摘要：針對(duì)高品質(zhì)音頻的需求，設(shè)計(jì)了一種高保真音頻放大器。該音頻放大器主要由信號(hào)放大電路、功率放大電路和有源濾波電路組成，其中信號(hào)放大部分采用場(chǎng)效應(yīng)管及運(yùn)算放大器。其受外界的干擾性較小，穩(wěn)定性較高，放大倍數(shù)可達(dá)到20～30倍，隨需要而進(jìn)行調(diào)節(jié)。功放部分采用LM4766型芯片，采用差動(dòng)放大電路對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)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(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行處理。該設(shè)計(jì)的音頻功率放大器具有失真度小、增益可調(diào)、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；甲乙類放大器；高保真

    本文設(shè)計(jì)了以AB類音頻功放集成芯片LM4766為主要元器件的高保真音頻功率放大器，其克服了A類音頻功率放大器效率低和B類音頻功率放大器信號(hào)容易產(chǎn)生交越失真的缺點(diǎn)，同時(shí)也克服了傳統(tǒng)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(shù)高，工作穩(wěn)定，失真度極小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于多種對(duì)音質(zhì)要求較高的場(chǎng)合，如車載音響設(shè)備和KTV等場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)方案
    設(shè)計(jì)目的是制作一款高保真音頻功放器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的高保真輸出。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)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(dāng)音頻信號(hào)通過左右聲道輸入后，首先經(jīng)過二階低通濾波器進(jìn)行濾波處理，保證進(jìn)入到下一級(jí)放大電路中的音頻信號(hào)的質(zhì)量；然后進(jìn)入到差動(dòng)放大電路部分進(jìn)行信號(hào)的放大(20～30倍)，最后進(jìn)入到以LM4 766為主要的芯片的功率放大電路中，實(shí)現(xiàn)失真度極小的大功率音頻信號(hào)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(hào)輸入，并通過判別音響中輸出的音頻信號(hào)的音質(zhì)來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(hào)便可以輸出高保真音頻信號(hào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理分析
    設(shè)計(jì)并制作完成高保真音頻功率放大器，其設(shè)計(jì)中必須考慮對(duì)音頻信號(hào)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(shè)計(jì)了二階有源低通濾波電路，對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行處理；之后，采用差動(dòng)放大電路對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的放大，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高保真的輸出，采用了美國(guó)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(dá)到每個(gè)聲道在8 Ω負(fù)載上輸出40 W平均功率的功放指標(biāo)，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?lì)l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(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，LM4766能發(fā)揮很好的效果。另外，電路設(shè)計(jì)采用鍍金電路板，散熱性好，在系統(tǒng)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(shù)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(fù)載變化而產(chǎn)生較大變化，在電源的輸出端及負(fù)載的電源輸入端一般接有數(shù)十至數(shù)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(hào)，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)漂移問題。差動(dòng)放大電路原理圖如圖3所示。

    設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)稱的共發(fā)射極單管放大電路組成。該電路的輸入端是兩個(gè)信號(hào)的輸入，這兩個(gè)信號(hào)的差值，為電路有效輸入信號(hào)，電路的輸出是對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)之差的放大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號(hào)的有效輸入為零，這就達(dá)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(yīng)提高差動(dòng)放大倍數(shù)，降低共模放大倍數(shù)。共模放大倍數(shù)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(hào)的能力：
    CMRR=Ad／Ac
    由上式可知，當(dāng)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(duì)于完全對(duì)稱的差動(dòng)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(shù)，即Va，Vb輸入相同信號(hào)時(shí)的放大倍數(shù)為0，則輸入噪聲對(duì)輸出沒有影響。要減小共模放大倍數(shù)，只需加大Re就行。
    由此可知，只要采用完全對(duì)稱的差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)，即很好地實(shí)現(xiàn)了抑制零點(diǎn)漂移的功能，因此電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了此種結(jié)構(gòu)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(yīng)的放大器。它是在運(yùn)算放大器電路的基礎(chǔ)上增加一些R，C等無源元件而構(gòu)成的。濾波器電路主要用來濾除信號(hào)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(hào)里通常包含一些較高頻率成分信號(hào)的干擾，為了保證進(jìn)入下一級(jí)放大電路的音頻信號(hào)質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)低通濾波器來抑制高頻成分干擾。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(hào)在高頻段以更快的速率衰減，以提高音頻信號(hào)質(zhì)量來降低失真度，設(shè)計(jì)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(hào)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(dāng)f=0時(shí)，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益為：
    Avp=1+Rf／R1
    (2)二階低通有源濾波器傳遞函數(shù)
    根據(jù)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(dá)到音效的高保真，系統(tǒng)采用美國(guó)NS公司推出的雙聲道大功率放大集成電路芯片LM4766來設(shè)計(jì)功率放大電路，該集成塊內(nèi)部具有完善的保護(hù)措施：過壓、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(fù)工作)。因此采用LM4766能達(dá)到相當(dāng)?shù)陌踩阅?。另外，LM4766內(nèi)部的兩個(gè)聲道都具有獨(dú)立的靜音電路，并且分別通過引腳引出?？梢酝ㄟ^關(guān)閉LM4766的輸入，使內(nèi)部的功放沒有任何信號(hào)的輸出，而且這兩根引腳以一定方式連接后，能消除開機(jī)過程中的沖擊。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(qiáng)的信號(hào)激勵(lì)時(shí)，LM4766可以輸出40 W的功率來推動(dòng)揚(yáng)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(yáng)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(xiàn)單薄的不足，達(dá)到類似電子管機(jī)的作用。以LM4766為主要的功放芯片，其電路原理圖如
圖6所示。

3 結(jié)語
    設(shè)計(jì)完成的高保真音頻放大器，具有以下四點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：第一，在信號(hào)放大部分采用場(chǎng)效應(yīng)管及運(yùn)算放大器，其受外界的干擾性較小，穩(wěn)定性較高；第二，音頻放大范圍較大，放大倍數(shù)可達(dá)到20～30倍，隨需要而進(jìn)行調(diào)節(jié)；第三，在功放部分，采用LM4766型芯片，其屬于甲乙類放大器，其失真度較??；第四，采用鍍金電路板，導(dǎo)電性能好。設(shè)計(jì)中考慮到對(duì)音頻信號(hào)的濾波以及進(jìn)行低失真的放大問題，采用了二階有源低通濾波電路和差動(dòng)放大電路對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使最終完成的高保真音頻放大器在信號(hào)放大倍數(shù)達(dá)到到32倍的情況下，能夠保證失真度小于0．1％，可以滿足對(duì)于音質(zhì)要求較高的場(chǎng)合的需要，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。