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高保真音頻功放器設計

摘要:針對高品質(zhì)音頻的需求,設計了一種高保真音頻放大器。該音頻放大器主要由信號放大電路、功率放大電路和有源濾波電路組成,其中信號放大部分采用場(chǎng)效應管及運算放大器。其受外界的干擾性較小,穩定性較高,放大倍數可達到20~30倍,隨需要而進(jìn)行調節。功放部分采用LM4766型芯片,采用差動(dòng)放大電路對信號實(shí)現音頻信號的放大,失真小于百分之零點(diǎn)一。濾波電路采用了二階有源低通濾波電路,對輸入的音頻信號進(jìn)行處理。該設計的音頻功率放大器具有失真度小、增益可調、體積小等特點(diǎn),具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:音頻功放;LM4766;甲乙類(lèi)放大器;高保真

    本文設計了以AB類(lèi)音頻功放集成芯片LM4766為主要元器件的高保真音頻功率放大器,其克服了A類(lèi)音頻功率放大器效率低和B類(lèi)音頻功率放大器信號容易產(chǎn)生交越失真的缺點(diǎn),同時(shí)也克服了傳統音頻功率放大器推動(dòng)中小型音箱時(shí)存在的音色單薄、纖弱的缺點(diǎn),具有放大倍數高,工作穩定,失真度極小等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應用于多種對音質(zhì)要求較高的場(chǎng)合,如車(chē)載音響設備和KTV等場(chǎng)合。

1 系統方案
    設計目的是制作一款高保真音頻功放器件,以實(shí)現對音頻信號的高保真輸出。系統總體框圖如圖1所示。


    系統主要由二階低通濾波電路、差動(dòng)放大電路和功率放大電路集合而成。當音頻信號通過(guò)左右聲道輸入后,首先經(jīng)過(guò)二階低通濾波器進(jìn)行濾波處理,保證進(jìn)入到下一級放大電路中的音頻信號的質(zhì)量;然后進(jìn)入到差動(dòng)放大電路部分進(jìn)行信號的放大(20~30倍),最后進(jìn)入到以L(fǎng)M4 766為主要的芯片的功率放大電路中,實(shí)現失真度極小的大功率音頻信號輸出。
    該高保真音頻功放器可以直接通過(guò)外面兩路音頻信號輸入,并通過(guò)判別音響中輸出的音頻信號的音質(zhì)來(lái)判斷該音頻功放器性能的好壞。作品使用簡(jiǎn)單,僅需加上電源,接上輸入音頻信號便可以輸出高保真音頻信號。

2 系統設計及原理分析
    設計并制作完成高保真音頻功率放大器,其設計中必須考慮對音頻信號的濾波以及低失真的放大問(wèn)題。為了有效地解決濾波問(wèn)題,設計了二階有源低通濾波電路,對輸入的音頻信號進(jìn)行處理;之后,采用差動(dòng)放大電路對信號實(shí)現音頻信號的放大,同時(shí),為了實(shí)現高保真的輸出,采用了美國NS公司推出的雙聲道大功率放大集成電路芯片LM4766,它可以達到每個(gè)聲道在8 Ω負載上輸出40 W平均功率的功放指標,而且失真小于0.1%,屬于高端的單片雙聲道音頻功率放大集成器件。LM4766能做到在人耳可聞頻段,在30 W功率輸出的情況下僅僅有0.06%的失真和雜訊值,配合前端的信號調理電路設計,LM4766能發(fā)揮很好的效果。另外,電路設計采用鍍金電路板,散熱性好,在系統性能上可以有良好的保障。
2.1 電源部分
    在電源電路部分,整流電路將交流電變成脈動(dòng)的直流電,而在整流電路之后接入一個(gè)較大容量的電解電容,利用其充放電特性,使整流后的脈動(dòng)直流電壓變成紋波系數較小的直流電壓。同時(shí),為了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產(chǎn)生較大變化,在電源的輸出端及負載的電源輸入端一般接有數十至數百微法的電解電容。電源電路如圖2所示。


2.2 差動(dòng)放大電路
    差動(dòng)放大電路能有效放大直流信號,而且能有效的減小由于電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。差動(dòng)放大電路原理圖如圖3所示。


    設計的差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對稱(chēng)的共發(fā)射極單管放大電路組成。該電路的輸入端是兩個(gè)信號的輸入,這兩個(gè)信號的差值,為電路有效輸入信號,電路的輸出是對這兩個(gè)輸入信號之差的放大。設想這樣一種情景,如果存在干擾信號,會(huì )對兩個(gè)輸入信號產(chǎn)生相同的干擾,通過(guò)二者之差,干擾信號的有效輸入為零,這就達到了抗共模干擾的目的。
    若差放的兩個(gè)輸入如圖,則它的輸出Vo為:
   


    式中:Ad是差模增益;Ac共模增益。
    若是為了提高信噪比,應提高差動(dòng)放大倍數,降低共模放大倍數。共模放大倍數Ac可用下式求出:
    Ac=2R1/(2Re)
    通常以差模增益和共模增益的比值即共模抑制比來(lái)衡量差分放大器抑制共模信號的能力:
    CMRR=Ad/Ac
    由上式可知,當共模增益Ae→0時(shí),CMMR→∞。Re越大,Ac就越低,共模抑制比也就越大。因此對于完全對稱(chēng)的差動(dòng)放大器來(lái)說(shuō),其Ac=0,故輸出電壓可以表示為:
   

    而如果共模放大倍數,即Va,Vb輸入相同信號時(shí)的放大倍數為0,則輸入噪聲對輸出沒(méi)有影響。要減小共模放大倍數,只需加大Re就行。
    由此可知,只要采用完全對稱(chēng)的差動(dòng)放大電路結構,即很好地實(shí)現了抑制零點(diǎn)漂移的功能,因此電路設計時(shí)采用了此種結構的差放電路。
2.3 有源二階濾波器LPF
    有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應的放大器。它是在運算放大器電路的基礎上增加一些R,C等無(wú)源元件而構成的。濾波器電路主要用來(lái)濾除信號中無(wú)用的頻率成分,提取出有用的頻率成分。例如,輸入的音頻信號里通常包含一些較高頻率成分信號的干擾,為了保證進(jìn)入下一級放大電路的音頻信號質(zhì)量,需要設計低通濾波器來(lái)抑制高頻成分干擾。低通濾波過(guò)程仿真示意圖如圖4所示。


    為了使輸出電壓信號在高頻段以更快的速率衰減,以提高音頻信號質(zhì)量來(lái)降低失真度,設計了二階有源RC低通濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好,能夠使高頻信號更快速的衰減。
    二階LPF的電路圖和幅頻特性曲線(xiàn)如圖5所示。


    (1)通帶增益
    當f=0時(shí),各電容器可視為開(kāi)路,通帶內的增益為:
    Avp=1+Rf/R1
    (2)二階低通有源濾波器傳遞函數
    根據圖5(a)可以看出:
   


    通過(guò)理想的二階有源RC低通濾波器的波特圖可以看出:在超過(guò)f0以后,幅頻特性以-40 dB/dec的速率下降,比一階有源RC低通濾波器衰減的要快,但在通帶截止頻率fp→f0之間幅頻特性的衰減還不夠快。
2.4 功放模塊
    為了達到音效的高保真,系統采用美國NS公司推出的雙聲道大功率放大集成電路芯片LM4766來(lái)設計功率放大電路,該集成塊內部具有完善的保護措施:過(guò)壓、欠壓、超載、高溫(165℃時(shí)輸出自動(dòng)關(guān)閉,155℃時(shí)自動(dòng)恢復工作)。因此采用LM4766能達到相當的安全性能。另外,LM4766內部的兩個(gè)聲道都具有獨立的靜音電路,并且分別通過(guò)引腳引出??梢酝ㄟ^(guò)關(guān)閉LM4766的輸入,使內部的功放沒(méi)有任何信號的輸出,而且這兩根引腳以一定方式連接后,能消除開(kāi)機過(guò)程中的沖擊。從datasheet上可以看到,LM4766的供電電壓范圍為10~30 V,并且在有足夠強的信號激勵時(shí),LM4766可以輸出40 W的功率來(lái)推動(dòng)揚聲器單元,此功率可以帶動(dòng)絕大部分日常生活中的多媒體揚聲器。同時(shí)用它去推動(dòng)中小型音箱,可以有效避免中小型音箱的音色容易出現單薄的不足,達到類(lèi)似電子管機的作用。以L(fǎng)M4766為主要的功放芯片,其電路原理圖如
圖6所示。



3 結語(yǔ)
    設計完成的高保真音頻放大器,具有以下四點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢:第一,在信號放大部分采用場(chǎng)效應管及運算放大器,其受外界的干擾性較小,穩定性較高;第二,音頻放大范圍較大,放大倍數可達到20~30倍,隨需要而進(jìn)行調節;第三,在功放部分,采用LM4766型芯片,其屬于甲乙類(lèi)放大器,其失真度較??;第四,采用鍍金電路板,導電性能好。設計中考慮到對音頻信號的濾波以及進(jìn)行低失真的放大問(wèn)題,采用了二階有源低通濾波電路和差動(dòng)放大電路對輸入的音頻信號進(jìn)行信號調理,使最終完成的高保真音頻放大器在信號放大倍數達到到32倍的情況下,能夠保證失真度小于0.1%,可以滿(mǎn)足對于音質(zhì)要求較高的場(chǎng)合的需要,具有很大的應用價(jià)值。

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