高保真音频功率放大器.doc

电子技术基础课程设计（论文）题目：高保真音频功率放大器的设计与制作院（系）：-专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：2006.6.122006.6.23课程设计（论文）任务及评语院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电子信息工程学 号040302041学生姓名贾真专业班级自动化042课程设计（论文）题目高保真音频功率放大器的设计与制作课程设计（论文）任务设计参数：1. 采用全部或部分分立元件设计一种音频功率放大器。2. 额定输出功率3. 负载阻抗。4. 失真度5. 设计放大器所需的直流稳压电源。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文）目 录第1章 高保真音频放大器设计方案论证11.1高保真音频放大器的应用意义11.2高保真音频放大器设计的要求及技术指标11.3 设计方案论证21.4 总体设计方案框图及分析3第2章 高保真音频放大器各单元电路设计42.1 输入调整电路设计52.2 中间级放大电路设计52.3 输出级电路设计52.4 增益调整电路设计6第3章 高保真音频放大器整体电路设计73.1 整体电路图及工作原理73.2 电路参数计算73.3 整机电路性能分析8第4章 设计总结9参考文献10高保真音频放大器设计方案论证1.1高保真音频放大器的应用意义在现代音响普及中，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。1.2高保真音频放大器设计的要求及技术指标设计要求（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；设计指标1采用全部或部分分立元件设计一种音频功率放大器。2额定输出功率3负载阻抗。4失真度5设计放大器所需的直流稳压电源。1.3设计方案论证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2的喇叭也轻松自如。1.4总体设计方案框图及分析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 电路框图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，失真最小的放大器它有吸引人的音质。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迅速反映。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。为了能得到好的音质,在设计时,我采用了前后级分离。前置低放和末级功放完全分离,甚至分开供电。电路的方框图如图1所示。高保真音频放大器各单元电路设计2.1输入调整电路设计图2 输入调整电路图主电路部分如图2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。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，Q1Q4四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。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T9 T13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5、6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。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。2.2中间级放大电路设计选择电路时，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 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。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3所示。图3 共射-共基差分电路互补对称放大器是用不同极性的放大器件（N型或P型）构成的高保真放大器中最常用的放大器。其结构有互补对称双管放大器和互补对称差分放大器两种。信号由不同极性的器件分别放大后在其输出端合成。由于它们工作在对称放大状态，具有类似差分的特性抵消失真中的偶次谐波，获得较低的失真度。鉴于此，我在这里用了沃尔漫电路。形式如图4所示。 图4 沃尔漫电路2.3输出级电路设计根据以下条件来选择。电源电压与晶体管的选择应根据： 图5 电源电路图VCC= 来确定。为了留有裕量，实际电压值应比计算值高出35。对输出管的要求：为4080， fT20M， BRCEO2VCC 我们可以根据以上的公式来确定三极管的型号。如图6所示，这是二级推挽射极接地功放。图6 末级功放电路这个末级功放工作在甲类状态。三极管的型号已在图6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6所示功放输出功率PO:PO=2*0.7*810W （6）高保真音频放大器整体电路设计 总电路图3.1整体电路图及工作原理工作原理在前面的整体方案论证及各部分分力元件的介绍中已经阐述，这里不在详细说明。3.2电路参数计算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PCM2SC5200FT30MBRCEO160VICM15APCM150W2SA1943FT30MBRCEO-160VICM-15APCM150WVCC= 为4080， fT20M， BRCEO2VCC ICMVCC/RL PCM=2（0.05VCC2/RL）+VCCIC PO=2*0.7*810W 3.3整机电路性能分析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。第4章 设计总结通过为期两周的实习，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。所以，一开始，我遇到了很多麻烦。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。设计电路，还要考虑到它的前因后果。什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我的分析问题的能力。原来，我们学习的电路只是一个理论知识，通过这次实习。使我的理论知识上升到了一个实践的过程。同时在实践中也加深了我们对理论知识的理解。另外，这次实习不仅使我的电学知识有一个很大的提高，而且还使我学到了许多其他方面的知识。比如，在计算机上制图，提高了我的动手能力。总之，通过这次实习，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。所以，在这里，我非常感谢各位老师的耐心辅导以及同学们的热心帮助。我忠心的感谢各位老师，你们辛苦了！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. 3742 3 金忠阳.降低放大器的瞬态互调失真. 无线电与电视,2001,11. 45 46 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,1992.8 716-8165 吴文波. 高保真音响设计制作.北京: 电子工业出版社,2000,36 范志庆，操建华.高品质前级放大器的设计与制作. 无线电，2002，5： 附录：器件清单器件大小器件大小R1