高保真音頻放大器設(shè)計及原理分析

1、高保真音頻放大器的設(shè)計及原理分析l 項目要求：請利用電阻、電容、穩(wěn)壓管、晶體管等元器件，設(shè)計一個“失真小、效率高、工作穩(wěn)定的音頻放大電路”（包括前置放大和功率放大等部分），并分析說明其工作原理。電路涉及：差分放大、功率放大、穩(wěn)壓電路、反饋電路等。音頻功率放大電路是一種很常用的電子電路，廣泛應(yīng)用于家庭影院、音響系統(tǒng)、立體聲唱機(jī)、伺服系統(tǒng)、車載娛樂系統(tǒng)、手機(jī)、掌上電腦以及工業(yè)制造中的電機(jī)驅(qū)動等電子系統(tǒng)。l 高保真音頻放大器的原理分析Ø 音頻放大器的重要參數(shù)音頻功放雖由運(yùn)放組成，但與普通的集成運(yùn)放在幾個方面有著比較大的區(qū)別：音頻功放要求有大的輸出電流和大輸出功率，因此靜態(tài)功耗也要比運(yùn)放大；

2、同時，對輸出信號的失真度要求較高。1、 額定輸出功率額定輸出功率是指在規(guī)定的總諧波失真條件下，功放在額定負(fù)載阻抗上的輸出功率。晶體管功率放大器的額定輸出功率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際使用需要的平均數(shù)出功率，通常應(yīng)有5-10倍的功率儲備余量。測試信號為100Hz20kHz的正弦波，輸出功率為正弦波的有效值。2、 頻率響應(yīng)放大器的聲音功率比正常功率低3dB時所對應(yīng)的頻率點為下限頻率fL和上限頻率fH，上限頻率和下限頻率之間的頻率成為放大器的頻率響應(yīng)。通常頻率響應(yīng)需要考慮兩個指標(biāo)：增益頻率響應(yīng)和失真頻率響應(yīng)。增益頻率響應(yīng)是指對各頻率分量的放大能力。失真頻率響應(yīng)是指功率帶寬，即當(dāng)功率放大器工作在1/2額定輸出功率

3、狀態(tài)下，各頻率成分均小于總諧波失真額定值的頻率范圍。3、電源紋波抑制比電源紋波抑制比是描述功率放大器抗電源干擾能力的重要指標(biāo)。4、總諧波失真加噪聲總諧波失真用來測試每一個從原始信號產(chǎn)生出來的新頻率信號，稱成為非線性失真，通常用百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)有信號源輸入時，輸出信號中（諧波及倍頻成分）有比輸入信號多出的額外諧波成分。5、增益A0對音頻功率放大器來說，增益通常是指放大器輸出功率和輸入功率之間的比值。增益越大說明放大器的效率越高。要設(shè)計出符合電學(xué)性能要求的功放，要特別處理好總諧波失真，功耗，噪聲三方面的問題，在電路設(shè)計中采取適當(dāng)措施使之得到一定改善。Ø 理想設(shè)計指標(biāo)本設(shè)計為一個具有低失真度

4、、高性能的音頻功率放大器。其主要性能要達(dá)到如下指標(biāo)：（1） 單電源供電，電壓范圍為6V18V；（2） 每個聲道的輸出功率在負(fù)載為4時最大可達(dá)6W；（3） 靜態(tài)電流小，達(dá)80mA；（4） 電源波紋抑制比最低為58dB在fi=100HZ10kHZ;（5） 具有過溫保護(hù)功能：電路工作時，當(dāng)溫度升高到150以上，過溫保護(hù)電路將會關(guān)斷功率輸出級，直至溫度下降到安全工作區(qū)，以保護(hù) 輸出管在高溫下不會受到損壞；（6） 低噪聲，“POP”噪聲比較?。唬?） 具有靜音待機(jī)功能。Ø 電路系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖及各模塊功能整個電路主要由三部分構(gòu)成，其中兩部分是兩個完全相同的三級式功放，還有一部分是靜音待機(jī)開關(guān)的控

5、制部分。每個三級式功放包括差分輸入級，中間級和輸出級，輸入級限幅電路，反饋電路，輸出級過溫保護(hù)電路以及限流，過壓保護(hù)電路，偏置和基準(zhǔn)電路；待機(jī)靜音控制部分主要有比較器，基準(zhǔn)電壓源和偏置電路等模塊。下圖為三級功放系統(tǒng)框圖：其中，差動輸入級將雙端信號進(jìn)行一定的放大并轉(zhuǎn)換成單端信號輸出給下一級。差分輸入級的設(shè)計非常重要，是整個電路能否實現(xiàn)大的輸入阻抗、低噪聲以及低失真度的關(guān)鍵；限幅電路的功能就是把超過某一幅值的信號削平，電路結(jié)構(gòu)通常用非線性元件構(gòu)成。該電路對輸入級的輸入信號進(jìn)行了必要的保護(hù)和限制，保證在輸入信號幅值過大的情況下，也不會對整個電路的性能產(chǎn)生影響；負(fù)反饋電路將放大電路輸出端的電壓或電流信

6、號的一部分或全部，通過某種電路引回到放大電路的輸入端以更好地穩(wěn)定放大倍數(shù)，減小非線性失真，改變輸入輸出電阻；中間放大級將差分輸入級的輸出信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大，要盡量提高這一級的增益，以啟動功率輸出級；偏置電路為各部分提供偏置電流或充當(dāng)有源負(fù)載；輸出部分包括輸出級，過溫保護(hù)電路，限流、限壓保護(hù)電路。其中輸出級的主要功能是在可以接受失真的情況下，為負(fù)載提供指定的信號功率，為了不使電壓增益手相關(guān)負(fù)載阻抗的影響，設(shè)計中要盡量減小輸出阻抗。過溫保護(hù)電路：由于功率集成電路耗散的功率較大，發(fā)熱量大，芯片的溫度較高，功率管損壞的可能性也較大，所以必須設(shè)置過溫保護(hù)電路。該音頻功放中的過溫保護(hù)電路的熱關(guān)斷點設(shè)置在

7、150左右。當(dāng)溫度高于此臨界溫度，自動開啟保護(hù)電路，切斷功率通路，保護(hù)芯片內(nèi)部器件。限流限壓保護(hù)電路：次功率放大器可輸出的最大電流是2.5A，而當(dāng)有2.5A以上的電流長時間流過輸出功率管時，尤其是發(fā)生短路負(fù)載時，輸出電流迅速增加，此時啟動限流電路，分流部分輸出電流，從而減小功率管上的功耗，達(dá)到保護(hù)芯片的目的。另外還有靜音待機(jī)控制電路圖。綜上所述，整個電路由十幾個不同功能的模塊組成，在基本三級式功放的基礎(chǔ)上加入了保護(hù)電路模塊，限幅電路，反饋電路，用以提高輸入級的穩(wěn)定性；過熱保護(hù)電路，限流電路為輸出級安全有效的工作提供了有力的保障。靜音待機(jī)結(jié)構(gòu)模塊使該功放應(yīng)用更廣泛，且整個電路所需外圍電路簡單，使

8、用更方便。l 高保真音頻放大器的設(shè)計Ø 差分輸入級的設(shè)計 差分電路的主要特點是電路結(jié)構(gòu)對稱，元件特性及參數(shù)對稱，這樣可以有效地降低直流失調(diào)量，而且線性度也比較好，失真度小。本設(shè)計的差分輸入級如下圖所示。輸入級采用兩級的PNP差分對管，P8、P9、P10、P2組成共集共射差分輸入級，P8、P2是一級差分，P9、P10是二級差分。信號由P8、P2的基極輸入，經(jīng)電位平移，從P8、P2射極輸出，加在P9、P10的基極上，進(jìn)行了差動放大，再由P9，P10的集電極輸出，得到輸出信號Vo。其中P9，P10構(gòu)成差分輸入對管，R4，R5是差分對管發(fā)射極負(fù)反饋電阻，N12，N10構(gòu)成電流鏡為有源負(fù)載，I

9、4，I5為P8，P2的有源負(fù)載。該電路基于普通的差動放大電路增加了P8，P2兩個電位平移電路，這樣在輸入信號和差動對的輸入級之間增加了一個VBE，即使當(dāng)差動對的輸入級電壓接近0，差動對仍能正常工作，增加了差動輸入級能承受的最大差模輸入電壓范圍。I2，I3為P8，P2提供偏置，可以提高轉(zhuǎn)換速率，因為如果沒有I2，I3，則P8，P2的偏置電流要由P9，P10的基極電流來提供，而基極電流很小，所以必然會增加輸入級的反應(yīng)時間。改進(jìn)后的電路增大了差末輸入范圍，且不會降低原有的轉(zhuǎn)換速率。輸入級的偏置電路形成一個閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，可以保證差分對的工作電流不隨溫度變化，減小對輸出級的影響。Ø 反饋電路的

10、設(shè)計反饋電路就是講放大器輸出信號的部分或全部通過反饋網(wǎng)絡(luò)引回到放大電路的輸入端，并同輸入信號一起參與放大器的輸入控制作用，使放大器的失真度得到更進(jìn)一步的改善，并能改變輸入輸出電阻。簡圖如下：未接入負(fù)反饋的放大器，其放大倍數(shù)往往會隨電路參數(shù)的變化和電源波動而變化，為了提高放大電路工作的可靠性，必須設(shè)法提高放大電路放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，而放大器的閉環(huán)增益只決定于反饋系數(shù)F，一般反饋網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)行比較穩(wěn)定的電阻元件組成，所以Af基本不受開環(huán)增益的影響，與非線性元件沒有關(guān)系。實際反饋部分電路圖如下：途中P10，P4，P3，P7構(gòu)成雙極差動放大器，P7的基極為放大器的反相輸入端，P3的基極為放大器的同相輸入端，

11、反饋信號由J點輸入經(jīng)電位平移、差動放大，由A、B兩點輸出，與輸入級的輸出信號丟架，共同組成中間放大器的凈輸入信號，P11，P14，P15，R9，R11，R20為放大器提供偏置。Ø 限幅電路的設(shè)計輸入信號的波形經(jīng)限幅電路后，只有其中一部分傳到輸出端，其余部分則被限制而消失。在模擬電路中，常用限幅電路來處理信號幅值，以適應(yīng)電路的不同要求或作為保護(hù)措施。限幅電路常采用具有非線性特性的器件來實現(xiàn)，可用二極管組成簡單的限幅電路，基本原理圖和理想的輸入輸出波形圖如下：實際修改后的電路圖如下：這個限幅電路使功率放大器的輸入信號在輸入端受到一定的限制，保證及時在出現(xiàn)輸入信號過大的情況也不會對整個電路

12、產(chǎn)生影響。此圖為輸入級的限幅電路，N22，N28，N27三個管子以二級管的形式串聯(lián)，形成基準(zhǔn)電壓VREF=3VTH=2.1V，P34，P35，P36構(gòu)成電流鏡為基準(zhǔn)作偏置。VREF通過電阻R1接放大器的反相端，作為運(yùn)放的反相端參考電壓。輸入信號通過電容C0、電阻R2從正相端輸入，F(xiàn)接運(yùn)放的同相端。輸入信號在±1.4V范圍內(nèi)變化時，放大器同相端的電位變化范圍在2.1V±0.7V，超出此范圍輸入信號將會失真且無法恢復(fù)。實際輸入輸出波形如圖：當(dāng)輸入不超過該范圍時：當(dāng)輸入超過此范圍時：Ø 中間放大級的設(shè)計 中間級也是音頻功率放大器的關(guān)鍵部分，因為它既要提高幾乎全部的電壓增

13、益，還要給出整個功放的輸出電壓擺幅。所以要求中間級要有較高的電壓增益同時為了減小對前級的影響，還應(yīng)該具有較高的輸入電阻。具體電路圖如下：其中，N65為射極跟隨器，N64是電壓放大管，I6，I7為電流源，作為放大管的有源負(fù)載，P20是保護(hù)管，R21為反饋電阻，C2為補(bǔ)償電容。N65作為射極跟隨器具有輸入電阻高、輸出電阻底的特點，可以減小后級對輸入級的負(fù)載效應(yīng)。N64，N64都采用電流鏡作負(fù)載，可以提高集電極等效輸出阻抗，增大開環(huán)增益，有利于中間放大級的線性化。P20是保護(hù)管，正常工作時是截止的，若輸入信號電壓過大，則P20導(dǎo)通，N64的基極電流因P20的分流而減小，從而保護(hù)了N64管。引入R21

14、作反饋電阻可以減小N64的溫漂效應(yīng)，穩(wěn)定N64的直流靜態(tài)工作點，同時還有利于N64基極電荷的快速泄放。C2是補(bǔ)償電路，引入負(fù)反饋可以改善放大電路性能。Ø 輸出級的設(shè)計 音頻功率放大器輸出級電路主要實現(xiàn)功率驅(qū)動。輸出級與其他不同，一般工作在大信號狀態(tài)，它的任務(wù)是以最小的失真向負(fù)載提供足夠大的功率。在功率放大器中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓比較高且電流比較大，所以要增加熱保護(hù)，過壓過流保護(hù)電路，以保證管子正常工作。此電路采用B類輸出級，將會直接產(chǎn)生交越失真，大信號失真和關(guān)斷失真。大信號失真基本上是由所用放大管的非線性特性大電流擺動引起的，采用負(fù)反饋的放大可有效削弱大信號失真。

15、交越失真，是由輸出特性的非共軛性引起的，基本不依賴于頻率。關(guān)斷失真是由于高頻時輸出管未能迅速而徹底地關(guān)斷造成的，具有非常強(qiáng)的頻率依賴性。關(guān)斷失真實際上是電荷存儲、泄放方面的失真問題，如果能夠?qū)崿F(xiàn)以下兩個方面的要求，就可以明顯減小高頻失真。第一，輸出級若能使輸出器件的B-E結(jié)反向偏置，則載流子吸出速度最大，可使輸出器件迅速截止哎；第二，驅(qū)動級的電阻越小，排除已儲存電荷的速度就越快?；驹O(shè)計電路圖如下：使用復(fù)合管代替單個晶體管解決了晶體管功率處理能力受限的問題，并且將輸出晶體管變成了同類型器件，為選擇配對功率管提供了方便。實際的輸出級詳圖如下：此電路的工作過程為：輸入信號由E點輸入，當(dāng)信號從靜態(tài)值

16、向負(fù)向增加時，由于N82反向增大，P79的基極電壓上升，K點電壓、VOUT都跟隨上升，P90截止，此時電流I16經(jīng)N95，N99流向負(fù)載RL，向C充電；當(dāng)信號從靜態(tài)值向正向增加，由于N82反向放大，K點的電壓會負(fù)向增加，K點電壓、VOUT都跟隨變化，已充電的電容CL起著電源作用，從負(fù)載RL流向P90、N100。負(fù)載電流使P90的BE結(jié)電壓有所升高，由于N81，N80，R63，P50壓降為一定值，約為3VBE，所以N95，N99截止，幾乎沒有電流通過，因此不消耗靜態(tài)功率，從而有效地提高了效率。Ø 過溫保護(hù)的設(shè)計 過溫保護(hù)電路一般利用二極管、三極管的溫度特性作傳感器，利用齊納二極管的正溫

17、度系數(shù)和三極管BE結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電壓差，實現(xiàn)溫度到電壓的轉(zhuǎn)換。具體電路圖如下：當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的熱關(guān)斷溫度點時，O點的電位上升到使N84，N72,N71，N85導(dǎo)通，IC84，IC72增大，IC71，IC85增大，分流了N95，N99,P90，N100基極的電流以致輸出管關(guān)斷，于是靜態(tài)電流減少，功耗降低，芯片的溫度也隨之下降，保護(hù)芯片不被燒壞。同時，V0也下降，直至N84，N72，N71，N85都截止，N95，N99，P90，N100的基極電流從0增加，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，芯片開始正常工作。Ø 限流限壓保護(hù)電路的設(shè)計限流電路的基本工作原理是通過檢測功率晶體管的輸出電流，當(dāng)輸出電流超過限制電流時，開啟限流電路。而限壓電路也為上下對稱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動感性負(fù)載，若輸