音频功率放大器的设计任务书(20210328205946)

1、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8 Q ;（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，完成叙述并回答冋题。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

2、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2Q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。2 设计思路甲类放大器

3、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图1 前置放大电路框图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。3 电路组态与频响的关系经过一

4、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+K v）C cb

5、（ 1）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。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，集电极电容电路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所示这种放大器取两种放大器

6、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 o Uce恒定，可明显改善 T1的B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。322 共源-共基电路差放电路众所周知，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所示互补对称放大器是用不同极性的

7、放大器件3.3 互补对称放大器的失真 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。共射-共基电路有诸多优点，在信 噪比方面的表现也不逊色。（N型或P型）构成4 功放优化设计4.1 DC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

8、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

9、电动势带入输入级，引6起交叉调制失真。5 综合分析主电路部分如图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R30.1 uR41.5k1.5 kF24IR11kR6 C11k 1-K170RP11kC22405 B6471450C1 068pR19CZP470Q5K214OUTR2R12134_占 卯 Ilk IC5C111J77J77 i4JR11844N11R16JT7|D6693D667R176.8 k I 孕80.1 u W 0 2 R20470RP31 0kR21R1 8T3 -A970TR8R9R10二二C3 I I I0.1

10、u1.5k 辿0k 了1.5 kT8T90.1 u富15300667JB68p |C91 OUT)Q6J77图5 前置低放电路图Q3、T3 和 Q4、T4的作用。R2作为输入电阻.Q1、T1，Q2、T2， 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，Q1Q4四只结型场效应管的漏极工作电压只有11.3V （ 1 2-0.7 ） 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

11、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 2.1 V 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 4.8m A 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

12、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Q 5、Q 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 80m A 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

13、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

14、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 2S K214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

15、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。5.1音源切换电路音源切换电路如 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。T APE -LUR-RAUX1 丄AUX1 .-RAUX2 -LAUX2 -R:E C-LRE C-R3 RCA2继电器的+ 12V1k*6R1 R6thy;10k * 210 0k *456234图6 音源切换电路K1 B-hCD

16、I K2 BI TUR/K4 B/K5 BAUX2CON6-in电压由稳压电源正端取出经集成稳压I、TAp/-1c AUX 1-I / c、A UX 2123456TU R SW -6W AY图7 切换开关IC 1 ( LM 7812 )稳压，供五路继电器和其它 附属电路使用。图7是一个音源选择开关，它可以固定在面 板上。5.2 电源电路图8是该电路的电源电路。集成稳压电源781 2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土 31.5 V的电压。 5.3末级功放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：8图9

17、末级功放电路Vcc =(2)来确定。为了留有裕量，实际电压值应比计算值高出35 V。对输 出管的要求：B 为 40 80 , f t 20 M , BRceo 2 V cc( 3)I CM Vcc/Rl(4)2Pcm=2( 0. 05 V cc /Rl ) +V cc I c(5)我们可以根据以上的公式来确定三极管的型号。如图9所示，这是二级推挽射极接地功放。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w 80m A时，图9所示功放 输出功率Po :out(6)Po=2*0.7*810W表1末级功放管的主要参数表

18、三极管型特征频率C-E间的击穿C最大充许C最大耗散号fT电压B Rc e o电流I C M功率Pc m2SC5200Ft 30MBRceo 1 60VI c m A 1 5 APC M A 1 50 W2SA 1 943Ft 30MB Rc eo A -16 0VI c m A -1 5 APcm A 1 50W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

19、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。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基极电位土 0.7V时，T1的集电极电位约0.2 VT2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

20、出版社，19892 庾东兴石机胆味的甲类功放无线电与电视,2004,4. 37 423 金忠阳降低放大器的瞬态互调失真无线电与电视,2001,11. 45 464 新编中国半导体器件数据手册北京：机械工业出版社出版,1 9928716-8165 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 :45-47132 /0 1uR6WhTD3090LQxu07k-2OZRO2wMIAU*2OQCn图路电总彳图kM.71 141 -nK03 匸 6U0-0 戏 L oft316XKnW?I 47?-Z6Uor0091 N4148776_