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(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(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(guò)外面兩路音頻信號(hào)輸入，并通過(guò)判別音響中輸出的音頻信號(hào)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(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(guò)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(lái)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(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(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(wú)源元件而構(gòu)成的。濾波器電路主要用來(lái)濾除信號(hào)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(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(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(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(lái)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(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(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(lái)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(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(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(guò)引腳引出?？梢酝ㄟ^(guò)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(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(qiáng)的信號(hào)激勵(lì)時(shí)，LM4766可以輸出40 W的功率來(lái)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(yǔ)
    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，其失真度較小；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。