毕业论文
作者学号
系部电子信息工程
专业电子信息工程
题目作用于高保真音响设备的音频放大器指导教师丁文秋
评阅教师
完成时间：年月日
毕业设计(论文)中文摘要
毕业设计(论文)外文摘要
目录
绪论 (5)
二．放大器的程序设计 (6)
（一）电路选型 (6)
（二）参数计算 (7)
（三）元器件选择 (7)
（四）验证定型 (8)
三．晶体管前置放大器 (9)
（一）基本单元电路 (9)
（二）负反馈放大器 (9)
（三）直流放大器 (11)
四、功率放大器 (13)
（一）功率放大器设计要点 (13)
（二）功率放大器的类型 (15)
（三）音频放大器的设计 (16)
五、LM1875的简介 (24)
（一）LM1875的参数简介 (24)
（三）LM1875的电路特点 (25)
六、电路设计 (26)
（一）典型应用电路 (26)
（三）双电源音频功率放大器PCB图 (27)
七、电路制作与调试 (29)
（一）利用PCB制作电路板 (29)
（二）装配与调试： (29)
八、电路图的绘制与制板中应注意的问题 (31)
（一）S CH原理图应注意常见问题 (31)
（二）PCB设计中应注意的问题 (32)
（三）焊盘应注意的常见问题 (33)
九、总结 (34)
致谢 (35)
参考文献 (38)
绪论
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
二．放大器的程序设计
一个实用音频放大器的设计过程大体可按电路选型——参数计算——元器件选择——验证定型的顺序进行。
（一）电路选型
1.确定电路形式及结构
设计音频放大器一般先根据给定的技术指标（如频响、失真度、信噪比、转换速率等）、技术特色（如采用全直流、全对称、失真伺服、超线性等）以及性价比等要求选择合适的电路形式和结构。
在选择电路时，国内外音响界普遍推崇一种“简为佳”的说法，即简单的就是最好的。多一个元器件就多一个失真源，因而在能满足给定技术指标要求的前提下，应尽量避免电路复杂化。
2.确定放大级数
一般单级放大器的放大倍数只有几十倍，若电路需要很大的放大倍数，可采用多级放大器，这时总的增益等于各级增益的乘积。在确定放大级数时，每一级的增益不用定的太高，因为增益过高时，放大器的稳定性变差，容易产生自激。通常还需在放大器中引入适量的负反馈，将电路增益限制在一定的范围，这样既可提高放大器的稳定性，又可展宽工作频带降低波形失真。此外电路的总增益的设定还应留有一定的余量。
（二）参数计算
1.确定工作点
晶体管的静态工作点，是影响放大器性能的主要因素。通常前置放大器均工作在甲类状态，故选择工作点时，应使放大器件工作于输出特性曲线的线性放大区，并保证在额定工作状态的任何瞬间都不超越这一区域。
静态工作点一般应选在器件输出特性曲线线性区相对的小电流及低电压区域，这对保护器件有利。但为了增大动态范围，减小失真，静态工作点又不能选的过低。通常，输入级的输入信号较小（毫伏或微伏级），工作点可选的低些[如晶体管的ICQ可在（0.1~0.5）mA之间选取，UCEQ也可选的低些]，这样对提高信噪比有利；而后面的放大级，由于信号幅度较大，工作点则应取高些[ICQ可在（0.5~5mA）间选取，UCEQ也可取高些]。此外，为保证工作点的稳定，晶体管的基极偏置电阻不能选的过大。而功率放大器的工作点则应根据电路的类型来确定。
2.计算元件数值
确定了电路结构及工作点，便可根据给定的技术参数要求，计算出电路中各元件的数值和必须掌握的交直流参数，并标注在原理图上，作为制作和调整的依据。
（三）元器件选择
有了合适的电路，其技术指标的实现还有赖于正确选用元器件的质量。即便是质量可靠的同类元器件，若品牌不同，其损耗、噪声系数、稳定性或失真度及失真成分也可能不同。这也是同样的电路，采用不同品牌的元器件时会导致音质方面的差异的原因所在。从图2-1和2-2的有关曲线中，我们可以很直观的看出这种差异。
（四）验证定型
按设计要求制作的放大器，还应进行性能指标测试和客观听音评价，验证其是否达到预定的技术指标和音质水准。若不能达标，应分析其原因，有目的的反复修改设计方案，使之趋于完善，直至符合技术指标要求，方可予以定型。
三．晶体管前置放大器
前置放大器依其用途的不同可分为话筒放大器、线路放大器、唱头和磁头均衡放大器等几种类型。
前置放大器可以由单管放大器和多级放大器构成。它们之中若加入负反馈，又可称为负反馈放大器，并且还有电容耦合和直接耦合之分。
（一）基本单元电路
形形色色的放大器，不管它们的电路怎么复杂，都是由一些最基本的放大单元电路组合而成。最基本的放大单元电路是用一只晶体管构成的共发射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电路。这三种基本单元电路既可单独构成一个放大器，又可互相组合起来，构成共射-共射、共射-共基、和共射-共集等常用复合放大单元电路或多级放大器，因而它们是放大器的基础。
（二）负反馈放大器
1.负反馈放大器的特点
施加了负反馈的放大器称为负反馈放大器。过高的增益对电路有害无益，它可能导致信噪比劣化或影响电路的稳定，如产生自激等，应设法使之降低。降低电路增益除了修改电路参数之外，最有效的是给电路加负反馈，它不仅可以使电路增益达到期望值，还可以降低失真、拓宽频响提高信噪比和电路稳定性等许多好处。
负反馈放大器电路之意图如图3-1.它通过一定的耦合方式把放大器输出信号的一部分回送到输入端。当反馈信号与输入信号反相便成为负反馈。其结果使输入信号被削弱。
如果输出信号电压为UO，反馈信号电压为UF，UF/UO就称为反馈系数F，即：
F=UF/UO
在施加深度负反馈时，负反馈放大器的增益KF（闭环增益）约为反馈系数的倒数，即；KF=1/F。
加有深度负反馈的放大器，其增益几乎与晶体管参数无关，而仅取决于反馈系数F，这就显著提高了放大器增益的稳定性，且大大的简化了放大器增益的计算过程。
引入负反馈后，放大器的频响也被展宽了。其原理可以借助图3-2的频响曲线来加以说明。
由于放大器高频和低频的输出电压是逐渐下降的，施加负反馈后，高频和低频段的反馈电压也随之逐渐减小，中频段的反馈电压则相对的较高且稳定不变，从而使电路中频段的增益下降幅度较大，高、低频段的增益下降幅度逐渐变小，反映在频响曲线上，就是中频段的平坦部分变宽了。
负反馈放大器降低
失真的原理可以用图3-3
来说明。当给无负反馈的
放大器输入一个正弦波
时，由于晶体管的非线性
使输出信号产生波形失真，如正半周幅度大，负半周幅度小。施加负反馈后，由于反馈信号取自输出端，
也是正半周幅度大负半周幅度小，与输入信号相加后，输入信号变的负半周小正半周大了，被放大后，输出信号的波形就可以得到修正。施加负反馈的这种净输入信号失真，正好补偿了放大器的非线性失真。
2.负反馈放大器类型
由于取得反馈信号的方法，以及反馈信号与输入信号的连接关系不同，负反馈可以分为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈四种基本类型。（特点见表1）
3.负反馈的应用
负反馈有时在本级应用，有时则是跨即应用。在一个电路中，可能只用一种负反馈，也可能综合应用几种负反馈。
（1）在要求输入电阻高、输出阻抗低的电路中，应用电压串联负反馈。
（2）多级前置放大器的输出端增设一级设计输出器可使电路增益稳定且有较低的输出阻抗。
（3）如只需提高输入阻抗，可在第一级增设射级输出器或采用多级串联负反馈。
（4）若希望减小电路的输入、输出电阻，又要求电路尽可能简单，可采用单级或多级电压并联负反馈。
（三）直流放大器
1.直流放大器
通常指放大直流电压或电流的放大器。其主要特点是级间采用直接耦合，低频响应很好，工作频率可达到零，或接近零。由于避免了耦合电容寄生电感的影响，其高频响应也很好。现代高保真放大器为扩展高低频响应或避免耦合电容对电路其他性能的不良影响，也普遍采用了直流放大器。
由于级间摒弃了耦合电容，放大器中任何一点直流电位的变化都将引起输出端直流电位的变化。因而直流放大器输出端点位对温度变化和元器件参数的变化和电源的波动反映十分敏感，即便在无信号输入时，也会受各种不稳定因素的影
响而发生缓慢变动，这就是“电位漂移”。若发生在输出端为零电位的放大器，则称为“零点漂移”。用于音频功率放大的DC放大器，零点漂移应设法限制在±150mV 之内，以免影响电路性能或损坏元器件。
直流放大器的零点漂移可由以下两个指标来衡量：
（1）在指定时间内折合到输入端的最大漂移电压值。
（2）温度每变化一度，输出端的漂移电压折合到输入端的漂移电压值。
在音频DC放大器中，通常采用差分电路和具有正或负温度系数的热敏电阻或二极管构成的偏置电路以及施加直流负反馈等措施来抑制电位漂移。
2.单端直流放大器
与单端交流放大器一样，单端直流放大器通常也采用一组电源，有时因偏置电路的需要，会再增加一组辅助电源。单端直流放大器用于音频放大时，均工作于甲类状态。由于电路为直接耦合，设计时应注意前后级之间直流电位的配合，
满足前后级工作
点的要求。
3.差分放大器
差分放大器
也属于直流放大
器，它不仅具有良
好的抑制零点漂
移和共模信号的
能力，而且具有比一般放大器更为优良的线性。在多级音频放大器的第一级和集成电路中，差分放大器几乎是不可缺少的。
典型电路与基本特征
1）典型电路
差分放大电路的典型电路如图3-4所示，其结构呈对称性，两边三极管的特性及偏置电路均相同，发射极电阻则是两管共用的。电路有正、负两个输入端，信号可从两个输入端平衡输入，也可采用不平衡输入，这时，信号从其中一个输入端输入，另一个输入端接地。放大后的信号从两管的集电极输出。其输出电压与两个输入端信号之差成正比，故称为差分放大器。
2）抑制零点漂移
由于两边的电路对成，无论是电源电压的波动还是温度的变化，对两管的影响必然相同。而ΔUsc为Usc1和Usc2之差，故这一相同的影响可以在ΔUsc中被互相抵消。
3）共模增益与共模抑制比
对于差分放大器，总是希望对有用的差模信号具有较大的放大能力，对无用的共模信号的放大作用为零，即具有抑制作用。差分放大器对共模信号的抑制能力，用“共模抑制比”（CMRR）来表示，其值为差模信号放大倍数KD与共模信号放大倍数KC之比，即CMRR=KD/KC。
对图3-4所示的双端输出差分电路来说，只要电路完全对称，即可做到KC=0,即CMRR无穷大。由于电路不可能做到完全对称，所以CMRR常为一有限值，CMRR 越大，放大器对共模信号的抑制能力越强，共模干扰信号对电路影响越小。
四、功率放大器
功率放大器在电路形式上与前置放大器基本相同，但由于它工作鱼高电压、大电流状态，要驱动的是低值负载，所以分析和选择上与前置放大器有所不同。
（一）功率放大器设计要点
功率放大器的基本设计目标是，在晶体管安全工作前提下，所输出的不是真功率尽可能大。因而，设计时要特别注意：
1.保证晶体管的安全使用
一般情况下，希望功率放大器能给出尽可能大的不失真功率，这就意味着晶体管的工作状态已接近极限，处于危险的边缘，因而设计时应明确所用的晶体管的极限参数，将晶体管的工作状态严格控制在安全区之内，不允许超出极限参数范围。
晶体管极限参数有三个：
（1）集电极最大允许耗散功率Pcm
Pc能使管子发热，故PC要有一个最大允许值Pcm，超过此值时，管子易烧坏。
（2）集电极最高允许电压VCM
VCM值主要受晶体管反向击穿电压Bvceo的限制。当管子的集射电压超过此值时管子将有击穿的危险。故VCM必须小于Bvceo。
（3）集电极最大允许电流Icm
从晶体管输出特性曲线可以看出，当集电极电流增大到一定程度时，管子的β值将明显变小。一般规定当降为1/2或2/3时的Ic为Icm，当Ic过大时。输出波形的前半周会出现平顶失真。故Ic不能超过Icm值。
2.影响最大不失真功率的因素：
（1）集电极电压和电流的变动范围进入饱和或截止区
当Vce与Ic的变动范围进入晶体管的饱和区或截止区后，将产生饱和失真或截止失真，因而必须注意正确的选择工作点。对甲类放大而言，工作点应选在负载线的中点，使输入信号达一定值时，输出信号的正、负半周正好同时进入饱和区和截止区，即可获得最大不是真功率。
（2）晶体管工作于大信号状态时，β值非线性的影响比较严重
当其工作状态接近饱和区和截止区或Ic大于Icm时，失真将明显增大。为避免这种影响，不少功放设计采用了Pcm相对较小的多只晶体管并联工作，使每只管子均工作于线性较好（工作电流较小）的状态，拓宽了整体的线性范围，收到良好的效果。选用的Pcm和Icm值余量大许多的晶体管或线性有两的晶体管，也不失为一种简单有效的方法。
（3）输入、输出变压器的非线性失真
采用输入、输出变压器作耦合或阻抗变换时，虽然可避免阻抗不匹配造成的失真，但变压器本身的非线性失真却无法避免，改善非线性失真的效果有限。因而作为高保真放大器，应避免使用输入、输出变压器。
3.保证充足的电源功率储备
保证供电电源具有足够的功率储备，是满足放大器最大不失真输出功率要求的必备条件，否则，当放大器输出功率尚未达到设计值时，电源电压已大幅度跌
落，致使波形削顶，最大不失真功率自然达不到额定位。因而，现代高保真功放电源不仅具有充足的功率储备，而且留有一定的余量，既使放大器短时间超负荷工作，也能应付自如，不致于产生过大的失真。
（二）功率放大器的类型
为适应各种不同的要求，人们设计出形形色色的功率放大器电路器．按其工作状态来分，主要有下面三类：
1．甲类(A类)功率放大器
甲类放大器的静态工作点一般选在负载线的中点．即图4—1Q点，晶体管在
输入信号的整个周期内均有
集电极电流，处于线性工作
状态。常见的单管功率放大
器都工作于甲类，采用双管
互补或准互补结构的功率放
大器，也可以工作于甲类状
态。
2．乙类(B类)功率放大器
乙类放大器的静态工作
点选在晶体管基极电流接近
于零处，即图4—1Q’点，只
有在输入信号的半个周期内有集电极电流，而在另半个周期内截止。因此，乙类放大器须采用两只晶体管．并使它们在两个半周内轮流工作，才可在输出端获得完整的交流信号波形。
3．甲乙类(AB类)功率放大器
甲乙类放大器的静态工作状态介于甲类、乙类之间，工作点选在临近截止区、即图4—1的Q”点。晶体管有一定的静态电流，即在输入信号的半个多周期内有集电极电流，可基本避免纯乙类状态的交越失真，但仍须双管推挽工作才能获得正
常的输出波形。
上述三种类型的功率放大器、每种类型还可按电路结构分成若干种形式，如变压器耦合型、滑动甲类、超甲类、数码甲类、OTC、OCL及BTL型等。
此外，功率放大器还有丙(c)类或乙十丙(BC)类及丁(D，脉冲型)类等。它们的共同特点是效率很高，其中尤以D类放大器为最，效率可高达95％以上，是人们正致力研究开发的‘绿色”放大器。
（三）音频放大器的设计
功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备，还广泛应用于控制系统和测量系统中。
设计要求
1．输出功率：20W。
2．负载阻抗：8Ω。
3．通频带Δfs: 为20HZ–20KHZ。
4．音调控制要求：1KHZ（0dB），10KHZ（±12dB），100HZ（±12dB）
5．灵敏度：话筒输入：5mV。
线路输入：0.775V。
设计过程
1. 拟定总体方案：
甲类功放的主要优点就是电路简单易行，非线性失真小，适用于小功率的线性音频放大器，现在甲类功放主要用在高档功放产品中。而乙类功放与甲类功放最主要的不同点就是静态电流小，因此无信号时消耗功率小，可获得较高的效率；但是，乙类功放在工作时，由于两只晶体管交替导通与截止，因而，在两管输出信号波形的衔接处，会产生交越失真；而且功放管在从反偏到零偏再转为正偏转换时，随着信号频率升高，输出信号就会在时间上延迟，出现所谓的开关转换失真。因此，在实际Hi-Fi高保真放音系统中，一般不采用乙类功放，而采用线性失真小的甲类功放或甲乙类功放。甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类
功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。而且
甲乙类功放的效率可达到78.5% ，故本次设计采用甲乙类功放。
通过对设计要求和设计方案的分析，本课题觉得采用LM1875作为功率放
大器。
图4-2 系统组成框图
确定各级的增益分配
放大倍数Vs. dB 数0dB ：一般将信号电平（0dB ）即0.775V 作为衡量放大
器灵敏度的参考标准。
5mV 的dB 数为：dB 44)775.0/005.0lg(20-=。
因为采用的集成芯片LM1875，其输出功率为20W ，则负载上的电压 ：为
V R P U L o L 136.12≈==
又话筒输入为5mV ，则整个电路的增益为20lg （13/0.005）=68dB 。考虑到音
调级必要的衰减，增益为－2dB 左右。所以取整个电路的增益为70dB 。则各级的
增益如下：
* 功放级：26dB （厂家给定的）
* 音调控制级：-2dB 。
* 前置放大级：44dB 。
2. 单元电路的设计
（1）前置放大级
① 电路形式的选择
由于信号远输入的信号幅度较小。不足以推动以后的功放电路。因此要用电压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大，对于信号源，其负载约为47KΩ，所以选用电压串联负反馈方式的同相比例放大器，它可以使输入电阻增大，输出电阻减小，且输入输出电压同相。又因为前置放大级的增益为44dB，即158倍，取160倍，前置放大级电路采用二级，第一级与第二级采用电容耦合方式，总的电压放大倍数为Auf=160，设计中选用Auf1=1，Auf2=160。
其中第一级实际上是一个电压跟随器，它提高了带负载的能力。
图4-3 前置放大器电路图
电路中二极管D1作用是：当线路输入是0.775V时，D1导通，此时LF353（2）也为一个电压跟随器，信号不经过放大直接到音调控制级的输入端。当输入为5mV时，不足以让二极管导通，此时LF353（2）为放大器，信号将放大160倍后到音调控制级的输入端。
②集成运放的选择
因为Auf2=160，根据通频带20HZ–20KHZ，其上线频率为20KHZ，则集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系：
GB≥Auf2fh = 180*20KHZ = 3.2MHZ
从运放的资料手册中可查出LF353的单位放大倍数带宽GB=4MHZ，满足要求。
③各元件的参数选择和计算
电路中电容C11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10μF，R11可选用较大的电阻，取1MΩ，电阻R12取10K，LF353（2）构成的是放大倍数为160的电压放大电路，同相交流放大电路的平衡电阻可尽量选得大一些，一般为10K以上，这样有利于提高放大电路的输入电阻，由于输入电阻为47K，故选RP2的阻值为47K，R21取1K，耦合电容C12为10μF。由Auf2 = 1+R23/R22 及R21=R23//R22，Auf2=180可得R21=R22=1K，R23=160K。C21，C22，C23，C24，主要用于电源旁路滤波，一般C21，C23用电解电容，其值为220μF，C22，C24用普通的电容，一般取值为22μF。LF353的电源为±15V的直流稳压电源。
（2）音调控制级
音调控制器主要是控制，调节音响放大器的幅频特性，他只对低频与高频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB 不变。因此，音调控制器的电路可以由低通滤波器和高通滤波器构成。由运算放大器构成的音调控制器，电路调节简单，元器件少，因此，我们选用这种电路形式。
图4-4 音调控制级电路图
RP用来调节音量的大小，即为音量控制电路。
图中，电位器33
设电容C31=C32 >>C33，在中，底音频区，C33可视为开路，在中，高音频区，C31，C32可视为短路。
工作状态及元件参数计算：
第一：低频时的情况：
低频提升与衰减，电路图如下图4-5（a）和图4-5（b）所示：
当f 的影响可以忽略，此时电压增益 AVL=(RP31+R32)/R31 在f=fL1时，因为fL2=10fL1，故可得 AV1=(RP31+R32)/2R31 此时，电压增益 AV1相对于 AVL下降了3dB。 在f=fL1时，可得AV1=[(RP31+R32)/R31]*（2/10）=0.14 AVL 此时，电压增益 AV2相对于 AVL下降了17dB。 同理可得低频衰减的相应表达式。 第二：高频提升与衰减： 高频等效电路如图4-6所示：
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