課程設(shè)計(jì)-音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1音頻功率放大器的設(shè)計(jì)任務(wù)書1設(shè)計(jì)指標(biāo)（1）直接耦合的功率放大器，額定輸出功率10W，負(fù)載阻抗8Ω；（2）具有頻響寬、保真度度、動(dòng)態(tài)特性好及易于集成化；（3）采用分立元件設(shè)計(jì)；（4）所設(shè)計(jì)的電路具有一定的抗干擾能力。2設(shè)計(jì)要求（1）畫出電路原理圖；（2）確定元器件及元件參數(shù)；（3）進(jìn)行電路模擬仿真；（4）SCH文件生成與打印輸出。3編寫設(shè)計(jì)報(bào)告寫出設(shè)計(jì)的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。4答辯在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成敘述并回答問題。音頻功率放大器設(shè)計(jì)摘要：這款功放采用了典型的OCL功放電路，為全互補(bǔ)對(duì)稱式純甲類DC結(jié)構(gòu)，功放的每一級(jí)放大均工作于甲類狀態(tài)。輸入級(jí)和電壓放大級(jí)采用線性較好的沃爾漫電路，差分管及電流推動(dòng)管分別為很出名的K170、J74（可用K389、J109孿生對(duì)管對(duì)換）對(duì)管和K214、J77中功率MOS管，功率輸出級(jí)為2SC5200和2SA1943大功率東芝管并聯(lián)輸出，功率強(qiáng)勁，驅(qū)動(dòng)阻抗2Ω的喇叭也輕松自如，毫不費(fèi)力。綜合運(yùn)用了我們前面所學(xué)的知識(shí)。設(shè)計(jì)完全符合要求。關(guān)鍵字：沃爾漫電路TIM共源-共基電路共射-共基電路1引言在現(xiàn)代音響普及中，人們因生活層次、文化習(xí)俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的不同，令對(duì)相同電氣指標(biāo)的音響設(shè)備得出不同的評(píng)價(jià)。所以，就高保真度功放而言，應(yīng)該達(dá)到電氣指標(biāo)與實(shí)際聽音指標(biāo)的平衡與統(tǒng)一。設(shè)計(jì)思路輸入音頻信號(hào)輸入音頻信號(hào)前置放大級(jí)電路共射-共基電路共射-共基電路恒壓源電路推動(dòng)級(jí)反饋電路至末級(jí)功放沃爾漫電路圖1前置放大電路框圖3電路組態(tài)與頻響的關(guān)系經(jīng)過一期的學(xué)習(xí)，我們學(xué)了各種放大電路及其組合形式。由于所選器件和組合形式的不同，不可避免地要造成諸如輸入阻抗、頻響、失真、信噪比等方面性能的指標(biāo)差異，并且最終以音質(zhì)方面的差異體現(xiàn)出來。3.1組態(tài)與頻響的關(guān)系選擇電路時(shí)，我們希望其頻響應(yīng)盡量平坦寬闊，在整個(gè)音頻范圍內(nèi)平衡度好。電路的轉(zhuǎn)換速率和失真也相對(duì)低。通過第五章的學(xué)習(xí)，我們了解到晶體管Cbe、Ccb和Co的反饋或分流效應(yīng)，造成輸入、輸出信號(hào)中的高頻分量減少，其中以Ccb的影響最大。高頻信號(hào)經(jīng)該電容反饋主生的“密勒效應(yīng)”，相當(dāng)于在放大器輸出端并接了一個(gè)容量等于Cm(密勒電容)的電容。Cm和Ccb的關(guān)系是：Cm=(1+Kv)Ccb（1）圖2共射-共基差分電路可以認(rèn)為Cm是影響放大器高頻響應(yīng)的主要因素。而耦合電容的容抗主要影響放大器低頻頻響。這些因素與電路組態(tài)有關(guān)。圖2共射-共基差分電路3.2共射-共基差分的頻響3.2.1共射-共基電路通過學(xué)習(xí)我們知道共基放大器由于基極交流接地，集電極電容Ccb的反饋條件被破壞，Ccb轉(zhuǎn)化為CO（共基接地時(shí)晶體管的輸出電容）。其影響比Cm自然小得多，而集電極與發(fā)射極之間的寄生電容基電路有很好的高頻響應(yīng)。在音頻放大電路中，共一般極小，管子內(nèi)部反饋的影響也小得多。所以共基電路不單獨(dú)作用，而是與共射或場(chǎng)效應(yīng)管共源放大器直接耦合組成共射-共基或共源-共基放大器。共射-共基差分電路如圖2所示。圖3共源-共基差放電路這種放大器取兩種放大器之長而避其短，不僅有很好的高頻響應(yīng)和較高的增益，而且使共射管有恒定的UCE。因T1有很高的輸出阻抗，T3有很低的輸入阻抗，所以T3可將T1的電流變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化。如圖2示，這就為T1提供了恒定的UCE。UCE恒定，可明顯改善T1的β值線性度，避免了上下半周放大量不一致而導(dǎo)致的失真。所以共射-共基電路是一款性能優(yōu)良的放大器。圖3共源-共基差放電路3.2.2共源-共基電路眾所周知，場(chǎng)效應(yīng)管具有輸入阻抗高，動(dòng)態(tài)范圍大，噪聲系數(shù)小且與工作電流基本無關(guān)的特點(diǎn)。所以由場(chǎng)效應(yīng)管和三極管組成的共源-共基差放電路在現(xiàn)代高保真放大器中應(yīng)用更為廣泛。共源-共基差放電路3所示。3.3互補(bǔ)對(duì)稱放大器的失真圖4沃爾漫電路圖4沃爾漫電路共射-共基電路有諸多優(yōu)點(diǎn)，在信噪比方面的表現(xiàn)也不遜色。4功放優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1DC化無大環(huán)路負(fù)反饋功放電路為消除非線性失真和抑制零飄，一般晶體管功放的輸出端與輸入級(jí)之間加有大環(huán)路負(fù)反饋。研究表明，由于功放輸出端信號(hào)會(huì)因?yàn)榫w管極間電容的充電過程而被延遲，使輸出信號(hào)相位滯后于輸入信號(hào)。加環(huán)路負(fù)反饋后產(chǎn)生TIM失真。雖然晶體管的極間電容很小，相移的影響主要表現(xiàn)在高頻段。但對(duì)波形前沿很陡的音頻信號(hào)仍然產(chǎn)生明顯的影響。要避免TIM失真，減少電路相移量的方法為治本之策。在功放電路中，輸出級(jí)晶體管的極間電容最大，可達(dá)幾百皮法上千皮法。若使反饋環(huán)路避開輸出級(jí)，反饋信號(hào)的相移將會(huì)明顯減少。TIM失真也可明顯改善。于是設(shè)計(jì)時(shí)可將反饋信號(hào)的提取點(diǎn)移至電壓驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸出端，使輸出級(jí)不介入環(huán)路負(fù)反饋（即所謂無大環(huán)路負(fù)反饋）。這樣就縮短了反饋路經(jīng)。使反饋信號(hào)的相移量盡可能小，同時(shí)又保留了負(fù)反饋給電路帶來的好處。輸出級(jí)介入反饋，還可以防止感性負(fù)載（即揚(yáng)聲器）反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)帶入輸入級(jí)，引起交叉調(diào)制失真。綜合分析圖5前置低放電路圖主電路部分如圖5所示，音頻信號(hào)經(jīng)R1緩沖進(jìn)入Q1和Q2組成的雙差分輸入電路。C1和R2對(duì)輸入信號(hào)中的高頻干擾起到旁路的作用。R2作為輸入電阻.Q1、T1，Q2、T2，Q3、T3和Q4、T4構(gòu)成共射－共基電路（也稱沃爾漫電路）這種電路最顯著的特點(diǎn)是具有失真低、頻響寬、增益高、線性好。R4、R6、RP1、R7、R9構(gòu)成分壓電路給T1、T2、T3、T4的基極提供12V基極偏壓。這樣，Q1～Q4四只結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極工作電壓只有11.3V（12-0.7）左右,保證了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管安全可靠地工作,這是因?yàn)榻Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作電壓較低,不能直接工作在較高的電壓下。RP1(兼作輸出級(jí)輸出中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié))為輸入電路靜態(tài)電流的調(diào)節(jié)電阻,設(shè)計(jì)時(shí)輸入級(jí)靜態(tài)電流設(shè)定在1.4mA左右。這樣，R3、R8上產(chǎn)生2.1V壓降作為下一級(jí)電路的偏置電壓。圖5前置低放電路圖電壓放大級(jí)同樣是由T5、T6、T7、T8構(gòu)成共射—共基電路。D1、R16、D2為T6、T8的基極供基準(zhǔn)工作電壓。調(diào)節(jié)RP3將該級(jí)的電流設(shè)定在4.8mA左右，R36上電壓降為1.45V。正負(fù)半周的信號(hào)經(jīng)T9T13共射放大電路后由其集電極進(jìn)入T10、T12組成的共基電路，并從兩管的集電極輸出，經(jīng)R37、R38緩沖送入Q5、Q6組成的末級(jí)電路。T7、R17、D3、RP3構(gòu)成恒壓電路，調(diào)節(jié)RP3可以改變Q5,Q6兩管柵極電位差，從而改變末級(jí)靜態(tài)工作電流。C6、C7及輸入級(jí)的C2、C3為高頻退耦電容，減少了電源的調(diào)頻內(nèi)阻過大引起自激的可能。關(guān)于末級(jí)管Ｑ5、Ｑ6電流到底設(shè)計(jì)在多大，以前有人作過探討，結(jié)論是靜態(tài)電流大于80mA后，膽味才更濃郁。為了獲得10W左右的功率，本設(shè)計(jì)中將Q5、Q6的靜態(tài)電流設(shè)計(jì)在80mA左右。如果想得到更大一點(diǎn)的功率，我們可以改變末級(jí)功放的電源電壓，把場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流調(diào)到100mA左右。這樣，不僅有大的功率，而且有膽機(jī)的味道。場(chǎng)效應(yīng)管屬電壓控制器件，柵極輸入阻抗高，靜態(tài)電流調(diào)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生寄生振蕩，解決的辦法是在Q5、Q6的柵—漏之間并聯(lián)C10、C9來消除。R18、R21為末級(jí)管的源級(jí)電阻，當(dāng)該級(jí)電流為100mA時(shí)，其上的壓降為2V左右。R11、R12、R13、C4、C5組成電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，這種反饋的特點(diǎn)是：通頻帶、轉(zhuǎn)換速率等指標(biāo)最優(yōu)（在該電路中）。R11、R13將整機(jī)的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)定在10倍左右，這也是前級(jí)電路常規(guī)的放大倍數(shù)設(shè)定方法。至于相位補(bǔ)償電容C5的使用，有一個(gè)原則是能小則小，能不用則不用。C5的使用影響整機(jī)的轉(zhuǎn)換速率，使整機(jī)的動(dòng)態(tài)變軟（C5在這里可以不用，不會(huì)產(chǎn)生自激）。電路特點(diǎn)：靜態(tài)下沒有噪音，噪聲系數(shù)低，背景干凈，動(dòng)態(tài)范圍大，電路簡單且易于集成，穩(wěn)定性高。音頻放大電路中均采用了高音頻專用管，使整機(jī)提高了信噪比。提高了轉(zhuǎn)換速率且減少開關(guān)失真。推動(dòng)管采用了2SK214和2SJ77并將推動(dòng)管的工作點(diǎn)調(diào)至最佳工作狀態(tài)。有了優(yōu)秀的功放電路，還得選擇優(yōu)質(zhì)的元件來組裝。功放的音質(zhì)幫能有保證。正所謂“寶馬配金鞍”吧！胡亂地東拼西湊，忽略了對(duì)元件品質(zhì)的要求，再優(yōu)秀的線路相信也不一定能出靚聲。本功放對(duì)各部分元件的品質(zhì)要求較高。總的來說，本機(jī)播放的音樂定位準(zhǔn)確、平穩(wěn)、樂器質(zhì)感逼真、自然、動(dòng)態(tài)范圍寬，瞬態(tài)響應(yīng)訊速靈敏，干凈利落。圖6音源切換電路5.1音源切換電路圖6音源切換電路圖7切換開關(guān)音源切換電路如圖6所示。采用小型繼電器，最大限度地縮短了小信號(hào)的傳輸路線，這也是中高當(dāng)功放電路常用的形式。通過固定在面板上的五擋切換開關(guān)，控制五路繼電器。所用繼電器為直流通道12V，直流電阻700歐左右。繼電器的＋12V電壓由穩(wěn)壓電源正端取出經(jīng)集成穩(wěn)壓IC1（LM7812）穩(wěn)壓，供五路繼電器和其它附屬電路使用。圖7切換開關(guān)圖7是一個(gè)音源選擇開關(guān)，它可以固定在面板上。電源電路圖8電源電路圖8是該電路的電源電路。集成穩(wěn)壓電源7812為音源選擇電路提供12V電源。主電源部分為前置放大電路提供±31.5V的電壓。5.3末級(jí)功放電路圖8電源電路下面介紹末級(jí)功放的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)末級(jí)功放時(shí)，我們可以根據(jù)以下條件來選擇。電源電壓與晶體管的選擇應(yīng)根據(jù)：圖8電源電路圖VCC=EQ（2）圖8電源電路圖來確定。為了留有裕量，實(shí)際電壓值應(yīng)比計(jì)算值高出3～5Ｖ。對(duì)輸出管的要求：β為40～80，fT≥20M，BRCEO＞2VCC（3）ICM＞VCC/RL（4）PCM=2（0.05VCC2/RL）+VCCIC（5）圖9末級(jí)功放電路末圖9末級(jí)功放電路末這個(gè)末級(jí)功放工作在甲類狀態(tài)。三極管的型號(hào)已在圖9中標(biāo)明。表1所示是它的一些主要參數(shù)。當(dāng)前面的低放管Q5、Q6的漏極電流≤±80mA時(shí)，圖9所示功放輸出功率PO:PO=2*0.7*8≈10W（6）表1末級(jí)功放管的主要參數(shù)表三極管型號(hào)特征頻率fTC-E間的擊穿電壓BRCEOC最大充許電流ICMC最大耗散功率PCM2SC5200FT≥30MBRCEO≥160VICM≥15APCM≥150W2SA1943FT≥30MBRCEO≥-160VICM≥-15APCM≥150W甲類放大器作為一種最古老，效率最低，最耗電，最笨重，最耗資，失真最小的放大器，在當(dāng)今眾多性能優(yōu)良的放大器中，它仍有吸引人的音質(zhì)。甲類放大器輸出電路本身具有抵消奇次諧波失真，且甲類放大器管子始終工作在線性曲線內(nèi)，晶體管自始自終處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，不存在開關(guān)失真和交越失真等問題。甲類放大器始終保持大電流的工作狀態(tài)。所以對(duì)猝發(fā)性聲音瞬間升降能訊速反映。因而輸出功率發(fā)生急劇變化時(shí)，電源電流變化微乎其微。由這種強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)者來推動(dòng)揚(yáng)聲器就能輕而易舉的獲得高保真的重放效果。5.4揚(yáng)聲器保護(hù)電路圖10揚(yáng)聲器保護(hù)電路揚(yáng)聲器保護(hù)電路如圖10所示是一個(gè)三極管式正、負(fù)向直流電壓檢測(cè)電路。對(duì)其原理作簡要說明。圖10揚(yáng)聲器保護(hù)電路T3為正向直流電壓檢測(cè)器，T1、T4為負(fù)向直流電壓檢測(cè)器。正常時(shí)，T3基極電位為0V，T1~T4均截止，K1的常閉觸點(diǎn)不動(dòng)。當(dāng)T3基極電位≥±0.7V時(shí)，T1的集電極電位約0.2V。T2飽和導(dǎo)通，K1吸合，斷開揚(yáng)聲器起到保護(hù)作用。參考文獻(xiàn)[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,1989[2]庾東興.石機(jī)膽味的甲類功放.無線電與電視,2004,4.37—42 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