音频放大器的设计

第二章高保真电路的组成及基本原理2.1电路整体方案的确定音频功率放大器的基本功能是把前级送来的声频信号不失真地加以放大，输出足够的功率去驱动负载（扬声器）发出优美的声音。

放大器一般包括前置放大和功率放大两部分，前者以放大信号振幅为目的，因而又称电压放大器；后者的任务是放大信号功率，使其足以推动扬声器系统。

功率放大电路是一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内，高效地为负载提供尽可能大的功率，功放管的工作电流、电压的变化范围很大，那么三极管常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态，有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。

为了提高效率，将放大电路做成推挽式电路，功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真。

常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL（无输出电容）、单电源互补推挽功率放大器OTL（无输出变压器）、平衡（桥式）无变压器功率放大器BTL等。

由于功放管承受大电流、高电压，因此功放管的保护问题和散热问题也必须要重视。

OCL电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。

本课题输出级选用OCL功率放大器，偏置电路选用甲乙类功放电路。

为了使电路简单，信号失真小，本电路选用反馈型音调控制电路。

为了不影响音调控制电路，要求前置输入阻抗比较高，输出阻抗低，本级电路选用场效应管共源放大器和源级跟随器组成。

高保真音频放大器组成框图2.2 OCL功率放大器的原理OCL功率放大器电路通常可分成：功率输出级、推动级和输入级三部分。

根据给定技术指标，选择下图所示电路功率输出级是由四个三极管组成的复合管准互补对称电路，可以得到较大的输出功率。

再用一些电阻来减小复合管的穿透电流，增加电路的稳定性。

前置电路用NPN型三极管组成恒压电路，保证功率输出管有合适的初始电流，以克服交越失真。

推动级采用普通共射放大电路。

输入级部分由三极管组成差动放大电路，减小电路直流漂移。

2.3音调控制电路的原理常用的音调控制电路有三种：一种是衰减式RC音调控制电路，其调节范围较宽，但容易产生失真；另一种是反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级电子设备中。

为了使电路简单、信号失真又小，本次设计采用反馈型音调控制电路。

2.4前置放大电路的原理前置级放大电路要求输入阻抗高，输出阻抗低，以便不影响音调控制网络正常工作。

为后级提供一定比的信号电压。

为此，电路选用场效应管共源放大器和场效应管源级跟随器组成。

电路输入阻抗高，并引入电流串联负反馈，提高了电路的稳定性。

通过选取适当的电阻，可得到满意的增益。

第二级源极跟随器，可以得到较小的输出阻抗，同时其输入阻抗高，对前级影响很小第三章 高保真音频放大器的设计3.1各级电压放大倍数的分配根据额定输出功率Po 和RL,求出输出电压为U O =L O R P (U O 为有效值)∴整机中频电压增益为：A um =UiPoR Ui Uo L = ① 前置级队输出的噪声电压影响最大，一般增益不宜太高，通常该选该级增益为：A um1 =5~10 （A um1 为前置级增益）对音调控制电路无中频增益要求，一般选：A um2=1 （A um2 为音调控制电路增益）功率输出电压增益则可按总增益来确定，若其中频电压增益为A um3，则要求：A um1 A um2 A um3 ≥A um33.2电源电压的确定为了保证电路安全可靠地工作，通常使电路的最大输出功率P om 比额定输出Po 要大一些，一般取：P om ≈(1.5~2)Po所以，最大输出电压应根据P om 来计算，为：U om =L om R P 2电源电压必须大于U om ，因为输出电压为最大值时，VT1和VT2已经接近饱和。

考虑到管子的饱和压降，以及发射极电阻的压降作用，我用下式表示电源电压和输出电压最大值的关系：Uom=ηUccUcc =η1Uom ②其中η称为电源利用效率，一般取：η~0.86.0=根据管子的材料、发射极电阻值和扬声器阻抗来选定η值。

如果上述因素是输出电压降低很多时，η可选低一些，反之可选高一些。

3.3OCL功率放大器的设计3.3.1电路形式的选择OCL功率放大器电路通常可分为：功率输出级、推动级(激励级)和输入级三部分。

为了完成给定技术指标，本课题选用如1-1所示电路。

功率输出级是由VTI、VT2、VT3、VT4、组成的复合管准互补对称电路，可以得到较大的输出功率。

电阻R2、R3、R4和R5用来减小复合管的床头电流，增加电路的稳定性。

偏置电路用三极管VT6组成的恒压电路，保证功率输出管有合适的初始电流，以克服交越失真。

推动级采用VT5组成的普通共射放大电路。

为了扩大输出管的动态范围，本级加了自举电容C1在信号负半周期内，通过C2反馈，可为VT4提供足够的基流，保证VT4、VT2充分导通。

图1-1 OCL功率放大电路输出级是由VT7、VT8 、VT9组成带恒流源的差分放大电路，减小了电路直流漂移，并且深度直流负反馈，进一步稳定输出点的静态零电平。

对于交流信号，因为足C 2够大，可视为短路，所以其反馈系数F 141314R R R +≈ 3.3.2功率输出电路的设计（1）选择大功率管VT1和VT2：主要考虑三个参数，即晶体管c-e 结承受的最大反向电压，集电极最大电流和集电极最大功耗。

①VT1和VT2承受的最大反压：U CE max ≈2Ucc②单管最大集电极电流，忽略管压降：I cEmax LR R Ucc +≈1 ③ VT1和VT2的发射极电阻R 1和R 2选得过小，复合管稳定性差；过大又会损耗较多的输出功率。

一般取R 1=R L =(0.05~0.1)R L 若 ④若取R 1=R 2=0.5Ω,及取R1<<R L ,则：I c1max ≈R Ucc L（3）单管的最大集电极功耗：两管在推挽工作时，单管最大集电极功耗为：P c1max =22πP om （4）根据功率管极限参数选VT1和VT2:,大功率管考虑其工作环境的温度以及散热片的问题。

为了满足电路性能要求，便于设计计算，本课题三极管和二极管均选用硅管。

3.3.3元件参数的设计与选择（1） R 3、R 4 的计算公式因为VT1、VT2输入电阻为：r i1=r be1 +(1+β1)R 1r i2=r be2 +(1+β2)R 2r be2=300+(1+β))()(26mA I mv E 大功率管r be1、r be2一般为10Ω左右。

又因为要求VT3的发射极电流大部分注入VT1基极，所以通常取：R 3=（5~10）r i1同理： R 4=（5~10）r i2因为两管参数对称，所以r i1=r i2则取：R 3=R 4=(5~10) r i1。

（2）平衡电阻R 5设计：因为VT3和VT4分别NPN 和PNP 两种管型，电路接法又不一样，所以两管输入阻抗不相等，会使加在两管基极的输入信号不对称，为此，需加平衡电阻R5，以尽量保证两复合管输入电阻相等。

要求：R 5=R 3// r i1（3）选择VT3和VT4因为VT3和VT4，分别别与VT1、VT2复合，它们承受的最大反压相同，均为2Ucc,所以在计算集电极最大电流和最大功耗时，要考虑大R3、R4的分流作用和晶体管内部造成的损耗。

在工程计算中可近似认为：I c3max =(1.1~1.5)1m ax1βc I =I c4max P c3max = (1.1~1.5) 1max 1βc P =I c4max 选择VT3、VT4，使其极限参数满足：U be > U BEnaxI C > I c3maxPc M > P C3maxVT3为NPN 型，VT4为PNP 型，并使β3 =β4。

3.3.4偏置电路的设计因为 U B3 -U B4 ≈ U BE3 + U BE1 + U BE4设： U BE3=U BE1 =U BE4 =0.7VU B3 -U B4 ≈2.1V又因为VT9接成电压并联负反馈型，所以其给出的偏置电压稳定，输出电阻很小，并具有温度补偿作用。

U CE9 = U B3 -U B4 ≈U BE9998R R R +( U BE9=0.7V) 998R R R +=3 R 8 = 2R 9为了保证VT9基极电压稳定，取I R8=（5~10）99βcQ I (其中I CQ9为VT9静态工作电流，它要根据VT9的工作电流来确定，若忽略I R8和 I B3的分流作用，可以近似认为I CQ9≈ I CQ5)，则 R 9=989BQ R BE I I U -≈89R BE I U R 8=2R 9为了调节偏置电压的数值，R 8可以改用一固定电阻和可调电阻并联，使其并联值等于R 8.VT9管因为最大电流和耐压要求不高，可以选普通3DG 型管。

3.3.5推动级电路的设计（1）确定VT5的工作电流：为保证信号不失真，VT5工作在甲类放大状态，要求I CQ5≥3I B3max一般取：I CQ5=2~10mA（2） R 6、R 7的设计与计算公式因为VT9偏置电路输出阻抗很小、VT5的直流负载主要是（R 6=R 7），又因为U B4≈—0.7v所以 R 6+R 7=54CQ B I U Ucc -从交流通路来说，R 7实际与负载RL 并联。

其阻值太小会损耗信号输出功率，太大又必然使R 6减小。

R 6为共射电路有效负载，R 6太小将会使推动级的增益下降。

一般取：31（R 6+R 7）> R 7 > 20R L 确定R 7，则可求出R 6。

（3） 自举电容C 1的设计:自举电容是为了提高放大器增益或扩大电路的动态范围，为了在最低工作频率时C 1的容抗远小于R 7，一般取：C 1=（3~10）721R f L π 其中：f L 为下限截止频率。

（4）选择VT5管：因为VT5是工作在甲类放大状态，一般要求：U CCEO > V cEmax = 2Ucc(最大反向电压)P cM >>UccI cQ5（一般取：5UccI cQ5）3.3.6输入级电路的设计（1）确定差分管工作电流：差分管VT6、VT7的集电极电流太大，会增加管耗，并使失调电压和漂移增大；太小又会降低电路的开环增益，一般选：I C6 = I C7 ≈（0.5~2）mAI C8 = I C6 + I C7（2） R 10、R 11和R 12的设计与计算公式：R 10=75C BE I U （U BE5≈0.7V ） ⑥ 为了使恒流源VT8的工作点稳定，应使流过D 1、D 2的电流I D 》I B8。

I B8=88βC I 一般取I D ≥3mA则 R 11=)7.0()(2121==+-D D D D D CC U U I U U U ⑦ R 12≈8821CQ BEQ D D I U U U -+ （3）选择VT6、VT7和VT8管：为是差分放大电路能稳定可靠地工作，要求VT6、VT7满足：BU CEO >1.2UccP CM>5P C =5(I C8Ucc) β6 = β7,并且反向电流越小越好。