音频功率放大器课程设计任务书DOC.docx

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音频功率放大器课程设计任务书DOC

课程设计任务书

学生姓名：

李磊专业班级：

电信1205班

指导教师：

刘运苟工作单位：

信息工程学院

题目：

音频功率放大器

初始条件：

具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务：

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、不失真输出功率≥1W，频率响应：

20HZ～20KHZ

2、输入阻抗≥50KΩ，输入电压≤5mv

3、具备高音和低音的音调控制功能

4、效率>60%

5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书

时间安排：

一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试

指导教师签名：

年月日

摘要

本文介绍了音响的构成、功能、及工作原理，它由LM1875芯片所组成的功放电路，NE5532四运放大器为前置放大和音调放大构成，本身具有电源电压范围宽，双电源供电，价格低廉等优点。

而LM1875是一款输出功率大，最大功率到达35W左右，静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16Ω的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。

本设计的功能是将输入音频信号进行放大，是一种可普遍用于家庭音响系统、立体声唱机等电子系统中，便于携带，适用性强。

关键词：

LM1875NE5532输出功率效率

Abstract

Thisarticledescribesthesoundofthecomposition,function,andprinciple,itisformedbytheLM1875chippoweramplifiercircuit,NE5532quadopampasthepreampandtonetoenlargeconstituteitselfwithsupplyvoltagerange,thestaticpowerconsumptionshouldbedoublepoweruseandlowcostadvantages.TheLM1875ahighoutputpower,maximumpowerreaches35Worso,thestaticcurrent,loadcapacity,dynamiccurrentcandrivelarge4-16Ωspeaker,circuitsimplicity,makingconvenientandreliablehigh-fidelitypoweramplifier,andaninternalprotectioncircuit.Thisdesignfeatureistheinputaudiosignalamplification,

Isgenerallyavailableforhomeaudiosystems,stereoplayerandotherelectronicsystem,portableapplicability.

Keywords:

LM1875OutputpowerNE5532Efficiency

1概述

1.1音响的介绍及音响的历史

音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。

通过音响放大器设计，使我们认识到一个简单的模拟电路系统，应当包括信号源、输入级、中间级、输出级和执行机构。

信号源的作用是提供待放大的电信号，如果信号是非电量，还须把非电量转换为电信号，然后进入输入级，中间级进行电流或电压放大，再进入输出级进行功率放大，最后去推动执行机构做某项工作。

经过改革开放30年来的高速发展，我国电子音响行业取得了长足的发展，从单一的收音机到现在CD、VCD、DVD、多媒体音响、GPS、车载多媒体终端等百花齐放，涌现出了一批优秀企业。

即便是在经历了自然灾害、人民币升值、原材料大幅涨价等不利因素，我们仍有一大批企业以加强自主创新、优化产品结构、开拓新市场、加强经营管理为手段，面对困难，保持了较高的发展速度。

1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低。

上世纪50年代，电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。

由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

上世纪60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。

晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

上世纪60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

上世纪70年代中期，日本生产出第一只场效应功率管。

由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色以及动态范围达90dB、THD＜0.01％（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。

现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。

1.2音响的作用意义

细心观察我的身边，现在音响可以说是无处不在，做为一个现代人，我们已经离不开音响。

它的出现与使用，丰富了我们的生活，而在实际生活中，它更是不可取代。

娱乐、工作、学习……生活的方方面面都有它的身影。

音响将我们的生活带入了一个全新的世界。

音响放大器是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。

满足家庭需要，因为社会压力大，所以家里需要更能释放压力，怡情养性的Hi-Fi器材。

特别在中国，因为消费力的提高，在Hi-Fi上的投资会有一个较长的增长期。

而且中国人房子不大，车子少，旅游也不多，所以Hi-Fi和家庭影院会是一种很好的娱乐方式。

1.3名词解释

音响系统整体技术指标性能的优劣，取决于每一个单元自身性能的好坏，如果系统中的每一个单元的技术指标都较高，那么系统整体的技术指标则很好。

其技术指标主要有六项：

频率响应、信噪比、动态范围、失真度、瞬态响应、立体声分离度、立体声平衡度。

1.3.1频率响应

所谓频率响应是指音响设备重放时的频率范围以及声波的幅度随频率的变化关系。

一般检测此项指标以1000Hz的频率幅度为参考，并用对数以分贝（dB）为单位表示频率的幅度。

音响系统的总体频率响应理论上要求为20~20000Hz。

在实际使用中由于电路结构、元件的质量等原因，往往不能够达到该要求，但一般至少要达到32~18000Hz。

1.3.2信噪比

所谓信噪比是指音响系统对音源软件的重放声与整个系统产生的新的噪声的比值，其噪声主要有热噪声、交流噪声、机械噪声等等。

一般检测此项指标以重放信号的额定输出功率与无信号输入时系统噪声输出功率的对数比值分贝（dB）来表示。

一般音响系统的信噪比需在85dB以上。

1.3.3动态范围

动态范围是指音响系统重放时最大不失真输出功率与静态时系统噪声输出功率之比的对数值，单位为分贝（dB）。

一般性能较好的音响系统的动态范围在100（dB）以上。

1.3.4失真

失真是指音响系统对音源信号进行重放后，使原音源信号的某些部分（波形、频率等等）发生了变化。

音响系统的失真主要有以下几种：

a．谐波失真：

所谓谐波失真是指音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分。

此额外的谐波成分信号是信号源频率的倍频或分频，它是由负反馈网络或放大器的非线性特性引起的。

高保真音响系统的谐波失真应小于1%。

b．互调失真：

互调失真也是一种非线性失真，它是两个以上的频率分量按一定比例混合，各个频率信号之间互相调制，通过放音设备后产生新增加的非线性信号，该信号包括各个信号之间的和及差的信号。

c．瞬态失真：

瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢，从而使信号产生失真。

一般以输入方波信号通过放音设备后，观察放大器输出信号的包络波形是否输入的方波波形相似来表达放大器对瞬态信号的跟随能力。

d.立体声分离度：

立体声分离度表示立体声音响系统中左、右两个声道之间的隔离度，它实际上反映了左、右两个声道相互串扰的程度。

如果两个声道之间串扰较大，那么重放声音的立体感将减弱。

e.立体声平衡度：

立体声平衡度表示立体放音系统中左、右声道增益的差别，如果不平衡度过大，重放的立体声的声像定位将产生偏移。

一般高品质音响系统的立体声平衡度应小于1dB。

2电路方案的比较与论证

2.1放大电路的比较与论证

方案一：

采用uA741运算放大器设计电路，uA741通用高增益运算通用放大器，早些年最常用的运放之一，应用非常广泛，为双列直插8脚或圆筒8脚封装。

工作电压±22V，差分电压±30V，输入电压±18V，允许功耗500mW。

方案二：

采用NE5532通用两运算放大器，双列直插8脚封装，内部包含两个形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两个运放相互独立。

它有8个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

方案选取：

uA741是通用放大器，性能不是很好，满足一般需求，而NE5532运放大器具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源或者双电源使用，价格低廉等优点。

本设计放大倍数不高，而NE5532素有"运放之皇"的称呼,性能十分优良,能远远达到频响要求，故选用NE5532运放大器。

2.2音频功率放大电路的比较与论证

方案一：

采用SL34集成功率放大器，SL34是低电压集成音频功放，功耗低、失真小，工作电压为6V，8负载时，输出功率在300mW以上。

主要用于收音机及其它功放。

方案二：

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386电源电压4--12V，音频功率0.5w。

LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率。

它的典型输入阻抗为50K。

方案三：

LM1875芯片所组成的功放电路，它是一款输出功率大，最大功率到达35W左右，静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16Ω的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。

方案选取：

本课题要求音响放大器的输出功率在5W以上，然而LM386达不到这功率，故选用LM1875。

频率响应fL～fH＝50Hz～20kHz；而单电源供电音频功率放大器已经达到所需要的目标。

并且它较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点。

而BTL电路虽然也有以上的功能，但制作复杂，不利于维修。

3核心元器件介绍

3.1NE5532的介绍

NE5523引脚图简介：

NE5532系列器件是带有真差动输入的两运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该放大器可以工作在正负22V，共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，，其中“1IN+,2IN+”、“1IN-,2IN-”为两个信号输入端，“Vcc+”、“Vcc-”为正、负电源端，“1OUT,2OUT”为输出端。

两个信号输入端中，IN-为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；IN+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

NE5532的引脚排列见图3-1。

图3-1NE5532的引脚排列

NE5532的特点：

1.小信号带宽：

10MHZ 

2．输出驱动能力：

600Ω，10V（有效值）

3．输入噪声电压：

5nV/√Hz（典型值）  

4．直流电压增益：

50000

5．交流电压增益：

2200-10KH器。

6.功率带宽：

140KHZ 

7，转换速率：

9V/μs 

8.电源电压范围：

±3V-±20V

9.输入端具有静电保护功能。

NE5532的内部结构如图3-2：

图3-2典型原理图

NE5532系列采用两个内部补偿，二级运算放大器，每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管的差动输入器件，以及差动到单端转换器。

第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。

由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片尺寸。

该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。

3.2LM1875的介绍

LM1875是美国国家半导体公司推出的一款高性能的功放芯片。

。

该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。

并具有内部保护电路。

其他有些公司也生产，如TI公司，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。

电路特点：

1.输出功率大，Po=20W（RL=6-8Ω）。

2.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

3.内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

主要保护电路有：

短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

4.LM1875能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。

引脚情况（如图3-4）:

1脚是正相输入端

2脚是反向输入端

3脚是负电源输入端

4脚是功率输出端图3-3

5脚是正电源输入端

图3-4LM1875典型电路接法（双电源供电）

4电路

设计

图4电路整体设计

4.1直流稳压电源电路的设计

各种电器设备内部均是由不同种类的电子电路组成，电子电路正常工作需要直流电源，为电器设备提供直流电的设备称为直流稳压电源。

直流稳压电源可以将220V的交流输入电压转变成稳定不变的直流电压，直流稳压电源的组成框图如图4-1-1所示。

图4-1-1电源组成框图

4.2话音放大器与前置放大器的设计

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ（亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，200Ω等），所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10kHz）。

其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗，。

话筒放大器也是使用NE5532进行对人声的放大，一个同相比例放大器，如图4-3，其放大倍数Av=1+R2/R3=34倍。

（不过输出接有滑动变阻器可以调节输出的电压大小）

图4-2-1话音放大器电路

图4-4中的混合前置放大器的电路中，用NE5532作反相放大器。

电路中电容C1、C2、C3是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容或普通电解电容，一般选为0.1μF。

耦合电容的作用是阻止前后两级电路的信号相互干扰影响，并且不会影响信号的传递。

然后前级使用正负12V供电，放大倍数Av=-R3/R2=-2.1倍。

图4-2-2前置放大电路

4.3音量控制电路的设计

音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的。

本实验电路采用的是负反馈式音调控制电路，与衰减式音调控制电路相比，它具有噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变的特点。

图4-3-1音调控制电路（理想电路）

（1）对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。

当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图3（a）。

由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。

该电路的电压放大倍数表达式为：

，其转折频率为：

，

。

可见当频率

时，

；当频率

时，

。

从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为

。

（2）电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。

调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。

该电路的电压放大倍数表达式为：

。

其转折频率为：

，

。

当频率

时，

；

当频率

时，

。

可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。

（3）设计的电路图如图4-3-2所示

图4-3-2音量控制电路

4.4功率放大电路的设计

功率放大器，简称“功放”。

很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

当负载一定时，希望其输出的功率尽可能大，其输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高，功放的常见电路有OTL（OutputTransformerless）电路和OCL（OutputCapacitorless）电路。

有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。

LM1875是美国国家半导体公司生产的双声道功放IC，该IC体积小巧，输出功率大，最大功率到达40W左右；并具有静态电流小（50mA以下），动态电流大（能承受3.5A的电流）；负载能力强，既可带动4-16Ω的扬声器，某些场合又可带动2Ω甚至1.6Ω的低阻负载；音色中规中举，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放。

（其中）在该电路由TDA2030组成的串联电流负反馈负反馈电路，其交流电压放大倍数

（倍）

由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。

TDA2030/2030A集成功放，具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单，但在实际使用的过程中一定要注意，加上散热片，否则，TDA2030很快就会由于温度过高而停止工作！

其交流电压放大倍数

（倍）

功放放大电路图如图4-4：

图4-4功率放大电路

4.4总电路图

图4-5总电路图

5调试

6.1静态工作点测试

接上电源（次级为12伏），不带负载情况下接通电源，按下电路板上电源开

关，测试滤波电容两端输出电压应为14v左右。

若出现异常应该立即断电。

6.2最大输出功率测试

将8Ω负载接入功率输出端。

再将信号源调至频率f=1000hz，输出电压为1V，接到音频放大器的声道输入端。

将音调调节电位器调到最大。

功率输出端接上示波器、毫伏表。

图6-1测试的接法

调节音量电位器，使输出信号失真度THD=3%时，测出功率放大器的输出电压Vo的值，由公式P=Vo2/16计算放大器的最大输出功率。

6.3频率特性测试

调节1000hz输入信号幅度（或调音量电位器），使输出信号为1V。

测出电路输入信号的大小Vi的值。

调节输入信号的频率，保持输入信号Vi的大小不变，测量输出信号的大小。

找出上下限频率fL和fH，求出通频带BW=FH-f。

6.4音乐试听

由于底噪，性能未达到先前期盼，声音有明显放大，但是音质不高。

6.5仿真模拟

6.5.1话音放大器

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20K亦有低输出阻抗的话筒如（20欧，200欧等），所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10KHz）。

其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。

图6-5-1-1话筒放大仿真电路图

图6-5-2-2话筒放大仿真波形图

最大放大倍数：

33/1=33倍。

（可以通过改变R5的阻值来改变放大倍数），电路图中A1组成同向放大器，具有很高的输出阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其最大放大倍数Av=1+R2/R3=33倍，与仿真结果相似。

运放NE5532性能较好所以放大三十多倍还能有较大的带宽，故能达到fH=20kHz的频响要求。

6.5.2前级放大电路

图6-5-2-1前级放大仿真电路图

图6-5-2-1前级放大电路仿真波形

由上图可得，输出前置端的电压与输入端的电压反向。

其放大倍数为2

倍，且为反相。

达到了预期的设计要求。

6.5.3音量放大电路

图6-5-3-1音量控制电路仿真电路图

图6-5-3-2音量控制电路仿真波形图

由上图可得，输出端的电压与音频信号的进入端是同相。

其放大倍数仍未两倍，条件，达到了预期的设计要求。

其中两个电位器可以分别调节从而来控制其中的高低音的衰减。

图6-5-3-3低音放大仿真效果

图6-5-3-4低音衰减仿真效果

图6-5-3-5高音放大仿真效果

图6-5-3-6高音衰减仿真效果

以上各图分别为音调控制电路的仿真效果图，由图可知通过对两个电位器的控制可以控制高音，低音的放大倍数，进而控制和调节高低音的输出。

6.5.4功率放大器

图6-5-4-1功率放大仿真电路图

图6-5-4-2功率放大输入有效电压图6-5-4-3功率放大输出有效电压

由上图可得，输入峰峰值为5mv的正弦波。

其放大倍约为30倍，还随着电位器的变化而改变。

远远满足要求。

且波形没有失真的情况。

仿真效果很好。

图6-5-4-4功率放大仿真波形图

图6-5-4-2功率放大仿真的输出功率

由上图可得，输出功率为5.875W，大于所要求的2.4W，基本满足设计要求。

6.5.5总仿真电路图

图6-5-4-2总仿真图

心得与体会

这次模电课设的论文和设计是我这大学期间干的最有意义的事之一。

从最初的选题，开题到写论文直到完成论文。

其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。

此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的制作能力。

不过从开始的原理图的确定上，遇到了一个难题，刚开始用LM386，但在查资料后发现它达不到输出功率20W，所以用LM1875单通道的功放。

放假回到学校后就开始着手毕业设计的制作，一步一步的做下来。

等做好设计的时候才发现这是个美好的过程，也不枉费自己对这次设计和论文花的时间和精力。

其实这么一次的锻炼可以学到书本里许多学不到的知识，坚韧、独立、思考等。

但是课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。

比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。

由于时间有限，未能完成全部安装与调试工作，对设