音频功率(100W)放大电路的设计.doc

音频功率（100W）放大电路的设计摘 要：随着现代电子技术的发展，集成电路被广泛地应用于各类电子电路中。随着半导体技术的进，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。音频功率放大器是功率集成电路的重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，音频功率放大器的需求日益倍增。因此研究音频功率放大器有着非常重要的现实意义。本文通过对音频功率放大电路知识和技术指标的学习及研究，设计了一款100W的音频功率放大电路，对这个电路分别进行了仿真，并且对并进行了比较。这款功率放大电路采用甲乙类（也就是AB类）互补推挽功率放大电路中的OCL互补功率放大电路。 关键词：音频放大电路；功率放大电路；OCL互补功率放大中图分类号： 文献标志码：AAudio power (100W) amplifier designQin YiqiongCommunications 0906,Electronics and Information Engineering,Beijing Jiaotong UniversityAbstract: With modern electronic technology, integrated circuits are widely used in various types of electronic circuits.With the progress of semiconductor technology, power amplifier has also been rapid development and application.Audio power amplifier is an important part of power integrated circuits, and is widely used in consumer electronics products.China is the worlds largest consumer electronics market and production base, increasing the demand for double audio power amplifier.Therefore, the audio power amplifier research has very important practical significance.Based on the audio power amplifier circuits of knowledge and technical indicators of learning and research, designed a 100W audio power amplifier circuit, this circuit was simulated, respectively, and on and compared.The power amplifier circuit is Class A and B (that is, class AB) complementary push-pull power amplifier circuit Power Amplifier OCL complementary.Key words: Audio Amplifier; Power amplifier; Complementary power amplifier OCL1.综述(引言)1.1音频功率集成电路概况音频功率放大电路是一种很常用的电子电路，广泛应用于家庭影院、音响系统、立体声唱机、伺服系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及工业制造中的电机驱动等电子系统。六十年代以前，电子管功率放大器一直占据主导地位。高保真的功放主要有A类和AB类两种，通过变压器与负载耦合，因此体积比较庞大。随着半导体器件的出现和发展，功率放大电路也得到了飞速的发展，根据市场需求，功率放大器逐步向模块化，小型化，集成化的方向发展H1。晶体管功率放大器出现于六七十年代，由于单芯片集成，功率放大器的元件数、互连数和焊点数减少了，不仅系统的可靠性、稳定性得到提高，而且系统的功耗、体积、重量和成本得到了减小了，但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等，功率器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路比较复杂，功率放大器的研究并未取得实质性进展。直至八十年代，具有MOS栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件的出现，使得驱动电路得以简化，也因此迅速带动了功率放大器的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了功率放大器的应用。进入九十年代后，功率放大器的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随之上升，功率放大器逐步进入了实用阶段砸1。在半导体器件出现之前，高品质音频功放的类别仅限于A类和AB类，因为当时只有电子管这样的器件，B类电子管音频功放产生的失真太严重，即使用于公共广播都难以被人们接受。随着半导体器件的出现和电子技术的飞速发展，晶体管音频功放的设计也随之产生，而且设计方法不断增多。为适应各种不同的要求，人们设计出各种不同的音频功率电路，大致可分为以下五种类型：A类，AB类，B类，C类和D类。前四种属于模拟音频功放，就是将模拟音频信号直接输入，被放大后推动扬声器发声。D类也称为数字音频放大器。下面逐一介绍五种功放。A类功放(也称甲类放大)：该类功放的静态工作点一般选在负载线的中点，在输入信号的整个周期内任何元件都不会出现电流截止，功放处于良好的线性工作状态，几乎没有非线性失真，但效率太低。由于不会产生开关失真和交越失真，只要偏置和动态范围值得当，仅从失真的角度来看，A类功放是回放音乐的理想选择。但工作在A类的功率放大器，电源始终不断地输送功率，即使在没有信号输入的情况下，电路器件也通有静态电流，并以热量的形式耗散出去。因此A功率放大器的发热量非常惊人，为了有效处理散热问题，必须增加大型散热器。A类功率放大电路的效率相对较低，在理想情况下最高只能达到50%，因此A类功率放大器仅用于小功率的收音机，助听器中，有的也用于高级的Hi-Fi功放。B类功放(也称乙类放大)：该类功放的静态工作点一般选在负载线的零点，当无信号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有信号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大。但在两个输出晶体管轮换工作过程中容易发生交越失真，形成非线性的输出信号。在信号非常低时失真相对严重，但该功放在无信号输入时发热量小。B类功放的效率比较高，平均约为75。AB类功放(也称甲乙类功放)：其工作电流大小介于甲类与乙类之间，AB类功放通常有两个偏压，在无信号时也有少量电流流过输出晶体管。它在信号小时工作时处于A类工作模式，获得最佳线性，当信号提升到某一电平时自动为B类工作模式以获得较高的效率。AB类功放在工作的大部分时间内处于A类模式，只在出现音乐态强音时才转为B类。这种设计可以获得优良的音质并提升效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。AB类和B类推挽放大器较A类具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的基本电路形式。此类放大器在高保真家庭影院等对于音质要求相对较高、对效率有一定容忍度的音响系统中占有统治地位。需要说明一点：目前部分用音频功放生产商家为了减少小信号的失真度，通常给B类音频功放的功率输出管加入一定的偏置，使其恰好进入线性区，导致B类功放的静态工作电流和AB类功放已没有明显的差别，从理论上讲，B类已经渗透到AB类领域，在很多情况下没有严格的划分。C类放大器是把静态工作点设置在截止点之下，只有当正半周的输入信号足够大时，晶体管才会导通，因此晶体管导通时间小于半个周期，效率更高。但由于失真过大，难用于音频功放，在高频功放中被用作倍频电路，主要用于射频放大，可用于无线电台和电视发射系统。D类功放(丁类功放)实际上是开关型功放。D类功率放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成u-8|。D类放大器是利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的，输出管工作在关状态。当有信号输入时，输出功率管饱和导通，其内阻几乎接近零；没有输入信号时，输出功率管的电流为零，内阻几乎接近无穷大。这样可以使输出功率管的静态功耗大为减少，效率大幅度提高，理想情况下可达100。D类功率放大器的优点是效率最高，比AB类、B类要高很多，几乎不产生热量，且供电器小，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放成本高、技术复杂、响度不及其它模拟功放。所以真正成功的产品甚少，售价也不便宜。主要应用于便携式设备如手机等系统中，可充分发挥其节能的特点，但音质方面目前还不能与模拟音频功放相比。音响产品的数字化是必然趋势。数字音频功放有很多优点，例如功率大、体积小、效率高、可与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间的传递干扰，可以实现高保真等。在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放1。1.2音频功率放大电路概述音频功率放大器是音响系统中的关键部分，其作用是将传声元器件获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声元器件，使原声响重现。其电路一般可分为两部分，前一部分进行小信号电压幅值放大，后一部分采用功率放大器，与扬声器相连。一般扬声器的阻值较低，仅有8左右，需要较大的输出电流才能达到较大的输出功率，因此，需要功率放大器提供足够功率，一般电脑的有源音箱大多采用这种方式。其简单的构成框图如图1-1所示4:电源模块 信号源 前置放大器扬声器功率放大器1.2音频图1-1音频功率放大器简单的构成框图Figure 1-1 constitutes a block diagram of a simple audio power amplifier1.3音频放大器要考虑的重要参数音频功放虽由运放组成，但与普通的集成运放在几个方面有着比较大的区别：音频功放要求有大的输出电流和大输出功率，因此静态功耗也要比运放大；同时，对输出信号的失真度要求较高，一般THD10可以满足要求。以下介绍音频功放需要特别考虑的重要参数：1.额定输出功率额定输出功率是指在规定的总谐波失真条件下，功放在额定负载阻抗上的输出功率。在额定输出电压不变时，降低负载阻抗，放大器不失真地输出功率称为放大器的最大输出功率曲1。晶体管功率放大器的额定输出功率应远远大于实际使用需要的平均输出功率，通常应有510倍的功率储备余量。测试信号为lOOHz一-20kHz的正弦波，输出功率为正弦波的有效值。输出功率、输出电压和负载电阻三者之间的关系为：一额定输出功率，一负载电阻两端的电压有效值，一负载电阻2频率响应放大器的声音功率比正常功率低3dB时所对应的频率点为下限频率和上限频率，与之间的频率称为放大器的频率响应。通常频率响应需考虑两个指标：增益频率响应和失真频率响应。增益频率响应是指功率放大器对各频率分量的放大能力。失真频率响应是指率带宽，即当功率放大器工作在12额定输出功率状态下，各频率成分均小于总谐波失真额定值的频率范围。3.增益()对音频功率放大器来说，增益通常是指放大器输出功率和输入功率之间的比值。增益越大说明放大器的效率越高。要设计出符合电学性能要求的功放，要特别处理好总谐波失真、功耗、噪声三方面的问题，在电路设计中采取适当措施使之得到一定改善。总谐波失真是衡量失真度的评价标准，要设法降低该值，常见的方法有：1）施加适量的负反馈；2）提高电源的功率储备，改善电源的滤波性能。3）选用特征频率高、噪声系数小和线性好的放大器件；功耗也是影响电路功能及稳定性的重要因素，由功耗引起的热量会使芯片温度升高，影响电路的性能。对于音频功放芯片，如果温度过高，电路的增益和THD等性能会受到影响。若长时间使用或在某些异常情况下，功耗会急剧增大，芯片温度持续升高，会对芯片产生永久性的损坏。为保证芯片正常工作而不被烧毁，目前最有效的方法是在芯片中设计过温保护电路1。1.4 本次设计的主要目的、意义本次电路设计，主要是希望通过一番学习和研究设计一个音频功率（100W）的放大电路，在本次设计中，这个电路主要采用的是甲乙类（也就是AB类）互补推挽功率放大电路中的OCL互补功率放大电路，希望能高效的达到功率放大的目的。这次电路的设计是一次实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。2.音频功率（100W）放大器的分析和设计2.1电路基本原理分析及参数设计 我从网上找到了一款比较合适的电路，它采用的是甲乙类（也就是AB类）互补推挽功率放大电路中的OCL互补功率放大电路，所用到的器件主要是三极管和运算放大器，还有电阻、导线等若干。根据原有的电路，在修改了一定的参数和原件后，我将改进后的电路图连接成型，并进行了仿真和分析。 电路选择原因：因为甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。而且甲乙类功放的效率同乙类一样也可达到78.5% ，故本次设计均采用甲乙类功放3。对于OCL互补功率放大器的设计，分单OCL和双OCL功率放大电路。Po=100W, ,Pom=25W,由公式,可得：.其中单OCL功率放大电路计算功率放大电路的工作电压有： ,由于市面上常见的喇叭的阻抗为4欧姆或8欧姆，若取RL=4欧姆，则Vcc=40V（理论值）。基本原理图：图2.1-1单OCL原理图Figure 2.1-1 Schematic single OCL对于双OCL互补功率放大器的设计，我认为40V电压大于人体安全电压（36V）。因此，应该寻找一种方法降低Vcc的数值。既要保证100W输出功率不变，又要减少Vcc的值，一个OCL电路显然无法完成要求，于是采用了双OCL电路的设计方法。基本原理图：图2.1-2双OCL原理图Figure 2.1-2 Schematic two-OCL它由四管组成电桥电路，图中对角管同时导通，互为推挽。负载上输出正负半周波形。同单端电路相比，在相同电源电压和相同负载时，前者的输出功率为后者的4倍；换言之，如果负载和输出功率相同，电路对所用的晶体管的耐压要求可比单端电路降低一半，因此，有易于输出大功率而不损坏输出管的优点。单OCL电路需要输出的功率为100/4=25W,这样由, 取,则Vcc=20V.与40V相比下降了一半，但是该值仅具有理论意义，实际操作中的Vcc要理论值要大。实用电路中使用了运放LM1875,它的外部特性参数为：电压范围： 1660V 静态电流： 50mA输出功率： 25W当f=1kHz，RL=8，P0=20W时，波失真：0.02%，额定增益：26Db,工作电压：25V，速率：18V/S；LM1875极限参数：电压(Vs)=0V ；入电压(Vin) =-VEE-Vcc V；工作结温(Tj)=150 ；储结温(Tstg)=-65-+150 三极管采用的是2N2369A，它的主要参数为：BF=349.425 ；Ft=500；Pd=0.68负载R=4欧姆，直流偏置Vcc=20V.输入交流信号：1.6V、1kHZ.32.2实际电路设计以下有两个电路图，第一个是网上找到的，第二个是我根据仿真运行结果分析后不断改进后的电路图。图2.2-1原电路图及元件参数Figure 2.2-1 of the original circuit and device parameters 图2.2-2改进后的双OCL音频功率放大电路Figure 2.2-2 I improved dual audio power amplifier OCL 电路运行的大致原理：电路中先是输入一个正弦信号，经过滤波进入三极管一级放大分成两路分别由两个运放进行放大，最后达到音频功率放大的效果。此间主要运用到了集成运放的知识和功率放大电路的知识，这些知识主要以我们现在正在学习的模电内容为基础，再通过一定的延伸，加入更为复杂的一些连接方式，以达到音频功率放大的效果。2.3电路仿真由于未