音频功率放大器 电子类毕业设计.docx

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音频功率放大器电子类毕业设计

本科毕业论文（设计）

题目：

音频功率放大器设计

学生姓名：

指导教师：

所在分院：

专业：

电子信息工程

班级：

二〇一三年五月

音频功率放大器设计

摘要：

音频功放全称为音频功率放大器，它主要用于推动扬声器发声，从而重现声音的功放装置。

本设计主要采用前置NE5532集成放大，功放模块选用LM1875放大芯片，电源部分采用自制的线性直流电源。

该音频功率放大器能够很好的对低频小信号进行放大，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，并且对声音信号进行必要的修饰以及加工。

本文主要介绍基于LM1875D类音频功率放大电路的设计，它在音频应用场合能够提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有了高增益、快速转换速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性。

在当今的社会中，经过了几代科学家的不断努力和尝试，它的技术已经日益成熟，用了一套比较完整的制作方法。

通过对硬件数据进行测试，比较输出功率和输入功率，进一步了解了音频功率放大器。

关键词：

LM1875；高保真；功率放大

Audiopoweramplifierdesign

Abstract：

Audioamplifiercalledtheaudiopoweramplifier,itismainlyusedtopromotethesoundfromthespeakerstoreproducesoundamplifierdevice.ThedesignfrontNE5532integratedenlarge,rearLM1875amplifierchip,canbeagoodlow-frequencysmall-signalamplification,itcantruthfullyreflectthetoneofthesoundsignal,pitchandtonestrongsoundqualitystatusandtheabilityoftheoriginalappearanceofandthesoundsignalnecessarymodificationandprocessingTherefore,theobjectofstudyisthesoundqualityofhigh-fidelitypoweramplifiertechnology,thispaperdescribestheLM1875classDaudiopoweramplifierdesign,audioapplicationscanprovideverylowdistortionandhigh-qualitysound,butalsohasahighgain,fastslewrate,widepowerbandwidth,largeoutputvoltageswing,highcurrentcapability,andaverywidepowerrangeandothercharacteristics.Today,theaudiopoweramplifierisstillanalogamplifierformainstreamproducts,analogamplifierhasexperienceddecadesofcontinuousimprovementandperfection,anditstechnologyhasbeendevelopedtoitspeak.Test,comparingtheoutputpowerandinputpower,hardwaredataLearnmoreabouttheaudiopoweramplifier.

Keywords:

LM1875；High-fidelity；poweramplifier

目录

1.绪论1

1.1音频功率放大器的设计背景1

1.2国内外的研究现状2

1.3设计的主要内容3

2系统方案的论证4

2.1设计的主要任务4

2.2设计方案的选择4

3硬件电路的设计6

3.1前置放大器6

3.2功放设计7

3.2.1功率放大器的类别7

3.2.2音频功率放大器的主要参数指标10

3.2.3D类功率放大器的特点12

3.2.4关于LM1875的电路特点以及资料13

3.2.5Lm1875放大电路的设计14

3.3电源电路的设计15

4电路制作以及安装测试18

4.1装配与测试数据18

4.3实物展示19

5.总结20

致谢21

参考文献22

1.绪论

功率放大器，可以称之为“功放”。

在大多数的时候，额定的输出功率并不能让整个音频系统完全运作，这个时候就要在媒介间进行功率的增大，在这一系列的转换中，音频功率放大器起到了协调，组织，和呼应的作用，最后会提供良好的音质输出。

由于科技的高速发展，人们生活水平的进一步提高，现代的音频技术已经进一步普及，每个人的文化信仰，教育水平，工作的领域都是存在千差万别的，这些不同也让大家有了自己对音频设备的一些看法。

同时由于每个人的听感不同，每个人的选择也不一样，器材要做到的就是完成指标上的任务，达到理想的听感。

其实音频功率放大器的发展已经到了瓶颈，它现在拥有完善的系统和制作方法，别广泛运用在各类场合中，各种品牌的电子产品充斥在电子市场，流动在每一个人的日常生活中，各类放大器已经呈现特征鲜明，系统稳定等特点。

经过数十年人们的不懈努力，对于音频功率放大器的认识已经从思想上都取得了很大的进步，现在的线路技术以及元器件都有了很大的进步。

1.1音频功率放大器的设计背景

电子管、晶体管、场效应管以及集成电路，被称作音频功率放大器的技术的四个阶段。

在1906年的时候，人类第一次创造除了真空三极管，创造者来自于德国的来德福斯特，当时间来到1927年的时候，贝尔实验室发明了负反馈NFB（负反馈）技术，这个时候音响技术的发展进入了一个新的时代，当时的威廉姆斯放大器轰动一时，在1947年是音频功率放大器的一个里程碑，在这一年伟大的科学家威廉姆森先生，在一篇文章里面成功描述了利用负反馈的高保真，在当时是具有划时代意义的，也在当时制造空前的效应。

由于晶体管放大器能够制造出更加细腻的声音，所以时间到了二十世纪的时候，音频功率放大器已经进入到了一个非常宽广的世界，各种关于音频功率放大器的文章以及设计相继浮现在市场上，比如当时很出名的OTL输出放大器，名噪一时，它具有比较宽的频率响应，很低的失真，以及较宽的频率响应，音频功率放大器，几乎拥有一个世纪的历史，晶体管放大器的首次应用是音频​​放大器。

然而，到现在为止，它在不断变化，发展壮大。

这些都满足了人类日常的各种听感，是最基本的一种听觉方式的表达。

音频功率放大器，在满足基本需求后，必须继续加以改进和不断的完善。

当各种便携数码产品出现的时候，它的作用就更为重要了。

很多音频制造商都会和各大品牌合作，将最好的音质带给大家。

这已经成为几乎每个人都有便携式数码产品。

一个又一个流行的便携式电视，便携VCD，平板电脑等等，所有便携式数码产品都一样，它们最突出的地方就是拥有信号源，而且拥有完善的音频功率放大器系统，体积相当小巧，单纯的电池供电就可以满足系统要求了。

所以慢慢的一种新型的放大器就这样诞生了，D类放大器的发展得到了极大地壮大和提高。

其最大的特点是它可以使放大器保持很高的效率以及很低的失真，工作高效率的音频放大器，需要的不仅是在便携式设备中同时也需要在高功率电子器件。

由于功率越大，效率更重要。

在日常生活中，人们的生活水品越来越高，购买力越来越高，对于功率放大器的要求也很高，高端的家庭影院，震撼的影城，这其中优良的音频放大器无疑起着重要的作用，在这些高端设备中，往往需要几十瓦甚至上百瓦的音频功率。

在现代人们对功率放大器的要求下，低失真，高效率的音频放大器的关键部件之一。

1.2国内外的研究现状

近期意法推出24V功率放大器，为汽车带来最先进音频技术。

横跨多重电子应用领域、全球领先的半导体供应商、全球最大的汽车音频功率放大器供应商意法半导体（STMicroelectronics，简称ST;纽约证券交易所代码：

STM）这个产品其实很适合在一般中型客车上使用，具有很高的性能，而且工作电压只需要24v就可以了。

这是全球第一款在工作电压满足24V的汽车内，不需要加装任何外部元器件直接可以直接驱动扬声器的音频功率放大器，证明了意法半导体长期以来对汽车市场的专注和研发投入。

意法半导体的汽车产品部音频与功率行销总监LucaCelant表示：

“数百万的货车司机和其它重型车辆驾驶员通常是孤身一人长途驾驶，高品质的音响系统有助于他们放松心情，集中注意力，然而直到现在，只能勉强使用现有重型车辆的音响系统。

凭借本公司在全球汽车音频功率放大器市场的领导优势，意法半导体研发出这款业界独一无二的产品，让重型车辆驾驶员能够享受只有新型轿车才具备的高品质音响

意法半导体还宣布扩大FDA全数字放大器产品系列的计划，从2013年初提供双声道产品开始用作汽车音频放大器，同时必须能够承受恶劣的汽车环境的影响，包括高强度的电噪声，而且必须针对潜在危险事故提供全面的保护功能，例如，短路、负载突降和芯片过热保护。

12V汽车系统的音频放大器非常精密，在不增加外部元器件的条件下，汽车音响厂商仍然无法在24V汽车系统内复制12V系统的音频性能，增加外部元器件不仅使成本增加，甚至在某些条件下还存在安全隐患。

TDA7576B音频放大器进一步扩大了意法半导体的24V汽车专用产品组合，包括近期已推出的外部照明芯片和内部照明芯片。

TDA7576B的一些主要特征如下所示：

·电源方面采用24V的交流电源;

·它的最高输出功率是20w左右;

·当大量减少元器件的数量的时候，比如说去除了耦合式的电容，无自举电容（bootstrapcapacitor）、无外部补偿器件（compensationcomponent）;

·它还具有了集成模块省电的功能;

·用来诊断输出引脚的方法可以采用输出削波就会产生短路或者电路过热的警报;

·保护功能：

60V甩负载保护、芯片过热保护、静电放电（ESD）保护、输出GND或Vcc短路或负载短路保护。

TDA7576B现已上市，采用紧凑的Multiwatt15封装4x135W最大输出功率（FDA4100LV）或4x50W（FDA450LV）

4x135W最大输出功率（FDA4100LV）或4x50W（FDA450LV）

意大利和法国制作的半导体已经占据了大部分的市场份额，它们是采用的是数字的音频输入设备，而且能够兼容启停的前沿技术，可以经过测试EMI的一些测试数据，然后对EMI进行标准的测试，现如今FDA4100LV以及和它同场生产的兄弟芯片已经进入了大量量产，很多厂家对这种芯片都非常满意，而且他的集成稳压驱动相当的成熟。

据市场调查和机构IHSiSuppli的一些数据显示，意法半导体占有大约50%的市场份额，成为无可争议的全球第一大汽车音频功率放大器供应商。

1.3设计的主要内容

本设计主要分为三个模块，主放大芯片是LM1875，LM1875最大功率可以达到60瓦，而本设计只需要10瓦。

前置放大部分选择了NE5532集成放大芯片，能够很好的将微弱的信号进行前置放大。

后置放大采用LM1875放大。

在整个功放模板中，后置采用的是NE5532，其表现出了很好的噪声系数，而且信号带宽比较小，能够很好的将前置部分进行细微的放大，对于LM1875相信很多人已经耳熟能详了，它最早出现在美国，是一家专业的制作音频功率放大器的公司制造的。

是一块非常老的集成块了，但是性能却很不错，声音也一直为人所称道，在现在一些很多的移动设备，以及音响系统中都大量采用此芯片。

采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。

该电路内置有多种保护电路。

完成电路板的硬件焊接为首要任务，并进一步对数据进行整合分析。

电源部分自己制作了一个稳压的17v电源电压。

2系统方案的论证

2.1设计的主要任务

音频功率放大器的应用在日常生活的领域十分广泛，本次设计需要制作音频功率放大器，功率需要满足5W到10W可调，负载为1k欧姆，电源电压限制在20v以下。

2.2设计方案的选择

方案一：

本设计方案主要采用单片机数字模块控制，运用FM62429为音量控制芯片，LM386作为音频功率放大芯片，LCD1602显示音量的大小，通过按键控制音量大小和通断。

CD4053控制通断，其实这是一种用数字信号控制的音频功率放大器。

系统框图如图2-1：

图2-1系统框图

此方案设计的音频功率放大器具有显示音量和控制音频功率放大器的通断等功能，其中FM62429是音量控制芯片，通过单片机编写指令控制声音的大小，比普通电位器有以下几点优势：

普通的电位器，不能直接看到音量的大小，而此方案可以利用程序设定不同等级，这种功能类似于手机的音量调节。

本方案设计还可以通过红外控制音量的大小和通断，操作起来比较简单方便。

首先音频信号进入FM62429，这个时候可以通过按键或是红外遥控进行控制，给单片机信号，单片机经过处理，然后再发指令给FM62429，来控制音量的大小。

然后进入CD4053通过指令控制声音的通断。

总结：

本设计由于工作量比较大，而且LM386输出功率比较小，所以不予考虑。

方案二：

本设计主要运用的是TDA2030音频功率放大电路，通常会在汽车，影院，广场，等很多公共场合下看见它，它们都具有体积小，输出功率较大，失真度也比较小，等等非常鲜明的特点，并且这类电路都具有自我保护的特点，内置了很多保护电路的元器件，所以在一般设计中不会过于担心器件的损坏，或者因为自己的不细心操作，导致烧坏芯片，但是由于TDA2030的输出功率范围比较小，单电源模式下只能获取功率18w左右，在负载为4欧姆的情况下。

电路主要以TDA2030为核心部分组成的音频功率放大器，特点有：

失真小、所需要的元器件比较少、装配非常简单、功率十分大、保真度高等，很适合无线电爱好者和音响发烧友自制，学生的音频设计也会被经常采用。

性能参数

输入电压：

AC≤18VDC≤24V

输出功率：

Po＝15W＋15W（RL=4Ω）

输出阻抗：

4—8Ω

总结：

由于此设计最终的输出功率比较小，主要用于广播等微弱信号的放大，所以也不予采用。

虽然本方案很类似于方案二，但是本方案在实现难度上，以及高保真，大功率等方面逊色方案二不少，而且一般都是被一些信号微弱的器材所选用，应用范围比较狭隘，所以不予采用。

方案三：

1.此方案设计具体流程图如2-1所示：

音频输入

扬声器

功率放大器

前置放大器

自制线性电源

图2-1音频功率放大器设计流程图

本方案设计主要制作一个音频功率放大器，输出功率为5W—10W，电源电压20V以下，前置部分采用NE5532集成放大器，对微弱信号进行放大后置放大采用LM1875放大，前置部分是一种集成放大电路芯片，拥有很好的放大性能，效率很高，失真很低，而且它的输出能力很不错。

具有非常高的小信号带宽，电源电压的范围也比较宽广，而且噪声系数也控制的比较理想。

总结：

此方案能够对低频信号进行放大，具有高保真的放大特性，能够很好地实现此次音频功率放大器的要求，所以最终选择了此次方案。

3硬件电路的设计

3.1前置放大器

由于手机提供的信号比较微弱，要在音调控制级前加一个前置放大器。

经过很多方面的考虑，输出功率，工作效率，成本等因素的考虑考，前置放大部分采用集成运算放大器NE5532。

NE5532具备了很多音频放大芯片的优点，拥有失真度小，高保真，输出功率大，噪声的性能也不错，而且电源的电压选择也很宽广，在电源选择方面就拥有很大的余地，这个芯片在上世纪90年代被很多公司广泛使用，一些相关器材的研究着也非常喜爱使用这个放大芯片，尤其是在自己制作音频功率放大器的时候带来了很大的便捷。

实物图如图3-1所示：

图3-1NE5532实物图

封装图如图3-2所示：

图3-2NE5532封装图

主要特性如表3-1：

表3-1主要特性

主要的参数介绍

测试数值

静态的电流（mA）

8毫安

转换的速率（V/us）

5（Max）

增益的带宽（MHz）

10兆赫兹

功率的带宽（KHz）

140千赫兹

推荐的电源电压（V）

9伏

输入的失调电压（mV）

±5-15毫瓦

共模的抑制比（dB）

5

输入噪声的电压（nV/Hz）

70（Min）

通道数

双通道

3.2功放设计

3.2.1功率放大器的类别

音频功率放大器其实可以分为很多种类，大致可以归纳为晶体管音频功率放大器，也就是场效应管的放大器，还有一种是集成功率放大器，也可被称之为厚膜集成音频功率放大器，最后还有真空管的音频功率放大器，在这些放大器之间，电子管的音频功率放大器占据有很重要的一个模块。

（1）集成电路的功率放大器

由于集成电路技术的飞速发展，集成电路功率放大器也有大量的流程和指标都达到了相当高的水平，其突出的特点是体积很小，电路较为简单，性能十分优越，功放齐全的保护。

这种设计在本设计中得到了运动和实现。

（2）电子管的功率放大器（通常也把它称作胆机）

电子管的音频功率放大器大家一定不会陌生，它拥有很高的稳定性，而且机制相对来说很完善，当然它也拥有很多缺点，比如说功耗较大，拥有庞大的体型，所以在现实社会中很少有机会看到这类音频功率放大器，但是它一般音色醇厚，调试部分也相当简单。

虽然使用的时候有很多限制，但是这类单片机依然拥有自己独特的特色，是一些特定需求用户必须采纳的方案。

（3）晶体管功率放大器

晶体管功率放大器是目前应用最宽泛，间谐波失真比较大，而且调谐比较繁琐的，它的电路比较复杂，在现如今的社会中，晶体管的放大器扮演者相当重要的角色，优质的音频输出，品种的繁杂，也很好购买到。

（4）场效应管功率放大器

场效应管功率放大器其实和电子管比较相同，在场效应管音频功率放大器日益成熟的今天，具有动态范围大，很低噪声系数的它，它的音色也非常的优秀，还具有负温度的特征。

使人们具有更大的决心去克服它们，这种放大器将具有更强大的生命力。

除了输出级和扬声器连接：

日常生活中被广泛使用的功率放大器是OTL电路OCL电路BTL电路的形式。

OTL电路

它是一种无输出变压器推挽函数电路是电容耦合到输出级和扬声器，经常见于无线电。

OCL电路

此电路的变形例的电路的OTL，工作原理，相同的电路结构和OTL电路。

但它的输出电极与扬声器之间的直接耦合的方式，可进一步提高低的频率响应和失真。

这种设计是利用两个声道AC12〜18V双电源OTL电路。

BTL电路

此电路是一种比较容易被损坏的桥式电路，具有互补以及对称的特性，同时高功率，低失真，工作状态的变化。

很长一段时间，高品质的音频功率放大器的工作类型一般分为（A类）以及AB类（A类和B）。

其实这种音频功率放大器就算放在公共场合或者家里其实很难别接纳，伴随着市面上越来越多的半导体出现，人们的制作其实也变得相对自由了，具有高保真特性的放大器，这期间的音频功率放大器一直仅限于甲类（A组）和AB类（A类和B）。

这种各个类型的放大器可以总结为以下几个方面，这里表明，对于目前的工作类型的音频功率放大器，A级（甲类），AB类（A类和B）和B类（乙类）这几种类型被广泛运用于半导体放大器中。

关于A类（甲类）放大器

A类放大器（甲类）是连续电流流过所有输出设备的放大器。

其导通角等于180度，假如控制的合适，掌握好了分寸，就可以很好地避免非线性的失真，假如从某种失真的特定角度来衡量，那么得出的结果一定是它是一类具有很优秀线性放大的音频功率放大器。

在A类放大器的结构模块中，它拥有两种不同的工作方式，其中一种类型是把两个发射极和跟随器相连工作，在有足够电流通过负载的时候不适用任何期间进行停止。

如果采用这种办法的最大优点就是不会产生突然输出的电流，如果你的负载阻抗相对来说比较低，小于某些参数的要求，那么就会出现一些严重的后果，比如说失真比较严重，放大器的突然中止工作，虽然这种现象不会产生直觉上的错误，但是也会造成比较大的损失，还有一类方式可以叫做控制电流电源，如果是为了实现发射极的高效率发射极负载，那么它基本可以被看做是一个射极跟随器，所以在此类音频功率放大器设计的时候，就应该提前考虑这种缺陷，做好一定的准备或者防止工作，而且还要进行低阻抗的推动，这些内容都是必须要提前进行分析和顾虑的。

（1）关于B类（也就是通常所说的乙类）放大器

B类（乙类）放大器，它的导通角一般等于90度，这种音频功率放大器十分受欢迎，而且它通过器材的导通时间大约是百分之五十，在现在的市场中，大部分的音频功率放大器是属于这一类的，所以大家很容易在日常生活中发现它。

（2）关于AB类[甲乙类）放大器

AB类（甲乙类）放大器，其实上就是甲类和乙类放大器的二合一，其导通角大于90度小于180度，其中通过元器件的导通时间都在百分之五十到百分之百之间，这类型的放大器十分依靠偏置电流的输出电平以及偏置电流的大小。

这种放大器是按照B类放大器设计，紧接着增加偏置电流，最后是放大器进入AB类放大器。

AB类（也就是经常大家叫的甲乙类）音频功率放大器表示的是当进入低电平的时候，它的输出期间会被全部打开，进行工作，它有很多方面都类似于前文提到的甲类音频功率放大器，假设它的电平持续增长，这种器材会发生一种很奇怪的现象，截止现象，在这期间其实只需要一个器件能够产生比较多的电流输出，这种失真的现象就会被很好的控制，甚至会产生几乎不是真的现象，这也是大家所希望看到的。

就像AB类音频功率放大器在刚开始工作的时候，会产生比较严重的失真，但是它的线性特征方面会很大程度上小于A类以及B类，但是经过无数次的实验表明，它之所以能够正常工作是因为它对A类音频功率放大器的补充作用，而且在负载比较低的时候能够很好地进行工作。

（3）C类（一般情况下被称作丙类）放大器

C类音频功率放大器，其导通角一般小于90度，是一类器件通过时间低于百分之五十的工作类型。

这一种放大器，在日常生活中很难找到类似的实例做解释说明。

（4）D类（丁类）放大器

这种类型的音频功率放大器，可以断续的进行转换器件的关闭和开通，大家可以采用对信号占空比的控制使它能够表示出音频信号的一瞬间电平特点，这一类现象被叫做（PWM）俗称脉宽调制，虽然在现实生活中很难去实现它，但是它的工作效率非常高，达到了基本完美的理论值。

因为在200khz的功率输出环境下，输出方波是无法了解清楚的，换个角度看，也就是从失真的一方面来看，如果选择了一个比较尖锐频率截止频率的低通滤波器，就让制作必须要满足拥有四个电感的要求，这样就增加了音频功率放大器的设计成本，还有在频率响应这个部分，采取的这些措施只能让它能够保持在一个比较狭隘的频率响应范围内。

3.2.2音频功率放大器的主要参数指标

（1）灵敏度

灵敏度表示的是音频功率放大器达到额定的输出功率之后，经过测试出来的输入端信号的电压。

因此对于一般的器材来说是表示给音响推送一万的输出功率，然后停留