反馈信号的相移量尽可能小，同时又保留了负反馈给电路带来的好处。输出级介入反馈，还可以防止感性负载（即扬声器）反向感应电动势带入输入级，引起交叉调制失真。综合分析图5前置低放电路图主电路部分如图5所示，音频信号经R1缓冲进入Q1和Q2组成的双差分输入电路。C1和R2对输入信号中的高频干扰起到旁路的作用。R2作为输入电阻.Q1、T1，Q2、T2，Q3、T3和Q4、T4构成共射－共基电路（也称沃尔漫电路）这种电路最显著的特点是具有失真低、频响宽、增益高、线性好。R4、R6、RP1、R7、R9构成分压电路给T1、T2、T3、T4的基极提供12V基极偏压。这样，Q1～Q4四只结型场效应管的漏极工作电压只有11.3V（12-0.7）左右,保证了结型场效应管安全可靠地工作,这是因为结型场效应管的工作电压较低,不能直接工作在较高的电压下。RP1(兼作输出级输出中点电位的调节)为输入电路静态电流的调节电阻,设计时输入级静态电流设定在1.4mA左右。这样，R3、R8上产生2.1V压降作为下一级电路的偏置电压。图5前置低放电路图电压放大级同样是由T5、T6、T7、T8构成共射—共基电路。D1、R16、D2为T6、T8的基极供基准工作电压。调节RP3将该级的电流设定在4.8mA左右，R36上电压降为1.45V。正负半周的信号经T9T13共射放大电路后由其集电极进入T10、T12组成的共基电路，并从两管的集电极输出，经R37、R38缓冲送入Q5、Q6组成的末级电路。T7、R17、D3、RP3构成恒压电路，调节RP3可以改变Q5,Q6两管栅极电位差，从而改变末级静态工作电流。C6、C7及输入级的C2、C3为高频退耦电容，减少了电源的调频内阻过大引起自激的可能。关于末级管Ｑ5、Ｑ6电流到底设计在多大，以前有人作过探讨，结论是静态电流大于80mA后，胆味才更浓郁。为了获得10W左右的功率，本设计中将Q5、Q6的静态电流设计在80mA左右。如果想得到更大一点的功率，我们可以改变末级功放的电源电压，把场效应管的漏极电流调到100mA左右。这样，不仅有大的功率，而且有胆机的味道。场效应管属电压控制器件，栅极输入阻抗高，静态电流调大时，会产生寄生振荡，解决的办法是在Q5、Q6的栅—漏之间并联C10、C9来消除。R18、R21为末级管的源级电阻，当该级电流为100mA时，其上的压降为2V左右。R11、R12、R13、C4、C5组成电压反馈网络，这种反馈的特点是：通频带、转换速率等指标最优（在该电路中）。R11、R13将整机的闭环电压放大倍数定在10倍左右，这也是前级电路常规的放大倍数设定方法。至于相位补偿电容C5的使用，有一个原则是能小则小，能不用则不用。C5的使用影响整机的转换速率，使整机的动态变软（C5在这里可以不用，不会产生自激）。电路特点：静态下没有噪音，噪声系数低，背景干净，动态范围大，电路简单且易于集成，稳定性高。音频放大电路中均采用了高音频专用管，使整机提高了信噪比。提高了转换速率且减少开关失真。推动管采用了2SK214和2SJ77并将推动管的工作点调至最佳工作状态。有了优秀的功放电路，还得选择优质的元件来组装。功放的音质帮能有保证。正所谓“宝马配金鞍”吧！胡乱地东拼西凑，忽略了对元件品质的要求，再优秀的线路相信也不一定能出靓声。本功放对各部分元件的品质要求较高。总的来说，本机播放的音乐定位准确、平稳、乐器质感逼真、自然、动态范围宽，瞬态响应讯速灵敏，干净利落。图6音源切换电路5.1音源切换电路图6音源切换电路图7切换开关音源切换电路如图6所示。采用小型继电器，最大限度地缩短了小信号的传输路线，这也是中高当功放电路常用的形式。通过固定在面板上的五挡切换开关，控制五路继电器。所用继电器为直流通道12V，直流电阻700欧左右。继电器的＋12V电压由稳压电源正端取出经集成稳压IC1（LM7812）稳压，供五路继电器和其它附属电路使用。图7切换开关图7是一个音源选择开关，它可以固定在面板上。电源电路图8电源电路图8是该电路的电源电路。集成稳压电源7812为音源选择电路提供12V电源。主电源部分为前置放大电路提供±31.5V的电压。5.3末级功放电路图8电源电路下面介绍末级功放的设计要求。在设计末级功放时，我们可以根据以下条件来选择。电源电压与晶体管的选择应根据：图8电源电路图VCC=EQ（2）图8电源电路图来确定。为了留有裕量，实际电压值应比计算值高出3～5Ｖ。对输出管的要求：β为40～80，fT≥20M，BRCEO＞2VCC（3）ICM＞VCC/RL（4）PCM=2（0.05VCC2/RL）+VCCIC（5）图9末级功放电路末图9末级功放电路末这个末级功放工作在甲类状态。三极管的型号已在图9中标明。表1所示是它的一些主要参数。当前面的低放管Q5、Q6的漏极电流≤±80mA时，图9所示功放输出功率PO:PO=2*0.7*8≈10W（6）表1末级功放管的主要参数表三极管型号特征频率fTC-E间的击穿电压BRCEOC最大充许电流ICMC最大耗散功率PCM2SC5200FT≥30MBRCEO≥160VICM≥15APCM≥150W2SA1943FT≥30MBRCEO≥-160VICM≥-15APCM≥150W甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器，在当今众多性能优良的放大器中，它仍有吸引人的音质。甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子始终工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器始终保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬间升降能讯速反映。因而输出功率发生急剧变化时，电源电流变化微乎其微。由这种强大的驱动者来推动扬声器就能轻而易举的获得高保真的重放效果。5.4扬声器保护电路图10扬声器保护电路扬声器保护电路如图10所示是一个三极管式正、负向直流电压检测电路。对其原理作简要说明。图10扬声器保护电路T3为正向直流电压检测器，T1、T4为负向直流电压检测器。正常时，T3基极电位为0V，T1~T4均截止，K1的常闭触点不动。当T3基极电位≥±0.7V时，T1的集电极电位约0.2V。T2饱和导通，K1吸合，断开扬声器起到保护作用。参考文献[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,1989[2]庾东兴.石机胆味的甲类功放.无线电与电视,2004,4.37—42 [3]金忠阳.降低放大器的瞬态互调失真.无线电与电视,2001,11.4546[4]新编中国半导体器件数据手册.北京:机械工业出版社出版,1992.8716--816[5]吴文波.高保真音响设计制作.北京:电子工业出版社,2000,3[6]范志庆，操建华.高品质前级放大器的设计与