高保真音频功放器设计

摘要：针对高品质音频的需求，设计了一种高保真音频放大器。该音频放大器主要由信号放大电路、功率放大电路和有源滤波电路组成，其中信号放大部分采用场效应管及运算放大器。其受外界的干扰性较小，稳定性较高，放大倍数可达到20～30倍，随需要而进行调节。功放部分采用LM4766型芯片，采用差动放大电路对信号实现音频信号的放大，失真小于百分之零点一。滤波电路采用了二阶有源低通滤波电路，对输入的音频信号进行处理。该设计的音频功率放大器具有失真度小、增益可调、体积小等特点，具有较高的实用价值。
关键词：音频功放；LM4766；甲乙类放大器；高保真

    本文设计了以AB类音频功放集成芯片LM4766为主要元器件的高保真音频功率放大器，其克服了A类音频功率放大器效率低和B类音频功率放大器信号容易产生交越失真的缺点，同时也克服了传统音频功率放大器推动中小型音箱时存在的音色单薄、纤弱的缺点，具有放大倍数高，工作稳定，失真度极小等优点，可广泛应用于多种对音质要求较高的场合，如车载音响设备和KTV等场合。

1 系统方案
    设计目的是制作一款高保真音频功放器件，以实现对音频信号的高保真输出。系统总体框图如图1所示。

    系统主要由二阶低通滤波电路、差动放大电路和功率放大电路集合而成。当音频信号通过左右声道输入后，首先经过二阶低通滤波器进行滤波处理，保证进入到下一级放大电路中的音频信号的质量；然后进入到差动放大电路部分进行信号的放大(20～30倍)，最后进入到以LM4 766为主要的芯片的功率放大电路中，实现失真度极小的大功率音频信号输出。
    该高保真音频功放器可以直接通过外面两路音频信号输入，并通过判别音响中输出的音频信号的音质来判断该音频功放器性能的好坏。作品使用简单，仅需加上电源，接上输入音频信号便可以输出高保真音频信号。

2 系统设计及原理分析
    设计并制作完成高保真音频功率放大器，其设计中必须考虑对音频信号的滤波以及低失真的放大问题。为了有效地解决滤波问题，设计了二阶有源低通滤波电路，对输入的音频信号进行处理；之后，采用差动放大电路对信号实现音频信号的放大，同时，为了实现高保真的输出，采用了美国NS公司推出的双声道大功率放大集成电路芯片LM4766，它可以达到每个声道在8 Ω负载上输出40 W平均功率的功放指标，而且失真小于0．1％，属于高端的单片双声道音频功率放大集成器件。LM4766能做到在人耳可闻频段，在30 W功率输出的情况下仅仅有0．06％的失真和杂讯值，配合前端的信号调理电路设计，LM4766能发挥很好的效果。另外，电路设计采用镀金电路板，散热性好，在系统性能上可以有良好的保障。
2．1 电源部分
    在电源电路部分，整流电路将交流电变成脉动的直流电，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成纹波系数较小的直流电压。同时，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生较大变化，在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容。电源电路如图2所示。

2．2 差动放大电路
    差动放大电路能有效放大直流信号，而且能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化而引起的零点漂移问题。差动放大电路原理图如图3所示。

    设计的差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成。该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。设想这样一种情景，如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。
    若差放的两个输入如图，则它的输出Vo为：
   
    式中：Ad是差模增益；Ac共模增益。
    若是为了提高信噪比，应提高差动放大倍数，降低共模放大倍数。共模放大倍数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来衡量差分放大器抑制共模信号的能力：
    CMRR=Ad／Ac
    由上式可知，当共模增益Ae→0时，CMMR→∞。Re越大，Ac就越低，共模抑制比也就越大。因此对于完全对称的差动放大器来说，其Ac=0，故输出电压可以表示为：
   
    而如果共模放大倍数，即Va，Vb输入相同信号时的放大倍数为0，则输入噪声对输出没有影响。要减小共模放大倍数，只需加大Re就行。
    由此可知，只要采用完全对称的差动放大电路结构，即很好地实现了抑制零点漂移的功能，因此电路设计时采用了此种结构的差放电路。
2．3 有源二阶滤波器LPF
    有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器电路的基础上增加一些R，C等无源元件而构成的。滤波器电路主要用来滤除信号中无用的频率成分，提取出有用的频率成分。例如，输入的音频信号里通常包含一些较高频率成分信号的干扰，为了保证进入下一级放大电路的音频信号质量，需要设计低通滤波器来抑制高频成分干扰。低通滤波过程仿真示意图如图4所示。

    为了使输出电压信号在高频段以更快的速率衰减，以提高音频信号质量来降低失真度，设计了二阶有源RC低通滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好，能够使高频信号更快速的衰减。
    二阶LPF的电路图和幅频特性曲线如图5所示。

    (1)通带增益
    当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为：
    Avp=1+Rf／R1
    (2)二阶低通有源滤波器传递函数
    根据图5(a)可以看出：
   
    通过理想的二阶有源RC低通滤波器的波特图可以看出：在超过f0以后，幅频特性以-40 dB／dec的速率下降，比一阶有源RC低通滤波器衰减的要快，但在通带截止频率fp→f0之间幅频特性的衰减还不够快。
2．4 功放模块
    为了达到音效的高保真，系统采用美国NS公司推出的双声道大功率放大集成电路芯片LM4766来设计功率放大电路，该集成块内部具有完善的保护措施：过压、欠压、超载、高温(165℃时输出自动关闭，155℃时自动恢复工作)。因此采用LM4766能达到相当的安全性能。另外，LM4766内部的两个声道都具有独立的静音电路，并且分别通过引脚引出。可以通过关闭LM4766的输入，使内部的功放没有任何信号的输出，而且这两根引脚以一定方式连接后，能消除开机过程中的冲击。从datasheet上可以看到，LM4766的供电电压范围为10～30 V，并且在有足够强的信号激励时，LM4766可以输出40 W的功率来推动扬声器单元，此功率可以带动绝大部分日常生活中的多媒体扬声器。同时用它去推动中小型音箱，可以有效避免中小型音箱的音色容易出现单薄的不足，达到类似电子管机的作用。以LM4766为主要的功放芯片，其电路原理图如
图6所示。

3 结语
    设计完成的高保真音频放大器，具有以下四点技术优势：第一，在信号放大部分采用场效应管及运算放大器，其受外界的干扰性较小，稳定性较高；第二，音频放大范围较大，放大倍数可达到20～30倍，随需要而进行调节；第三，在功放部分，采用LM4766型芯片，其属于甲乙类放大器，其失真度较小；第四，采用镀金电路板，导电性能好。设计中考虑到对音频信号的滤波以及进行低失真的放大问题，采用了二阶有源低通滤波电路和差动放大电路对输入的音频信号进行信号调理，使最终完成的高保真音频放大器在信号放大倍数达到到32倍的情况下，能够保证失真度小于0．1％，可以满足对于音质要求较高的场合的需要，具有很大的应用价值。