第三组音频功率放大器.doc

设 计 的 基 本 要 求 与 任 务一.题目： 音 频 功 率 放 大 器二.设计的要求： 1. 采用全部或部分分立元件电路设计一钟音频功率放大器2. 设计放大器所需直流稳压电源三.基本数值： 1. 额定输出功率P0=5瓦 2负载阻抗RL=8欧四.设计任务：1满足性能要求总体方案确定2部分电路的设计3值的计算4电路的整体方案确定目 录一.功率放大器的分类-1（一）甲类功率放大器-1（二）乙类功率放大器-1（三）甲乙类功率放大器-1二设计的方案与选择- 2三音频功率放大器的简介-2 （一）早期的晶体功放-2 （二）晶体管的功放发展和互调失真-3 （三）功放输入级-差动与共射-共基-4四电路的选择-6 （一）TDA2616集成功放电路- 6 （二）扬声器保护电路- 9五检测与维修- 9 （一）完全无声故障-9 （二）无信号声故障-9 （三）声音轻故障-10 （四）噪声或啸叫故障-11六心得体会-11七参考文献-11音频功率放大器的设计一功率放大器的分类（一）甲类功率放大器:甲类功率放大器，是指当输入信号较小时，在整个信号周期中，晶体管都工作于它的放大区，电流的导通角为 180度，适用于小信号低频功率放大，且静态工作点在负载线的中点。甲类放大器一直因为耗电多，效率低而未能在大功率的放大器中得到应用，但它天然的优点是无交越失真，无开关失真，并且谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上十分讨好听众，故而一些极度发烧的爱好者和厂家仍不惜代价地制作甲类放大器，电源储备量的提高更是为制作甲类放大器提供了有利的条件。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。（二）乙类功率放大器：乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。（三）甲乙类功率放大器：工作在甲乙类状态的三极管其静态工作点位于甲类功放和乙类功放之间，在输入信号周期内，管子导通时间大于半周而小于全周，此时如果电路的输入信号为正弦波，那么输出信号为单边失真的正弦波。由于甲乙类工作状态下存在静态电流，电路消耗电源功率，故它的效率低于乙类。为了解决非线性失真问题，通常采用两只参数对称的三级管轮流工作的推挽电路。二设计的方案与选择甲类、乙类和甲乙类是指放大电路的工作状态。而不同的工作状态对音质的影响是很大的，因此也就分为了甲类和乙类放大电路。甲类电路具有音质好，失真小等特点，广泛应用与高档的功放机中，但其也有效率低，耗电较大，制作成本高，不易调试等缺点。乙类则注重于效率，降低成本，普遍应用于低端家庭影院，听音要求不高的地方，因其价格低廉，制作容易。具有较大的交越失真是其缺点，但可以通过增加静态电流和设计良好的电路加以解决，但会增加其功耗。甲乙类的工作点介于以上两者之间，应用于中档机，其很好的结合了效率和音质，在小动态时接近甲类状态。因此，本课程设计选择甲乙类的功率放大器。三.音频功率放大器的简介在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，另对相同电器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，应该达到电器指标与实际听音指标的平衡与统一。音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。（一）早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制作功率放大器。早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的 OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管于，所以不得不采用变压器耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。(二) 晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL电路或 OTL电路。 最初的大功率 PNP管是锗管，而 NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的 对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管 Q1与一只大功率的 NPN硅管 Q2复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。 到了六十年代末，大功率的 PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些摧琛夺目的名机，如 JBL的 SA600， Marantz互补对称电路MOdel15等等尽管电子管的拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题。瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代，功率放大器的发展史中出现了一件最引人注目的事情，这就是瞬态互调失真 (Transient lntermodulation)及其测量方法的提出。1963年，芬兰 Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时，由于接线失误，使电路的负反馈量减少了，后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好，客观技术指标较差，而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了，音质反而比误接时明显下降。这一现象引起了当时同一工厂的 Mr.Otala的重视，之后，他对此进行了悉心研究，于1970年首先发表丁关于晶体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。至 1971年,Otala博士及其研究小组就 TIM失真理论发表的论文已经超过20篇，引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。瞬态互调失真的大意是这样的： 在直接耦合的晶体管放大电路中，为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应，通常对整体电路施加深达40dB一60dB的负反馈，倘若在加负反馈前放大器的开环失真为10，那么加上40dB的负反馈后，失真即可降低至01，这是电子管功效难以做到的。晶体管功放由于要施加40dB。60dB的负反馈，所以对一台增益要求为26dB的放大器，它的开环增益就要达到66、86dB。如此高的增益之下引入深度负反馈，电路势必会产生自激振荡，因而需要进行相位补偿，一般是在推动级晶体管的集电极基极之间接接一个小电容 C，破坏自激振荡的相位条件，形成所谓“滞后补偿”， 当放大器输入端输入持续时间非常短的过渡性脉冲时，由于电容 C需要充电时间，所以推动管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值，显然，在电容 C充、放电期间，输出电压 V。将达不到应有的电压值，输入级也不可能得到应有的反馈电压 Vf，因而，在过渡脉冲通过输入级的瞬间，输入级将处于负反馈失控状态，致使输入级严重过载，输出将严重削波，引起过渡脉冲瞬时失真。如果过渡脉冲波形上还叠加有正弦信号，输出端还会得到很多输入信号频谱不存在的互调频率成份，这就是 TIM失真。 TIM失真和音乐信号也有密切关系，音量大、频率高的节目信号容易诱发 TIM失真。严重的 TIM失真反映在听感上类似高频交选失真，而较弱的 TIM失真给人以“金属声”的不快感觉，导致音质劣化。至今，音响界对于 TIM失真都还有争议，但这毕竟是人们认识的深化，它使后来放大器的设计思想发生了根本性的变化，即更加注重放大器的动态性能而不是仅仅满足于静态技术指标的提高。(三) 功放输入级差动与共射-共基对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一。 音乐讲究各声部之间的乎衡与统一，美术以色彩搭配均衡、和谐为美，在服装设计中，常常采取看似不对称的设计，其实质也是为了取得视觉上的均衡。上面所说的都是艺术，对称和平衡给人一种安定、完美的感觉。有意思的是，在功率放大器中，对称和平衡也有类似的效果。 最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了，一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出，不仅可以免除笨重的输出变压器，而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了，保真度有了很大提高。稍后，人们从运算放大器的设计中得到启迪，将左右对称的差动式电路用于功率放木器的输入级，电路的稳定性和线性都得到改善，这时的电路结构，这一结构直至今天都还有人采用。如果以现代的眼光来审评，这一电路是显得过时了一点。电路的主要缺陷在于电压推动级，因为 Q1承担了提供电压增益的主要任务，必然是开环失真很大，频带狭窄。此图六典型的 OCL放大器外，单管放大的过载能力也很差，这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。围绕着改进电压推动级的性能，人们相继提出了多种结构，共射共基电路就是一个典型的例子。 共射共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结构，但用于音频电路中同样可以发挥出色的性能。首先是它的宽频响，由于共基放大管 Qs非常低的输入阻抗，使 Q，丧失了电压增益，弥勒效应的影响就非常微弱。宽频响的推动级拉开了与输入级极点的距离，相位补偿变得很容易，而且电容 C的容量可以大大减小，这对于改善 TIM失真是很有利的。 第二个优点是电路的高度线性：共基极电路的输出特性也可以清楚地显示出这一点，有人作过测试，共射一共基电路的失真度比单管共射电路要低一个数量级。 依然是一种不平衡的设计，这一限制来源于输入级。如果把输入级变动一下，从互补推挽的 Q：和Qg的集电极输出信号，那么电压推动级就可以在图七的基础上再增加一组 NPN管构成的共射一共基电路，做到推挽输出，这时电路也就非常对称平衡了，几乎达到了完美的程度。 当今许多最先进的功率放大器采用的也是这种电路结构。图八是另一种电压推动级的形式，其输入信号来自图六中的 Ql和 Qs，当然此时 Qz必须加上集电极负载电阻。电压推动级也采用对称的差动放大，这不仅可以改善输入级的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同样可以降低推动级的失真，因为差动式放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的传输特性，有的电路还在 Qn、 Qz的发射极串人负反馈反阻，更加扩大了线性范围。 Q2和Qd构成镜像电流源，把 Q，的集电极电流转移到 Qz上，所以尽管是单端输出，电流推动能力却比原来增大了一倍。 PIONEER的M22K功率放大器就是采用的这种电路结构，取得了非常好的效果。对称和平衡不仅体现在电路的结构上，还表现于元器件的参数上。差动电路是集成运放中广泛采用的结构，其性能是建立在两只差分管 Hrs和 Vss精确匹配的基础之上。同样，推挽电路中，如果两只异极性的晶体管特性不一致时，对波形的两个半周就不能做到一视同仁地放大，这将增力D电路的失真度。 随着节目源的变化，音乐中包含大量瞬变、高能量的成份，要完美地重现这些细节，就要求放大器具有良好的动态响应，对晶体管配对的要求就不仅是静态的 HrR和 VBE匹配，而且在动态时也要高度匹配，这无疑对元器件参数的平衡提出了更苛刻的要求。幸运的是，半导体技术的进步为我们提供了这种可能，各种各样的差分对管、晶体管阵列陈出不穷，单个的晶体管一致性也得到较大提高。正是这些优质的元器件，让对称电路设计的优点得以充分体现，今天看到一台全无负反馈的电路也不会觉得惊讶，因为已经有足够好的开环性能了，又何必为了几个仪器上的数据去牺牲放大电路的动态响应呢?四电路的选择（一）TDA2616集成功放电路TDA2616集成功放电路是欧洲生产的高保真双声道音频功率放大集成电路，应用于电视音响、组合音响、“漫步者”有源音箱中作功率放大。TDA2616内电路方框图及引脚功能 TDA2616集成块内部是由两路功能相同的音频功率放大电路为主构成双电源供电应用典型电路如图所示。该IC采用9脚单列直插式封装，见表所列。其集成块的内电路方框图及其集成电路的引脚功能及数据 TDA2616集成功放电路主要电参数 (1)双电源供电当Vcc=士16 V R,=812 THD=0.5%时，Po=6 W(2)单电源供电当Vc,=24 V. THD=10%. RL=4 S2时，Po=14 WTDA2616集成功放电路双电源供电电路电路图如上图示TDA2616集成功放电路单电源供电电路TDA2616集成功放电路引脚功能及参考电压（以下图示）TDA2616引脚功能及参考电压：1脚：10V信号输入12脚：5V静噪（低电平静噪）3脚：10V1/2基准电压4脚：10V信号输出15脚：0V地6脚：10V信号输出27脚：20V电源8脚：10V负向输入端9脚：10V信号输入2（二）扬声器保护电路扬声器保护电路如图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。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，T1T4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。 扬声器保护电路五检测与维修（一）完全无声故障完全无声故障是指音箱中无任何信号和噪声。检测方法：通过视听确定为完全无声故障，此时对功放电路而言，首先测量有无直流工作电压，如没有直流工作电压，则要用电压检测法检测电压供给电路及电源电路。若有直流工作电压，再测功放电路输出段直流电压，如有异常现象，说明有可能是功放电路损坏。故障原因及处理措施：第一，电源电路故障，导致功率放大器无直流工作电压，检查电源电路；第二，功放电路击穿，导致 次烧坏保险丝或使保护电路动作，更换集成功放电路，第三，功放电路开路，更换或修复；第四，功放输出回路开路，如输出端耦合电路开路，可更换电容。（二）无信号声故障无信号声故障是指扬声器中无信号声，但有噪声或电流声，这说明功放电路直流工作电压基本正常，并且功放输出回路没有开路。检测方法：通电后开大音量电位器，干扰动片，音箱中无响声便说明故障出在功率放大器电路中。这一故障可以表现为左右声道无声或只有一个声道无声。对于左右声道无声故障，主要测量集成功放电路各引脚电压（重点是前级电路偏置引脚上电压），有异常时进行重点检查。另外，用电压检查静噪声电路是否处于静噪声状态，对于前置电压放大级采用分立元器件构成的电路，还要用电压检查法检测这一放大级的直流工作电压是否正常。对于只有一个声道无声故障，如是分立元气件放大器，可用干扰检查法缩小故障范围。对于集成电路放大器，主要测左右声道对称作用引脚上的直流工作电压，进行对比，有异常时进行重点检查。并且注意，输入回路元气件铜箔线路是否开路。故障原因几处理措施：第一，集成功放电路损坏可更换新件；第二，静躁电路处于静躁状态，如静躁电容击穿或严重漏电，可更换电容；第三，放大管损坏，可更换新件；第四，前置电压放大级无直流工作电压，如退耦合电容击穿或严重漏电，看更换新件；第五，输入回路耦合电容，电阻开路，更换新件；第六，输入回路铜箔线路开裂，重新焊好；第七，一个声道静躁管击穿。（三） 声音轻故障声音轻故障的判断方法同 前面介绍的无声故障判别方法一样，即在干扰音量电位器动片时，音箱中声音较轻，便说明故障出 在功率放大器电路中。这一故障也分成左右声道均和 只有一个声道轻两种、 检测方法：对于左右声道功率均轻故障，首先测量功率放大器的直流工作电压是否偏低。如果偏低，测功放电路的静态工作电流，若偏大说明功放电路损坏，如不偏大，说明电源电路有问题。如集成功放电路很热（烫手），说明有高频自激或集成功放电路损坏。 对于只有一个声道的 声轻故障，重点检查交流负反馈网络是否开路。然后，测量集成功放电路各引脚的 直流工作电压，进行左右声道对应作用引脚的电压对比，有异常现象时重点检查。另外，一个声道静躁管不好（集电极、发射极之间的内阻很小）也有可能导致一个声道声音轻故障。 故障原因及处理措施：第一，直流工作电压低，查电源电路；第二，集成功放电路损坏，更换新件；第三，前置放大管性能不好，更换新件；第四，静躁管性能不好 更换新件；第五，交流负反馈网络开路，重焊或更换；第六，前置偏置电压供给电路故障，如退藕电容漏电，更换新件。（四）噪声或啸叫故障判断噪声故障是否处在功率放大电路中的方法时：将音量电位器关死，如噪声任然存在或大有减少但没有消声失，这说明故