1、 本科毕业设计 （ 20 届） 音频功率放大器制作 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它主要应用于对弱音频信号的放大、音频信号的传输增强，与播放器、音频转换器等 配接使用，其品质的优劣影响到音频传输效果的好坏。当负载一定时，希望输出的功率尽可能的大，输出的信号非线性失真尽可能的小，效率尽可能的高。音频功率放大器的常见电路形式有 OTL、 OCL 和 BTL 三种。文章设计了一个采用分立元件 OCL 形式的音频功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组电源供电 ,其电
2、路性能比较好，因此广泛的应用于高保真扩音设备中。文中介绍了该放大器偏置电路克服交越失真、复合管的基本组合提高电路效率、交直流反馈电路、差分放大电路和对称电路（使静态输出点电压为零）。此外，还介绍了电源部 分的设计。这次设计的实物产品采用 PCB 印制电路板制作，使性能良好满足设计要求和外表美观。 关键词： 功率放大器； OCL 电路；高保真 Abstract Audio power amplifier is a widely used and practical electronic audio equipment, it is mainly applied to weak audio sig
3、nal amplifier, audio signal transmission enhancement, and players, audio converter, etc, and its quality matching use the pros affect audio transmission effect is good. When load certain, hope output as far as possible big, the output signal non-linear distortion is as far as possible small, efficie
4、ncy as far as possible high. Audio amplifier common form has OTL circuit BTL OCL and three. This article designs is an OCL power amplifier, this amplifier uses the multiple-unit tube to relief greatly the coupling capacity, and uses the positive and negative two groups of double power sources supply
5、. This circuit performance is better, and it is widely used in hi-fi amplification equipment. In the article introduced this amplifier bias electric circuit overcomes the junction more to distort, the multiple tube basic combination enhances the electric circuit power, the alternating and direct fee
6、dback circuit, difference amplifying circuit and bilateral circuit (causes a static output voltage for zero). In addition, it introduces the design of electric part. Next in kind product uses the PCB printed circuit board manufacture to cause its performance good to satisfy the design request and to
7、 have a fine external appearance. Key Words: power amplifier; OCL circuit; High Fidelity 目 录 1 引言 .1 1.1 音频功率放大器的发展现状 .1 1.2 音频功率放大器的分类 .1 1.2.1 胆机和石机 .1 1.2.2 按照电路的分类 .2 2 总体设计 .4 2.1 方案选择 .4 2.2 设计达到的技术指标 .5 3 硬件设计 .6 3.1 电源模块 .6 3.2 前置放大器模块 .7 3.3 功率放大电路 .8 3.4 元器件的选择 .10 3.4.1 电源部分的选择 .10 3.4.2
8、OCL 电路部分的选择 . 11 4 硬件制作 .12 4.1 应用 PCB 制作电路板 .12 4.2 装配 .13 5 硬件调试 .15 5.1 静态工作点的调试 .15 5.2 主要交流性能指标的测量 .15 5.3 电源的测试 .16 5.4 听声 .16 6 总结 .17 致 谢 .17 参考文献 .18 附录 1 系统 PCB 图 .19 附录 2 系统实物图 .20 附录 3 实验原 理图 .21 附录 4 毕业设计作品说明书 .22 附录 5 元器件清单 .23 1 引言 1.1 音频功率放大器的发展现状 随着近几十年来半导体产业的快速发展，音频功放电路也得到了长足的进步。通过
9、人们不懈的奋斗， 不仅仅在电路和元器件这些技术层面获益不菲，而且主要在设计的思想方面有了崭新的认识 1。目前，我国是世界上电子产品和元器件的最大生产基地，也是最大的消费市场，伴随之的，音频功率放大器市场的增长也是非常巨大的。 在半个多时间之前，那时候暂居市场主导地位的还是电子功率放大管。功率放大电路的主要工作类型是甲类和甲乙类，需要通过变压器和负载耦合，元器件体积都比较大，因此整体都现在的音频功率放大器大了不少。在过了十多年后，晶体管的发展一日千里。因其优良的电气特性和相比电子管更低的能耗，电子管开始慢慢的走向下坡路了 2。不过，因为当时整个电子行业的水平不高，电路集成度很低，各种辅助电路辅助
10、，整体功耗还是偏大。在进入了八十年代以后，随着功率 场效应管 的兴起，使电力电子进入了一个新的领域。通信、电脑、消费电器、汽车的快速发展，因此也迅速带动了功率放大器的发展。在二十一世纪前后，此时的功率放大器开始逐步向模块化，小型化，集成化的方向发展 2。功率半导体器件和集成电路的结合越来越紧密，功率和微电子器件在芯片制造工艺上已日趋接近。 目前，音频功率放大器已经在家庭影院、音响系统、手机、伺服放大器等电子系统中广泛应用，在小型化、智能 化等专业应用领域，有是针对音频放大的特殊要求而定制的专用功率放大器芯片。 1.2 音频功率放大器的分类 1.2.1 胆机和石机 按照所选用放大元器件的不同，可
11、分为用电子管的放大器（也称之为胆机）和晶体管的放大器（称为石机）。在 20世纪五十年代，因为晶体管还没有出现，一直是胆机一统天下。在晶体管产生后，由于其体积小，耗电省很快便取代了电子管，技术的进步，导致电子管从兴旺走向衰败，令人大有“无可奈何花落去”之感 3。随着现在半导体行业的快速发展，目前市面上大多数的音频功放都是采用了石机。 但是，胆机作为有一个多 世纪历史的产品，并没有退出历史的舞台，现在仍然受到音响发烧友的追捧。近年来人们对电声技术的提高发现电子管放大器能够发出晶体管所不能比拟的音色，所以时至今日电子管在音频领域又迅速走红。由于电子管是电压控制放大器件，其失真成分绝大多数均为偶次失真
12、，这在音乐表现上刚好是倍频程谐音，故而即使用仪器实测谐波失真较大（一般在 2%以上），听起来非但没有生硬刺耳的失真感，反而有一种黄玫瑰般温柔厚实、甜腻动人的韵味，特别适合于播放田园诗般舒缓优雅的古典乐和中国民乐。坦率的说，胆机的技术指标除了静态互调失真一项能与晶体机相比外 ，其余均不如晶体机，其实胆机的生存与发展与技术指标的关联已经并不是密切相关了。很多胆机的失真度都在 1%以上，但是与失真度只有 0.1%的石机相比，很多人还是认为胆机的声音出色的多。因此，技术指标只是一个方面，但还不能从本质上反映问题，更多的评价则是以耳听为主。 1.2.2 按照电路的分类 随着半导体器件的出现和发展，放大器
13、的设计得到了更多的自由。 音频放大器到目前为止已经发展的十分完善了，但是，因为每个人对其要求的不同，针对各种要求设计出了许多性能各异的电路。现在，市面上主要的音频功率放大电路类型有四种：甲 类、乙类、甲乙类和 D类 4。目前市面上的音频功率放大器巨大多数都是采用了上面四种电路。其中，前三种都是模拟电路， D类为数字电路，需要进行模 /数和数 /模转换对音频信号进行放大，是近十多年才开始流行起来。下面，将对这四种类型的功放电路进行简介。 甲类功放的静态工作点一般选在负载线的中点，输入信号整个周期都处在有电流通过的放大元器件中，因此，放大器都处在很好的线性工作状态中。甲类功放线路简单，既可以单管工
14、作，也可以双管推挽，而且线性失真非常小。只要偏置电压和动态范围控制得当，开关失真和交越失真甲类功放都不会产生 5。不过，甲类功放有个很大的缺点，就是功率利用率很低。因为在甲类状态工作时，一直需要电源源源不断的输送，就算没有信号输入，放大电路还是处于工作当中，电源都变成热能消耗掉了。所以甲类放大器的功耗都很大，效率低，理论上最高值也只能达到 50%而已。不过，因为甲类对失真控制非常优越，还是有不少发烧友钟情，在高档音响中也较为常见。 乙类类功放与甲类不同，态工作点一般选在负载线的零点。一类功放一般采用双管推挽，在信号近来的半个周期内，一个晶体管导通，另一个晶体管截止，在后半个周期里面两个管子的工
15、作状态轮换，如此周而 复返的工作，输出放大后的波形。不过，在两只管子轮换的时候，会产生交越失真，因此，线性不如甲类功放。优点是在没有信号输入的时候，只要很少的电源被浪费，效率相对就高多了，在理论情况下可以达到 78.5%6。 甲乙类放大器是甲类和乙类的中合。它在对电路设计时，给三极管加了很小的偏置电流，减少了失真。这样，从听音效果上力求偏向甲类，而在使用效率上偏向乙类。在静态电流的设置中，处于甲类和乙类的中间，具体的取值要看偏置电流的大小。它的晶体管的导通时间会稍大于半周期，总体的工作原理与乙类功放相同。交替失真较大，但是交越 失真较小，功耗也低。 D 类功放与前三种功放的设计模式有了很大的不
16、同，其放大元器件采用的开关工作状态放大模式，当有信号输入时，靠输入信号让晶体管饱和，三级管导通，没有信号时，晶体管截止，也就没有电源损耗。 D 类功放首先接一个模数转换电路将音频正弦信号先变为脉冲方波，处理好了以后再将信号通过模 /数转换变成模拟信号输出去。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。 D 类放大器的耗电只与放大管的特性相关，因此在需要大功率的放大的场合特别适用。在理想的情况下， D 类功 放的效率为 100%。 2 总体设计 2.1 方案选择 目前音频放大器有前后级之分。前级放大器为小信号放大器，主要放大电压，故也称电压放大
17、器。起主要功能是把各种信号源较小的输出信号电压放大到所需要的幅度，以满足后级部分输入灵敏度的要求 7。由于它处于放大器的前级位置，故又称为前置放大器；后级放大器也称之为功率放大器。主要功能是进一步把信号电压放大到一定幅度，再进行扩流，向负载扬声器提供足够大的驱动功率。图 2-1 系统框图 目前音频功率放大器的种类非 常繁多，但基本的构成如图 1 所示，由前置放大器和功率放大级构成。功率放大器是音频功率放大器的主要部分，主要有晶体管放大器，电子管放大器和集成电路放大器三个大类。综合考虑之下，采用晶体管放大器，下面是现在最主流的三种晶体管放大器的设计电路： 1无输出变压器功率放大器（ OTL） 省
18、去输出变压器的功率放大电路通常称为 OTL 电路。其中， OTL 为 Output Transformer Less 的缩写。 OTL 电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路。通常采用电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。 OTL(Output transformer less )电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。过去大功率的功率放大器多采用变压器耦合方式，以解决阻抗变换问题，使电路得到最佳负载值。 但是，这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点，目前已较少使用。OTL 电路不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，
19、只要输出电容的容量足够大，电路的频前置放大级 功率放大级 自制稳压电源 负载 率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路。 2无输出电容功率放大器（ OCL） OCL 电路是一种互补对称输出的单端推挽电路 ，为甲乙类电路工作方式，是由 OTL（无输出变压器）电路改进设计而成的 8。它的特点是：前置、推动、功放及至负载扬声器全部都是直流耦合的，即省略了匹配用的输入、输出变压器，也省略了输出电容器，克服了低频时电容器容抗使扬声器低频输出下跌，低频相移的不足，以及浪涌电流对扬声器的冲击，避免了扬声器对电源不对称，使正负半周幅度不同而产生的失真，成为当今大功率放音设备的主流电路。 3桥式推挽功率放大
20、器（ BTL） BTL（ Balanced Transformer Less）电路，称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的 OTL 或 OCL 电路组成，扬声器接在两组 OTL 或 OCL 电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。 BTL 电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与 OTL、 OCL 电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下， BTL 电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率 9。 BTL 电路的优点有只需要单电源供电， (但还是有用双电源 )且不用变压器和大电容，输出功率高。缺点是电路相
21、对复杂，所用管子数量多，很难做到管子特性理想对称，且管子总损耗大，转 换效率低。 三种方案都是目前很广泛应用的音频放大电路， BTL 的电路相对更加完善，理想的输出功率是 OCL 电路的四倍，不过电路比较复杂。 OCL 电路到目前已经非常完善，频率特性好，广泛的应用于高保真功放中，因此，综合各方面的因素，最终确定用 OCL 电路来进行本次设计。 2.2 设计达到的技术指标 1.额定输出功率 WP 10 2.负载阻抗 8LR 3.失真度 %1 4.电源输出 15V，纹波小于 0.5Vp-p 3 硬件设计 本系统硬件主要有三大模块组成：稳压电源模块、前置放大级模块和功率放大模块。 3.1 电源模块
22、 音响设备一般使用单相电源交流市电。其电源部分通常由电源变压器和整流滤波电路构成，但是如果直接为前置放大前供电，其纹波系数偏大，会影响放大器的信噪比指标。所以高质量的前置放大器等小信号放大前都是采用稳压电源供电，既主整流滤波电路的输出电压经过一个稳压电路稳压之后，再供放大器使用。这样，所输出的直流电压不仅纹波系数更小，而且相当稳定，不会受负载电流和市电的影响，使得放大器的信噪比和稳定性大大提高。 图 3-1 电源电路 电路的整流器由四只桥接的二极管构成，故次级绕组无论在正半周还是负半周期间，桥的两臂均有一只二极管正向导通。所以与全波整流一样，在一个器件的正负半周均有同一方向的电流流经负载。 桥式整流电路虽然多用了两只二极管，但电路的反向电压由两只二极管串联来共同承受，二极管的耐压可减小一半，而且次级绕阻无需抽头，圈数减少一半，
