车载章频功率放大器设计.doc

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 毕业设计_车载章频功率放大器设计摘 要 电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展，随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断更新。功率放大器在家电、数码产品中的应用也越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果,是促使消费者购买产品的一个重要因素。音频功率放大器作为音响等电子设备的后级放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时音频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。 目前，音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品，模拟功放经历了数十年的不断改进和完善，其技术已发展到了顶峰。模拟类功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两类。按功放静态工作点的设置可分为类放大，/类放大和C类放大三种。晶体管功放的最大优点是电源转换效率高（C类功放最大可达55%）、体积小、重量轻、发热量不大、生产成本低。缺点是转换速率低、偶次谐波失真较大。音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率、更小的体积、更轻的重量、更多的功能和智能化方向发展。本文介绍了音频功率放大器构成、功能、及工作原理等。音频功率放大器从电路从结构上来分有，OTL，OCL，BTL。采用LM1875和TDA1521放大是构成本产品主要部件，接下来将设计方案原理制成PCB板，通过原理图及所要元件焊接电路板，在对电路板进行测试最终完成设计任务。关键词：LM1875功率芯片 音频功率放大器 PCB 车载AbstractElectronic information technology has dominated the appliance industry is almost the development of electronic technology, with the development of the design in power amplifier functions are constantly updated. Power amplifier, digital products in home appliance and more extensive application, and our daily life is closely. As standard of living rise, people pay more and more attention to visual and audio enjoyment. In most cases, enhance the system performance, such as sound effect, it is better to consumers to buy the product is one of important factors. Audio power amplifier as acoustics electronic equipment level amplifier circuit after, its main function is to the audio signal before class to promote the work load power amplifier, obtain good effect. While audio amplifier is acoustics acoustic equipment, the main part of the power consumption.At present, audio amplifier with analog amplifier is still the mainstream products, experienced decades of amplifier improvement continuously, the technology has already developed into peak. Such amplifier is simulated based on linear amplification, power amplifier device has tubes and two classes. Transistor According to the set point static amplifier can be divided into A kind of amplifier, A/B class C amplifier amplification and three. The biggest advantage is the transistor amplifier power conversion efficiency (C amplifier can 55%), small volume, light weight, low calorific value, production cost. Conversion rate is low, the shortcoming is harmonic distortion. Quality and reliability indexes are slightly inferior tube amplifiers. With the improvement of transistor manufacturing technology and the application of new technology, and the practicability and reliability indexes are greatly improved index, and constantly to more power output, smaller, lighter weight, volume, and more functions and intelligent direction.The paper introduces the audio power amplifier structure, functions, and the work principle, etc. Audio amplifier circuit structure from up from there, OTL, OCL portion, BTL. Using LM1875 and TDA1521 amplifier is the main component that constitute the product design scheme, PCB principle diagram and wanted by welding circuit, in the component circuit design test finally。Keywords: LM1875 power chips audio amplifier PCB vehicle V目 录前 言1第一章概 述211音响的相关知识简介21.1.1 声音的基本特性嗍31.1.2 音响的结构及参数31.1.3放大器技术指标31.2 音频放大器分类41.2.1 A 类（甲类）放大器51.2.2 B 类（乙类）放大器61.2.3 AB 类（甲乙类）放大器71.2.4 D 类（丁类）放大器81.2.5 AB 类放大器与D 类放大器效率比较91.2.6 总结10第二章 车载功率放大器的设计112.1设计要求：122.2设计过程122.2.1 拟定总体方案：122.3 单元电路的设计142.3.1前置放大级142.3.2音调控制级16第三章 核心元器件的介绍253.1 LM1875的参数简介253.2 LM1875的工作原理：253.3 LM1875的电路特点26第四章 电路设计244.1 稳压电源的设计244.2典型应用电路254.3双电源功率放大器原理图264.4双电源音频功率放大器PCB图26第五章 PCB的制作335.1 对元器件的前期准备335.2 Sch原理图应注意常见问题345.3 PCB设计中应注意的问题355.4焊盘应注意的常见问题37第六章 总 结38参考文献39ii前 言 随着车载娱乐系统的发展，对功放部分的要求也越来越高：大功率、高效率（低散热）、多通道、高保真、智能诊断及保护功能。传统的AB 类功放已经很难满足这些要求，所以功放的发展趋势是在D类功放的基础上，改善EMC性能、降低失真度，并支持数字音源输入。新兴的全数字音频放大器对数字音源输出的音频信号进行直接处理和放大，可以方便地实现高保真、高效率和低成本的音频放大器，因而可以为数字音源、音频处理和功率放大的整合设计提供了完整的端到端数字解决方案具有推动音箱的能力。车载音频系统对于功放多通道，高效率，低失真，智能化的要求，使功放模块设计人员在设计功放的时候要面临如下的技术挑战：如何在有限的散热空间内，实现大功率，多通道输出；如何监控功放芯片本身的工作状态，保证功放芯片在过温，过压，过流情况下不受损害；选择怎样的滤波电路，使功放模块通过EMI检测，不干扰其他模块工作，尤其是不对收音模块产生车载功放是车载娱乐系统中不可缺少的一个功能模块。其作用是将音频输入的信号进行选择与入处理，进行功率放大，使电信干扰小。 本文介绍了音频功率放大器构成、功能、及工作原理等。音频功率放大器从电路从结构上来分有，OTL，OCL，BTL。采用LM1875和TDA1521放大是构成本产品主要部件，接下来将设计方案原理制成PCB板，通过原理图及所要元件焊接电路板，在对电路板进行测试最终完成设计任务。第一章 概 述功率放大电路主要实现信号电压和电流的放大，以便送到执行机构中去完成某种任务，如使扬声器发声、继电器动作或仪表指示等。功率放大器是一种十分常用的电子电路，广泛应用于家庭影院、音响系统、立体声唱机、乐器系统、车载娱乐系统、手机、掌上电脑以及LCD监视器、LCD投影仪等电子系统。本论文的研究主要涉及车载音频功率放大器的设计及仿真。 11音响的相关知识简介1.1.1 声音的基本特性嗍音量：它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听觉的主观感觉。音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”有关，其对应人耳的听觉范围为：20H乃以0KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于20K称为超声，人耳对3KHz4KHz的声音最敏感。音色：又叫音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，偶次谐波少，声音冷艳，清丽。1.1.2 音响的结构及参数音响由前置放大器和功率放大器构成。前置放大器承担控制任务为主，对各种声音源信号进行选择和处理，对微弱信号放大到O5VlV，进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器，承担放大任务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。功率放大器有电压放大和电流放大之分，对其要求是输出的声音宏亮而不失真。1.1.3放大器技术指标1额定功率：音频放大器输出失真度小于某一数值(r1)的最大功率称为额定功率，表达式：Po-U02RL，uo为负载两端的最大不失真电压，RL为额定负载阻抗。测量条件：可以利用信号发生器输出频率为lKHz，电压UI_20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)，输入端接uI，逐渐增大输入电压uI，直到Uo的波形刚好不出现谐波失真(rC33，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（a）和图4（b）所示： 图2-4 低频提升与衰减电路增益为：A（j）=-(RP31+R32)/R31*1+(j)/2/1+(j)/1式中：1=1/（RP31*C32）， 2=（RP31+R32）/（RP31*R32*C32）当ffL1时，C32可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R34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)/R31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*（/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2-5所示： 图2-5 高频等效电路电阻关系式为： Ra=R31+R31+（R31R31/R32）Rb=R34+R32+（R34R32/R31）Rc=R31+R32+（R32R31/R34） 若取R31=R32=R34， 则上式为：Ra=Rb=Rc=3R32=3R34高频提升与衰减的等效电路如下图6所示： 图2-6 高频提升与衰减电路 增益函数表达式为：=- 式中， 时，视为开路，电压增益AV0=1（0dB）。在f=fH1时 AV3=AV0 此时电压增益AV3相对于AV0高3dB 。在f=fH2时， AV4=AV0此时电压增益 AV4相对于AV0提高了17dB。当时，视为端路，此时电压增益 AVH=（Ra+R33）R33同理可以得图示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。又已知，由计算式得： ，则 ； ，则 AVL=（RP31+R32）/R3120dB其中，R31，R32，RP31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽视。但也不能太小，否则流过它们的电流将超过运放的输出能力。通常取几千欧姆至几百千欧姆。现取RP31=470K，则AVL=（RP31+R32）/R31=11（20.8dB） 取标称值0.01，即取 R34=R31=R32=47K，则 ， 取标称值 ， 取标称值470PF 取， ，级间耦合电容2.3.3功率放大级电路形式的选择:芯片选用LM1875，而一个LM1875的输出功率最大只能达到20W，已能满足本课题的设计要求,故本设计采用单片LM1875。如果要把输出功率提高到50W，可选择BTL电路，按照如下方法进行设计:BTL电路它是在OTL电路和OCL电路的基础上发展起来的新型功率放大电路，其工作原理如下： 图2-7 双端推挽放大电路 BTL电路属于双端推挽放大电路，它由四管组成电桥电路，图中对角管同时导通，互为推挽。负载上输出正负半周波形。BTL电路可以采用单电源供电，且不需要输出电容，这不仅克服了输出电容的影响，也免除了两组电压对称性的苛刻要求。BTL的两组对角管轮流导通，互为推挽，在每个信号半周内能利用全部电源电压（除去饱和压降），同单端电路相比，在相同电源电压和相同负载时，前者的输出功率为后者的4倍；换言之，如果负载和输出功率相同，BTL电路对所用的晶体管的耐压要求可比单端电路降低一半，因此，它有易于输出大功率而不损坏输出管的优点。目前常见的BTL电路大多是由两个独立的单端推挽电路拼合而成（多见于集成电路），其信号分相是先将信号送入第一个单端电路，放大后经电阻分压再送到第二个单端电路，这样不仅会把单端电路的缺陷带入放大器，而且还会将第一个单端电路的畸变信号经过第二个单端电路放大而进一步加重，因此其特性必然不好。由BTL的工作原理及特点可知，要满足输出功率为50W的要求，可用两个LM1875组成BTL电路，要想获得好的输出特性，关键是要获得BTL电路所需的两个大小相等，相位相反的音频信号。通过查询资料（3），可知，可以用一个倒相电路来提供此信号。如下图所示： 图2-8倒相电路 图中VT组成的单管放大电路没有电压放大作用，它采用分压式偏置供给VT关静态工作电流，从集电极和发射极输出的音频信号大小分别为IcRc和IeRe，由于IcIe，Rc=Re，所以两路的信号大小相等而极性相反，可将它们分别通过电容耦合到BTL 电路的两个同乡相输入端。则功率放大电路如下图所示：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:16-May-2003Sheet of File:F:MyDesign.ddbDrawn By:IN+1IN-235out4LM1875(1)AIN+1IN-235out4LM1875(2)AC40110uC40210uC40310uC40410uC40510uR4011KR4021KR40320KR40420KC40722uC40922uC41122uC41322uC406220uC408220uC410220uC412220u-30v+30VT1NPNRb112KRb210KRc4KRe4KLS1RL7+30v 图2-9 BTL功率放大电路 3. 元件参数的计算与选取（1）反馈网络电阻值的选取 LM1875的增益为26dB，即有：所以有： ，通常取=1K左右， 则=20K。（2）隔直电容，应满足在下限频率上（）的阻抗远小于R1，取=10。电源旁路电容：， 第三章 核心元器件的介绍3.1 LM1875的参数简介 LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。 LM1875主要参数： 电压范围： 1660V 静态电流： 50mA 输出功率： 50W 谐波失真： 0.02%，当f=1kHz，RL=8，P0=20时 额定增益： 26dB，当f=1kHz时 工作电压： 25V 转换速率： 18V/S LM1875极限参数： 电源电压(Vs) 60 V 输入电压(Vin) -VEE-Vcc V 工作结温(Tj) +150 存储结温(Tstg) -65-+150 3.2 LM1875的工作原理：LM1875功放板由一个高低音分别控制的衰减式音调控制电路和LM1875放大电路以及电源供电电路三大部分组成，音调部分采用的是高低音分别控制的衰减式音调电路，其中的R02，R03，C02，C01，W02组成低音控制电路；C03，C04，W03组成高音控制电路；R04为隔离电阻，W01为音量控制器，调节放大器的音量大小，C05为隔直电容，防止后级的LM1875直流电位对前级音调电路的影响。放大电路主要采用LM1875，由1875，R08，R09，C06等组成，电路的放大倍数由R08与R09的比值决定，C06用于稳定LM1875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C07，R10的作用是防止放大器产生低频自激。本放大器的负载阻抗为416。为了保证功放板的音质，电源变压器的输出功率不得低于80W，输出电压为2*25V，滤波电容采用2个2200UF/25V电解电容并联，正负电源共用4个2200UF/25V的电容，两个104的独石电容是高频滤波电容，有利于放大器的音质。3.3 LM1875的电路特点LM1875功率较TDA2030及TDA2009都为大，电压范围为1660V。不失真功率为20W（THD=0.08%），THD=1%时，功率可达40W（人耳对THD10%一下的失真没什么明显的感觉），保护功能完善。笔者是一个不错的选择。 其接法同TDA2030相似，也有单双电源两种接法。LM1875是美国国家半导体