高保真功率放大器的设计 -毕业论文.doc

【标题】高保真功率放大器的设计 【作者】陈 斌 荣 【关键词】高保真前置放大电路音调控制电路 OCL功率放大器 【指导老师】陈 光 彦 【专业】电子信息科学与技术 【正文】1.前言1.1课题背景高保真的英文是High Fidelity，简称Hi-Fi，直译为“与原来的声音高度相似的声音”。高保真是指声频录音及放音系统或设备具有如实反映声音信号本来面貌的能力，以及设备对声音信号进行特定修饰、加工处理和声场再现时声像位置及其移动的逼真程度1。现在，“高保真”一词广泛用于音响技术，几乎成为音响的代名词。在我国，高保真音响的发烧热潮已经持续了10多年，一直以来，音响工程师和音响发烧友们都在不断的努力研究，追求高质量的声觉享受，主要是为了得到更加真实、更加接近自然的原声。这使得人们在对音响设备的主要组成部分音频功率放大的器设计时，无论从设计方案的完美要求还是对元器件的挑剔选择，都经过了不断的努力并取得了很大的进步。在目前的市场上，功放产品价格已经平民化，一般价格在几百元左右，然而高质量的功放仍然价格不菲，让音响发烧友们望而却步。因此，制作出一种简单实用、制作成本低廉的高保真功率放大器的设计方案，并给出实际测试结果，为人们提供这种方案，具有很强的实用价值。高保真功率放大器设计的重点减少失真，包括非线形失真和相位失真，提高保真度。功率放大电路要求减少功耗，提高效率。设计出比较完善保护电路，减少对重要器件的损害。整体电路简单实用，性能良好提高性价比2。1.2研究现状高保真功放技术经过了漫长的发展期，其发展历程可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，到了50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为许多人偏爱。60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了70年代初，集成电路以其许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90Db的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点3。由于高保真功率放大器电路结构早己相当成熟，近几年放大器的发展相对比较缓慢，但在功率放大器方面也推出了一些诸如ALA失真伺服、胆石混合功放等新电路。ALA失真校正电路，源于日本的YAMAKA公司，而失真伺服（DISTORTION SERVO）电路为日本DENON的成果，此两种电路从作用上讲本是一回事，但电路的结构上却有差别。此两种电路前几年流行过一阵子，但没有形成气候，其原因恐怕是音质表现并没有多少感人的地方。胆石混合功放电路是电子管与晶、场、集混合的电路，大家称之为“混血儿”。这样的电路具有两种元器件的风味，很适合人们听感要求。高保真功放电路总的趋势是改进性能，朝中高档方面发展。目前在高保真音响领域里，晶体管和集成电路两类放大器占有优势。集成电路功放电路工作稳定、外围元件少，易于安装和调整，且音质好、失真小，不少典型功放电路都设计成集成电路形式，集成电路中的厚膜音响电路、运算放大器被广泛用于音响电路。现在市面上也有不少规格的功放集成块可供选择，还有为设计互补功放电路生产的配对集成块，这就给集成功放电路的发展提供了许多有利条件，可以预测，将来的音响功放系统必定的集成电路的天下。此外，沉默了20年的电子管放大器近年来也开始复苏，由于技术的进步，尤其是扼住电子管放大器咽喉的输出变压器高保真技术的成熟，给古老的电子管功放注入了一派生机。今日的电子管功放已非昔日的老古董。完全进入高保真的境界了。人们普遍认为，电子管功放的声质柔美、甜润、是音色冷艳偏于的数码音源的最佳搭挡，就连一些比较讲究音质的CD机，其模拟电路也采用了电子管。我国是生产电子管的大国，所生产的电子管如KT100、KT88、EL34等热销国际市场。20世纪90年代以来，涌现出一批生产高级电子管功放的厂家，如斯巴克、极典、欧博、欧琴等。他们的产品不仅畅销国内市场，而且大举进军国际市场，为中国音响产品在国际高保真音响市上树立良好的形象4。1.3研究内容及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。高保真功率放大器，是高保真音响系统的核心部件，其基本的功能是把信号源送来的微弱声频信号不失真地加以放大，最后推动扬声器发出优美宏亮的声音。功率放大器可以采用分立元件，也可以采用集成元件。当选用分立元件电路时，如果电路选择得好，参数设置恰当，元件性能优越，制作调试得好，则性能要高于较好的集成电路。本设计都采用分立元件，设计方案以简单实用为目的，整体电路简洁清晰。因高保真音频功率放大电路越简洁，电信号在传输过程中的损失就越小，电路对电信号的影响也就越小，保真度越高。功率放大器要求不失真的放大信号的功率，则要求输出功率尽可能的大、效率要高和失真要小，满足人们对音响设备的需求。设计电路中主要采用三极管、二极管、电阻、电容等器件组成的核心电路，适合广大电子爱好者和音响发烧友装配使用，其性价比也比较高5。2.方案对比与论证2.1功率放大器设计方案对比甲类低频功率放大器的效率低，变压器耦合推挽功率放大器的变压器的体积大、重量大，所以在功放电路中已经很少采用这两种放大器。现在，广泛应用的是无变压器功率放大器。无变压器的功率放大器可分为OTL电路、OCL电路和BTL电路三种6。2.1.1方案一 OTL电路图2.1 OTL功放电路OTL是英文Output Transformerless的缩写，意思是没有输出变压器。OTL功放电路与采用输出变压器的功放电路相比，具有体积小、重量轻、制作方便等优点，技术性能也有很大的改善。OTL功放电路图如2.1，Q2、Q3是两只异极性的功放管，Q2是NPN型三极管，Q3是PNP型三极管。电位器R2、二极管D是Q2、Q3的正向偏置元件，调节R2可以改变Q2、Q3的静态工作点。Q1是Q2、Q3的前置放大级，R1、R3是Q1的偏置电阻。在输出中点，该点电压为电源电压的一半。OTL功率放大器的两只输出管是串联供电的。它的输出端有电容隔直流，所以不用设置扬声器保护电路，但由于输出端有隔直电容的存在，使放大器的低频难于进一步展宽。早期的高保真功率放大器几乎都采用OTL电路，因为OTL电路可发挥异极性晶体管互补工作的优点，电路简单、合理，调试方便7。2.1.2方案二 OCL电路OCL是英文Output Capacitorless的缩写，意思是没有输出电容器。OCL电路的两只输出管是参数相同的异极性管，上管是NPN型，下管是PNP型，电路中采用正、负电源，输出两管电路对称，输出端的中点为零电位。扬声器连接在零点电位和“地”之间，属于直接耦合输出。图2.2 OCL功放电路该方案OCL电路用完全对称的互补电路，其差动输入、激励、输出级都采用完全互补对称电路，充分利用NPN型和PNP型晶体管互补工作的优点，让信号从输入到输出都处于推挽放大之中，使电路获得很好的稳定性和保真度。电路中，输入级采用了双差动对称互补电路，主要作用是控制零点漂移；输出级采用双射极跟随器对称互补电路，第一个跟随器是第二个跟随器的驱动器；中间推动级部分电路是功放激励级，也叫电压放大电路，它的作用是把输入级送来的音频信号进行电压放大，以产生足够大的信号电压来推动输出级工作。在OCL电路中加入输入级、推动级和输出级等电路，是为了电路要产生足够大的电压放大倍数，以产生足够大的输出功率驱动负载工作。OCL功放电路，它具有工作稳定、通频带宽、失真度小等优点。OCL电路因为没有输出电容，使放大器的低频特性范围增大，但输出端必须设置扬声器保护电路。采用正、负电源供电，电路结构比较复杂。输出端的静态工作电压为零。2.1.3方案三 BTL功率放大电路BTL的意思是平衡式无输出变压器。BTL功率放大器由两个放大器组成，负载的两端分别接在两个放大器的输出端。其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出，即负载两端的信号仅在相位上相差180度。负载上将得到原来单端输出的2倍电压。BTL电路的优点是电源利用率比较高，输出功率较大；缺点是晶体管数目增多，总损耗增大，所以转换效率低。图2.3 BTL功放电路通过方案一、二、三对比分析，本设计采用OCL功率放大电路。因为BTL的晶体管较多，选材不经济，还有它的电路不便测试、调整，性价比不高，所以不采用。而OTL电路有输出电容常产生以下问题：输出电容在低频时容抗大，当与低阻扬声器串联后，会使放大器的低频下跌。级间负反馈虽然能改善输出时的低频响应，却不能解决功率带宽的问题。在频率很低时，由于扬声器的电源不对称，对应输入信号正、负半周，流过扬声器的输出电流正、负幅度不同，产生失真。因此选用OCL电路能满足设计要求，保真度高，性价比也比其它两种方案好8。2.2前置放大电路方案对比2.2.1方案一阻容耦合电路图2.4阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路是通过电阻和电容把多级放大器的前后级连接起来。电路图如2.4，电容C2为耦合电容，使前后级之间直流电路互不相通，而每一级的静态工作点都是相互独立的，互不影响，所以工作点的调试很方便。阻容耦合电路的优点是电路的分析、设计、调试比较简单易行；只要输入信号频率较高，耦合电容较大，前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级。因此在分立元件电路中得到广泛的应用。它的缺点是低频特性较差，不能放大变化缓慢的信号，不适合传递此类信号9。2.2.2方案二直接耦合电路图2.5直接耦合放大电路将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合。直接耦合放大电路如图2.5，电阻R2即作为第一级的集电极电阻，又作为第二级的基极电阻，只要R2取值合适，就可以为Q2管提供合适的基极电流。直接耦合电路的前后级工作点互相影响，为了稳定工作点，采用提高后级发射极电位，使后级基极电位趋近于前级集电极电位的方法解决问题，就是在Q2的发射极串接适当的电阻R3。这时该电路可以提高耦合度，同时可以稳定工作点。直接耦合电路简洁，且具有良好的低频特性，可以放大缓慢变化的信号。所以，选用方案二。2.3设计方案论证图2.6高保真双声道功率放大器原理图总体电路主要由前置放大电路、音调控制电路和OCL功率放大电路三部分组成，基本的功能是把信号源送来的微弱声频信号不失真地加以放大，最后推动扬声器发出高度保真的声音。前置放大电路用两级直接偶合放大电路，其低频特性好。音调控制电路用电位器实现高低音控制。功放采用OCL功率放大电路，它具有稳定性高、频响范围宽、保真度好等优点。功放采用三级全对称互补OCL电路，输入级采用了双差动对称电路，它的低频特性直逼零频、对抵制温度及电源干扰有良好的效果；输出级采用双射极跟随对称互补电路，输出阻抗低，所以用在阻抗低的扬声器的负载电路上。功率放大电路为负载提供足够大的功率10。设计原理框图如图2.6。2.4小结本章通过对功率放大电路、前置放大电路的设计方案进行对比，选取OCL功率放大电路和直接耦合前置放大电路，并对选取方案做了详细的论证，然后对总体方案进行了论证分析说明。3.整体电路设计3.1电源的设计电源是高保真音频功率放大器的能源。电源电路一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路等部分组成。如图3.1，电源变压器是将220V交流电进行电压变换降为19.5V，再经过1.5A以上的桥式整流、滤波、输出24直流电压。D9D12四个整流二极管组成一个桥式整流电路，当交流电源为正半周时，D9、D11导通向电容充电；交流电源为负半周时，D10、D12导通向电容器充电，让交流电压变为全波脉动直流电压。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，在电路设计中采用电抗元件电容并联。由于电容器对直流电相当与开路，对交流电相当与短路，所以电容能滤掉大部分交流成分。三端稳压电路的7824为正极性集成电路，输出正极性直流电压+24V。7924为负极性输出-24V。电容C20为滤波电容，其容量较大；输入端电容C21主要用于减小交流纹波；输出端滤波电容C22改善负载的瞬态响应11。图3.1电源原理图3.2单元电路的设计3.2.1前置放大电路的设计图3.2前置放大器原理图前置放大器，是音响系统中连接信号源与功放的枢纽和桥梁。如图3.2，电位器W1为音量控制电路。R1、C1为输入耦合元件，对输入信号起到一定的缓冲作用。晶体管Q1为共发射极放大器，同时放大信号的电压和电流，输出信号电压与输入信号电压相位相反。晶体管Q2为共集电极放大器，只放大电流，输出信号电压与输入信号电压相位相同。Q1和Q2组成一个共发-共集双管直接耦合放大器。基极电阻R2、R3构成分压式偏置电路，提供一个合适的基极直流电流，稳定工作点。C3是输出端耦合电容，隔直流，通交流。R5、R7分别是Q1、Q2的发射极电阻，提供直流通路。R6和C2串联构成电流串联负反馈电路。当有直流电流时，C2隔离直流，使直流流过发射极电阻R5，所以R5还存在直流负反馈作用。电路中C4是退耦电容，加入退耦电阻R8后，可以进一步提高退耦效果，而降低了前级电路的直流工作电压。3.2.2音调控制电路设计图3.3音调控制电路原理图音调控制器的作用是对各频段的音频信号进行提升或衰减，满足听音要求。如图3.3，电路采用RC负反馈式音调控制电路，该电路具有信噪比高、调试方便等优点。低音控制部分由W2、C5、C6、R9、R10、R12等构成，高音控制部分由W3、R11、C7等构成。当进行低音调节时，将低音控制电位器W2滑臂调至最左端，低音信号经R9、R10直接送入晶体管Q3，输入增益最大，而放大器输出的负反馈信号中的低音部分则经过R12、W2、R10负反馈进入Q3的基极，负反馈量最小，因而低音提升量最大；当调节W2滑臂至最右端时，则低音信号输入增益最小，负反馈量最大，提升量最小。由于C5、C6对低音信号的容抗很大，近似开路状态，而对高音信号近似为短路，所以无论怎样调节W2的滑臂，只会对低音信号有影响，而不会对高音信号有任何影响。同样，当进行高音调节时，将高音控制电位器W3滑臂调节到最左端，高音信号经过C7、R11直接送入晶体管Q3，输入增益最大，而负反馈信号经过W3、C7、R11负反馈进入Q3的基极，负反馈量最小，因而高音提升量最大；当调节W3滑臂至最右端时，则高音信号输入增益最小，负反馈量最大，提升量最小。由于C7容量较小，对中低音信号可视为开路，因而无论怎样调节W3的滑臂，只会对高音信号有影响，而不会对中低音信号有任何影响。放大管Q3为核心组成放大电路，C9是负反馈电容。信号经前级放大器放大后，送入此电路中进行音调修饰处理，再经功放电路输出，由扬声器放音。3.2.3 OCL功率放大电路的设计如图3.4，输入信号经C11、R17耦合元件滤波，然后输入Q4、Q5组成的双差动电路，Q4、Q6构成PNP差动放大器，Q5、Q7构成的NPN差动放大器，其优点是抑制零漂引起的放大器的不稳定性。R18R21是集电极负载电阻。R22、R23是发射极负反馈电阻，其阻值比较大可以视为开路，用以提高差动放大器的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。Q8、Q9构成第二次电压放大电路，使动态效果更大，驱动后级电路更强。Q10、Q11为功率放大的推动管，采用配对的小功率管。Q10、Q12组成NPN功率复合管，Q11、Q13组成PNP功率复合管，四只晶体管构成互补推挽功率放大功器输出级。输出管Q12、Q13采用2S5200和2SA1943，改善了负载特性，使音质更加细腻动听。输入音频信号时，当信号处于正半周时，Q5导通，Q4截止，正半周信号经过Q5、Q7差动电路放大以后，从Q5的集电极直接耦合给Q8的基极，再经过Q8放大送入Q10、Q12，输出得到正半周的功率信号。同理，输入信号处于负半周时，Q4导通，Q5截止，经过Q9、Q11和Q13得到负半周的功率信号。C12、R24、C13、R27可构成交、直流负反馈网络。由R27、C13与R24、C12构成的分压器所分得的电压信号加到Q6、Q7的基极。其中，C12对直流视为断路。输出中点直流电位的变化量基本都加在Q6、Q7的基极上，当中点电压发生变化时，通过R24、R27直流负反馈网络就会动作，稳定中点电压。对交流信号，C13可视为短路。这时反馈信号被R24、R27分压。C13为相位超前补偿电容，避免电路自激。图3.4 OCL功率放大器原理图3.3保护电路设计功放电路采用OCL电路，它的输出端与扬声器之间直接耦合，当电路出现故障，输出端可能出现很大的正电压或负电压，将直接加到扬声器中，必会烧坏扬声器，所以电路需要设置了保护电路。当保护电路在输入信号正常时，保护电路不动作，电路不受影响；当输入信号太大，保护电路动作，电路将受到保护电路的控制。如图3.5，在c路电路中，R37、C17、C18构成低通滤波器，电容C17和C18是有极性电解电容，逆串联后为无极性电容，将音频信号旁路到地。当功率放大器工作正常时，Q15截止，在偏置电阻R40的作用下Q18饱和导通，继电器J吸合，常开触点接通，功放电路正常工作。当电路出现故障时，放大器的输出端将出现正或负直流电压。在C路如果是正直流电压，保护电路启动，Q15导通；如果为负直流电压，Q16导通。此时，Q17的集电极由高电位降为低电位使Q18、Q19截止，J1无电流流过，常开触点断开，切断电路，保护扬声器。a、b路为输出过流保护电路。当功放正常工作时，R30两端的电压降经过R33降压后的电压不能使Q14导通，此时Q14截止，a路保护电路不工作。b路保护电路同理。当功放工作异常时，R33正电压急剧增大，使Q14导通，Q14集电极变为低电位，使D3导通，将Q17基极由高电位降为低电位，Q17导通。这时，Q18的基极降为低电位，Q18、Q19截止，J1常开触点断开，保护扬声器。R40、C19构成开机延时保护电路。图3.5保护电路原理图3.4主要参数的估算3.4.1确定各级放大倍数由整机电路的设计内容、级数，根据各级电路的性能要求以及技术指标，确定各级电路电压增益。一般声频信号通过前置放大器，一律放大到0.7V1V左右。语音信号一般为毫伏，在电路估算中，输入话音信号电压为10mV5。由已知条件知输出电压VO，如式（3-1）。计算电压放大倍数为AU，如式（3-2），因为在电路放大过程中会出现衰减，所以AU=1500倍。整体电路的放大增益是各级电路放大增益的乘积，如式（3-3），分配总增益给各级电路，设置前置放大电路的增益AU1=60倍，音调控制电路的增益AU2=1倍，OCL功率放大电路的增益AU3=25倍。（3-1）（3-2）（3-3）3.4.2功率放大电路主要参数的估算效率：（3-4）在理想情况下，UOMUCC时，约为78.5%。最大输出功率：功率放大电路的最大输出功率POM，可由公式（3-5）计算出。其中UOM为放大电路的最大输出电压，负载RL为8。（3-5）当求最大输出电压UOM时，如图3.4，晶体管Q8充分导电，Q10、Q12输出最大电流，Q11、Q13处于截止状态时，输出端可得到最大正向电压，可得：（3-6）这时Q8饱和导电，则UCE81V，UR25约为0.7V。假设UBE10=UBE120.8V，UR301V。代入式（3-6）得出UOM=19.7V。因此最大输出功率为，。在实际工作中留有余地，电路的额定输出功率为20W。3.5小结本章首先对高保真音频功率放大器的电源电路的设计原理分析说明，然后对各单元电路，前置放大电路、音调控制电路、功率放大电路以及保护电路的原理都做了详细的分析说明，最后对电路的主要参数进行了估算并得出结果。4.仿真分析4.1前置放大电路的仿真4.1.1静态工作点的仿真如图4.1为前置放大电路的静态工作点的仿真调试电路。静态工作点一般设置在直流负载线的中部。直流电源为16V，R2的值决定静态工作点。先设R2为滑动变阻器，调整R2的值使直流电压表的读数约为8V，这时R2的值为2.2M，电路的参数如图4.112。图4.1前置放大电路静态工作点的仿真4.1.2电压增益的仿真测量在图4.1的A、B端接入交流信号源，设置信号源输入信号电压为10mV，频率为1KHz，电路工作在话筒输入路状态。在A、C端接入双通道示波器，仿真波形如图4.2。仿真的波形没有失真，由示波器显示的数据可以计算出放大电路的电压增益，如式（4-1）。图4.2电压增益仿真波形（4-1）仿真出的结果电压增益Av为50倍，增益不够。可以通过改变R6的阻值提高增益，调整后R6为820，这时根据仿真结果数据，重新计算电压增益为60倍。4.1.3幅频特性仿真测量在图4.1的A、B端接入交流信号源，设置信号源输入信号电压为10mV，频率为1KHz，在A、C端接入波特图仪13。图4.3前置放大电路低端截止频率显示当电容C1为0.1uF、C3为10uF时，由光标可以读出，Adb=-3db低端截止频率（fL）为47Hz。设计要求频带宽度为20Hz20kHz，仿真结果不满足设计要求。影响低端带宽的元件主要是电容C1和C3，修改电容C1为10uF，修改电容C3为47uF后，调整电容后幅频特性曲线如图4.3，此时的低端截止频率（fL）下降为18Hz14。移动光标指针，可读出高端截止频率（fH）为301KHz，则电路的通频带为：（4-2）4.2音调控制电路的仿真4.2.1静态工作点的仿真测量图4.4音调控制电路静态工作点的仿真图4.4为前置放大电路的静态工作点的仿真测量电路。调整电路偏置电阻R4、R6的阻值，当R4为750K、R6为150K时，使直流电压表的读数约为9V，即Vce1电压约等于R8电阻的端电压，由此得到电路的参数如图4.4。4.2.2电压增益的仿真测量图4.5输入信号频率为1KHz的仿真波形如图4.4中，在A、B端接交流信号源，设置为100mV，频率为1KHz，在A、C端接入双通道示波器。设置高音音调电位器R2和低音音调电位器R7分别都在50%的位置上，如图4.5所示的仿真结果，可知道音调控制电路输出的波形没有失真。由波形图所得数据知道音调控制电路的电压增益为：（4-3）图4.6音调控制电路低音提升波形在图4.4中，设置信号源频率为20Hz。仿真低音提升时，调节低音电位器R2为0%，适当调整元件参数，仿真结果波形如图4.6所示，可以看出音调控制电路低频提升时输出波形没有失真。由仿真得到的数据可以知，音调控制电路的电压增益约为8倍。仿真低音衰减时，调节电位器R2为100%，仿真结果图4.7，由仿真数据得此时电压增益约为1/8倍。同理，在图4.4中，设置输入信号频率设置在20KHz。仿真高音提升，调节高音电位器R7为0%，仿真得出，电压增益也约为8倍。仿真高音衰减时，调节电位器R7为100%，和低音一样，电压增益约为1/8倍15。图4.7音调控制电路低音衰减波形4.3 OCL功率放大电路的仿真4.3.1静态工作点的仿真测量图4.8为OCL功率放大电路静态工作点的仿真电路图。仿真时，设置电阻R10为滑动变阻器，调整变阻器的阻值，以改变输出中点电压，使电压表读数为0V16。此时，R10为65K。图4.8 OCL功率放大电路的静态工作点的仿真测量4.3.2.电压增益仿真测量图4.9功率放大电路的电压增益仿真波形在图4.8中，在A、B端接交流信号源，设