劉燕妮,隋俊傑,李 發表於 2020-12-15 11:46:00
本文設計了以AB類音頻功放集成晶片LM4766為主要元器件的高保真音頻功率放大器，其克服了A類音頻功率放大器效率低和B類音頻功率放大器信號容易產生交越失真的缺點，同時也克服了傳統音頻功率放大器推動中小型音箱時存在的音色單薄、纖弱的缺點，具有放大倍數高，工作穩定，失真度極小等優點，可廣泛應用於多種對音質要求較高的場合，如車載音響設備和KTV等場合。
1 系統方案
設計目的是製作一款高保真音頻功放器件，以實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、差動放大電路和功率放大電路集合而成。當音頻信號通過左右聲道輸入後，首先經過二階低通濾波器進行濾波處理，保證進入到下一級放大電路中的音頻信號的質量；然後進入到差動放大電路部分進行信號的放大（20～30倍），最後進入到以LM4 766為主要的晶片的功率放大電路中，實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外面兩路音頻信號輸入，並通過判別音響中輸出的音頻信號的音質來判斷該音頻功放器性能的好壞。作品使用簡單，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
設計並製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題。為了有效地解決濾波問題，設計了二階有源低通濾波電路，對輸入的音頻信號進行處理；之後，採用差動放大電路對信號實現音頻信號的放大，同時，為了實現高保真的輸出，採用了美國NS公司推出的雙聲道大功率放大集成電路晶片LM4766，它可以達到每個聲道在8 Ω負載上輸出40 W平均功率的功放指標，而且失真小於0．1％，屬於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能發揮很好的效果。另外，電路設計採用鍍金電路板，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的直流電，而在整流電路之後接入一個較大容量的電解電容，利用其充放電特性，使整流後的脈動直流電壓變成紋波係數較小的直流電壓。同時，為了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產生較大變化，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 差動放大電路
差動放大電路能有效放大直流信號，而且能有效的減小由於電源波動和電晶體隨溫度變化而引起的零點漂移問題。差動放大電路原理圖如圖3所示。
設計的差動放大電路由兩個完全對稱的共發射極單管放大電路組成。該電路的輸入端是兩個信號的輸入，這兩個信號的差值，為電路有效輸入信號，電路的輸出是對這兩個輸入信號之差的放大。設想這樣一種情景，如果存在幹擾信號，會對兩個輸入信號產生相同的幹擾，通過二者之差，幹擾信號的有效輸入為零，這就達到了抗共模幹擾的目的。
若差放的兩個輸入如圖，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，CMMR→∞。Re越大，Ac就越低，共模抑制比也就越大。因此對於完全對稱的差動放大器來說，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輸入相同信號時的放大倍數為0，則輸入噪聲對輸出沒有影響。要減小共模放大倍數，只需加大Re就行。
由此可知，只要採用完全對稱的差動放大電路結構，即很好地實現了抑制零點漂移的功能，因此電路設計時採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等無源元件而構成的。濾波器電路主要用來濾除信號中無用的頻率成分，提取出有用的頻率成分。例如，輸入的音頻信號裡通常包含一些較高頻率成分信號的幹擾，為了保證進入下一級放大電路的音頻信號質量，需要設計低通濾波器來抑制高頻成分幹擾。低通濾波過程仿真示意圖如圖4所示。
為了使輸出電壓信號在高頻段以更快的速率衰減，以提高音頻信號質量來降低失真度，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如圖5所示。
（1）通帶增益
當f=0時，各電容器可視為開路，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：
通過理想的二階有源RC低通濾波器的波特圖可以看出：在超過f0以後，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，系統採用美國NS公司推出的雙聲道大功率放大集成電路晶片LM4766來設計功率放大電路，該集成塊內部具有完善的保護措施：過壓、欠壓、超載、高溫（165℃時輸出自動關閉，155℃時自動恢復工作）。因此採用LM4766能達到相當的安全性能。另外，LM4766內部的兩個聲道都具有獨立的靜音電路，並且分別通過引腳引出。可以通過關閉LM4766的輸入，使內部的功放沒有任何信號的輸出，而且這兩根引腳以一定方式連接後，能消除開機過程中的衝擊。從datasheet上可以看到，LM4766的供電電壓範圍為10～30 V，並且在有足夠強的信號激勵時，LM4766可以輸出40 W的功率來推動揚聲器單元，此功率可以帶動絕大部分日常生活中的多媒體揚聲器。同時用它去推動中小型音箱，可以有效避免中小型音箱的音色容易出現單薄的不足，達到類似電子管機的作用。以LM4766為主要的功放晶片，其電路原理圖如
圖6所示。
3 結語
設計完成的高保真音頻放大器，具有以下四點技術優勢：第一，在信號放大部分採用場效應管及運算放大器，其受外界的幹擾性較小，穩定性較高；第二，音頻放大範圍較大，放大倍數可達到20～30倍，隨需要而進行調節；第三，在功放部分，採用LM4766型晶片，其屬於甲乙類放大器，其失真度較小；第四，採用鍍金電路板，導電性能好。設計中考慮到對音頻信號的濾波以及進行低失真的放大問題，採用了二階有源低通濾波電路和差動放大電路對輸入的音頻信號進行信號調理，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，能夠保證失真度小於0．1％，可以滿足對於音質要求較高的場合的需要，具有很大的應用價值。
責任編輯：gt
打開APP閱讀更多精彩內容
聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴