1、编号： 摘 要随着国家经济蒸蒸日上，现代科技不断发展，这些使人们在物质享受之余，也有了更多的精神享受的需要。其中之一：音乐，便是一种古老的享受形式。而高保真音响就是欣赏音乐的物质基础。本论文将以性价比为导向，兼顾基本的高保真的技术指标，讨论了适合初级发烧友的高保真功放。论文由浅至深，结合图示给出了高保真音响的相关知识，以及整个功放的工作过程的细节。同时还介绍了各个主要芯片自身的特点及如何去设计这个系统来满足一定的技术指标。论文尽可能通俗地来介绍高保真音响，让大家能从中学到基本的高保真音响的知识的同时，还能学会如何制作高保真音频放大器。在技术层面上，系统主要是采用集成芯片来完成的，因此对于一个初
2、级发烧友来说相对简单，这个设计中用到了 NE5532(曾经的“运放之皇”)做前置放大芯片，典型的增益为 20dB；用 NSC 公司的 LM1036 做音调芯片，通过改变直流控制电压来实现音调控制。后级功率放大部分用的也是 NSC 公司的一款经典芯片LM1875 芯片，用 4 片LM1875 驳接成了左右声道的 BTL 电路,以取得更大的功率以及更好的音效。在论文的后面部分，着重的讲述了制作和调试中遇到的软件、硬件上的问题以及如何解决，并给出了高保真音频放大器性能指标的国家标准测量方法。这些可以成为大家制作过程中的一些的提示以及测试的依据。关键词：高保真；集成芯片；BTL；音调控制Abstrac
3、tWith the development of our countrys economy and the modern technology. People no longer just enjoy the happy brought from material, they also learned to enjoy the spiritual things. For instance: Music, an old fashion of the enjoyments. And Hi-Fi(high fidelity) audio system is the very suitable int
4、ermedia for enjoying music.So this dissertation focused on the Hi-Fi amplifiers for those primary audiophiles on this field. It tried to let people cost less and at the same moment , get enough enjoyment from Hi-Fi amplifiers and satisfy those basic standards of Hi-Fi system. This dissertation prese
5、nted the ideas from easy to hard, and described the relative knowledge of the Hi-Fi audio system with those graphics and diagrams. It also wrote about the details of the whole working process of this design gradually. This dissertation also introduced those characteristics of those chips used in my
6、design, and how to realize those systems targets given .The dissertation tried to introduce Hi-Fi audio system commonly,and let you learn some basic knowledge of this Hi-Fi system, at the same time , eventually learn how to accomplish a Hi-Fi audio amplifier.Refer to the technology, IC was used to f
7、inish this graduate design, because its relatively easier for primary audiophiles to design a audio amplifier. The pre-amp is NE5532, which was ever called as “The KING of amplifiers“ ,and its typical gain is 20dB;LM1036 produced by NSC(National Semiconductor Company) was used here for tone adjustme
8、nt IC. And LM1036s tone control can be controlled by changing the DC control voltage. The second amplifier IC is LM1875, also made by NSC. It is very classical . Four LM1875 chips were used to make a BTL(Balanced Transformer Less) circuit of each channel to achieve more power and to make the whole s
9、ystems timbre to be better.The last paragraph of this dissertation, I mainly introduce some software and hardware problems I met during making the board and debugging, and how I solved those problems. Also I presented you the national standard test methods for audio amplifier characteristics. Hope t
10、hese can be your hints and help during your executing for audio amplifier.Key words: Hi-Fi; Integrated Circuit; BTL; Tone control目 录引言 .11 高保真音响系统 .11.1 高保真音响系统定义 .11.2 高保真音响系统组成 .22 高保真功率放大器 .32.1 功率放大器种类 .32.2 高保真功率放大器主要技术指标 .43 功放电源 .83.1 功放电源概述 .83.2 功放电源组成 .83.3 整流滤波电路 .103.4 稳压电路 .134 方案论证及阐述.
11、144.1 设计要求 .144.2 方案论证 .144.2.1后级放大器方案选定 .144.2.2前置放大器方案选定.144.2.3音调芯片方案选定.154.2.4电源方案选定.154.3 具体方案阐述 .154.3.1前级放大器方案阐述.154.3.2后级放大器方案阐述.194.3.3功放电源方案阐述.225 高保真功放制板.235.1 制板注意事项 .235.2 制板经验总结 .245.2.1制板步骤.245.2.2Protel99se的使用经验总结.255.2.3制板遇到的问题.266 功放调试.266.1 调试步骤 .276.2 模块调试 .276.2.1电源调试.276.2.2音调模
12、块调试.276.2.3前置放大模块调试.286.2.4后级功放模块调试.286.3 整体调试 .287 高保真功放性能指标测试.297.1 性能指标测试的必要性 .297.2 主要性能指标测试 .297.3 测试所用仪器 .327.4 测试结论 .328 总结.338.1 完成程度 .338.2 技术优点 .338.3 技术缺陷 .338.4 毕设感受 .33谢 辞.34参考文献.35附 录.36附录 1电路原理图 .36附录 2 PCB 图.39桂林电子工业学院毕业设计（论文）报告用纸 第 1页 共 40页 引言音乐是一种迷人的艺术，对于一些十几年前的旋律与歌词我仍然熟稔于心，难以忘怀，怀念
13、音乐给我的感觉。音乐这种传递人类感情的艺术形式，它是需要一种载体来表达，而最好表达的便是高保真音响，如实地还原音乐，表达音乐。让人们从完全真实的音乐重放中汲取音乐的灵魂。而今，科技发展，生活水平今非昔比，人们也欣赏水平也越高，大家越加追求音乐的还原性,所以音乐重放设备发展非常快。也就是我们所谈及的高保真音响系统。音乐重放设备的发展从 1877 年爱迪生发明留声机后，一直在不断地发展，重放设备由当年机械式录音/重播系统发展到现在的高科技数码系统，算到如今的话，进步可谓是翻天覆地。不过其间的发展不是很均匀的，但是还是取得了一定的进展。比如录放音以电动方式取代了机械方式，开始采用多极真空管等等。音乐
14、快速发展的时间是在 1927 年开始的，当时美国贝尔实验室公布了划时代的负反馈（负反馈，NFB）技术，声频放大器技术开始进入了一个新纪元。现在的音响技术可以说是到达了一个相当成熟的阶段，就如唐朝的古诗，宋朝的词一般。在技术如此成熟的环境下，从各种媒介能获得相当多的技术支持。为了培养自己的动手能力，结合自己的兴趣和一直以来对音乐的爱好，参考过相关电路后，设计并制作一个集成芯片 HIFI 音频功率放大器。设计制作过程中考虑到满足给定的技术指标，同时也尽量提高性价比。希望本论文能给发烧初级爱好者带来音响基本知识以及制作过程中的注意事项，要是能同时为普及音响事业的发展做一点点小推动就更好了。1 高保真
15、音响系统1.1 高保真音响系统定义谈及高保真(High Fidelity，简称 HiFi)音响系统来，我想很多音乐爱好者，或者说很多一般的人，都在各种媒体中看到或者听到过这概念，不过大家不一定知道做何解释。而且大部分音乐初级爱好者一定是非常好奇“高保真”这个概念的定义。为了给大家解惑。那么下面由专业术语来解释：美国 IEEE(电子与电机工程师协会)出的IEEE 名词术语词典一书对“HiFi 信号”的解释为 HiFi 信号是指使用性能最好的先进器件，如话筒、功率放大器、音箱或耳机之类来对信号进行传送。另外一种定义是如此：沈嚎先生等编撰的电声词典对“高保真度”的解释则指“用于评价高质量放声系统如实
16、重现原有声源特性的术语，它力求难确而如实地记录或重现节目的原有特性并在主观上不引起可分辨的畸变感觉。对高保真度的评价包含客观和主观两方面。前者是使放声的特性参数满足规定的技术指标，后者是让听者对音质进行综合性的主观评价。因此，高保真的概念不完全是原声和重放声在客观上桂林电子工业学院毕业设计（论文）报告用纸 第 2页 共 40页 一致，有时也指经必要的修饰加加工，按主观爱好来美化声音” 。因此，所谓 HiFi，是指“专门研究以最大的逼真度对原有声信号进行录音和重放的技术，以及为此而使用的音响器材和有关的技术测试方法和仪器” 。另外，所谓最大逼真度也不排除进行一些必要的修饰和美化(如对现场录音的剔
17、除噪声和仅保留一些鼓掌声和欢呼声)。但也有人对声音进行一些美化的做法持不同意见。他们认为高保真便是毫不走样而忠实地再现原有的信号，既不得有所失真又不得添加任何的东西，也即要保持原汁原味。其实，高保真音响的定义并不是那么重要的。我们可以思考这个问题，高保真音响，它为什么要是高保真呢。因为它可以让人们更加好的去享受音乐，去记录逝去的声音。那这本身就是一个主观的过程。其实是不是真实的还原音乐本身并不是重要的，我觉得音乐这种艺术给每个独立的不同的个人带来的一个享受的过程，它是非常重要的，我们不能单单从技术角度来评论对一种艺术的看法。高保真音响是一个相当综合的学科，也就是渗透型的学科，它综合了相当多的学
18、科在里面，比如模拟电路，信号处理，以及元器件的材料选择涉及到的材料学，还要对声音的各种运动、性质阐述的声学，还有设计中涉及到的模型处理等等，不一而足。下面将分类阐述。1.2 高保真音响系统组成总的来说，高保真音响分为三个很基本的部分：音源、功率放大器与音箱。 1.2.1音源音源是指重播声音时的信号源部分，一般都包括 CD 机、卡座、收音头、视盘机、LP 唱机、录像机等，这些器材的共同特点是，均可通过机器自身将存录于唱盘、卡带乃至空间电波中的信号转化为弱电信号播出，例如 CD 机可通过其内部电路将刻在 CD唱盘上的数码信号转化为模拟弱电信号，并从其输出端输出。音源送出的弱电信号，由于其电压处于毫
19、伏级，不能直接去推动音箱，所以，音源输出信号就必先要经过功放的放大，这就需要使用功放放大器。1.2.2功率放大器（1）前置放大器前置放大器位于后级功率放大器之前、信号源设备之后。它对改善整机特性，提高音质、音色，以尽可能以理想的方式将高纯度的音频信号进行切换、放大与处理并输入到功放级，具有极重要的作用。要达到高质量的放大，并能获得良好的信噪比，在前级放大器中对噪声的抑制是非常重要的。因为在输入 1mV 的音频信号(例如话筒信号)中，如果混有 0 .1mV 的轻微噪声，经过 1000 倍的放大，此噪声即可达到 0.1V，输入后级功率放大器后再经过放大，此噪声即会达到不能容忍的地步。因此，前级必须
20、采取各种有效措施，以清除微弱的噪声。其中信号源与前级之间桂林电子工业学院毕业设计（论文）报告用纸 第 3页 共 40页 一般均用屏蔽线进行连接。（2）后级功率放大器后级功率放大器的作用是将来自前置放大器的信号放大到足够能推动相应扬声器系统所需的功率。就其功能来说远比前置放大器简单，就其消耗的电源功率来说远比前置放大器大，因为功率放大的本质就是将交流电能“转化”为音频信号，当然其中不可避免地会有能量损失，其中尤以甲类放大和电子管放大器为甚。后级功放部分，是进行单纯功率的部分，它的作用就是尽可能地原原本本地放大来自于前级的信号，我们对后级的要求是，放大倍数尽可能地高，而放大后信号的失真程度应尽可能
21、地小。 1.2.3音箱音箱作为最终的还声设备，将放大后的电信号转换为声信号，传入我们的耳朵，一般来讲一只音箱中含多个扬声器单元。一对音箱，分左右两声道播放两路不同的信号构成立体声效果，最终将一个声场较为完整地展现于我们的面前。其实一个高保真音响，它是否让发烧友们满意还有很多因素，比如：前置放大器的输入线缆，放置音响的房间墙壁，房间形状，音箱之间的距离及摆位等等。不仅如此，就单线材，如果是非常发烧级的，就要几千人民币，不要说功放，音箱本身了。而能真正地欣赏高保真音响还需要一定的音乐素养。所以说高保真音响是一个生活水平上升之后的高级精神享受。2 高保真功率放大器由于高保真音响系统范围太过广泛，为了
22、达到论文的针对性和专业性，该论文只集中阐述高保真功率放大器。2.1 功率放大器种类如果按电路所用器材分类可以分为三种：电子管、晶体管和集成电路。2.1.1电子管放大器俗称“胆机” 。采用电子管作为放大级，主要优点是：动态范围大，线性好，音色甜美、悦耳温顺。电子管与晶体管的传输特性不同，两者有一定差异，如因信号过大发生激励（信号刺激超过承受范围）时，电子管波形变化较和缓，晶体管的则不大平滑，直接影响音质，又如电子管的放大多激发“偶次谐波” ，这些“偶次谐波”与音质无损，而晶体管放大器多激发“奇次谐波” ，会引起听感的不适。但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性，
23、二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大，还会导致失真，而且体积大，由于在汽车里面使用环境较为恶劣（高温、振动、电源等问题）从而很大程度限制了胆机在汽车音响系统中的使用，因此在市场上流通率并不高。2.1.2晶体管放大器桂林电子工业学院毕业设计（论文）报告用纸 第 4页 共 40页 与电子管功放相比，晶体管功放具有更高的可靠性和更长久的耐用性。由于末级采用严格对称的 OCL 互补推挽电路，进一步减少了因输出变压器而引起的种种噪声干扰、频响缺陷和谐波失真，从而令晶体管功放有极宽的频率响应（低频放大可直到直流信号，高频可延伸至听域极限）和极高的保真度（总谐波失真可轻易达到 0.001%）
24、 ，阻尼系数非常高，瞬态响应也较电子管功放优秀得多。声音清脆开扬，极具穿透力且力度十足。特别音乐的背景噪声音宁静达到寂静无声的至高境界。一般而言，晶体管音色较电子管硬朗、冲劲十足，最适合于人声、重金属打击乐、现代摇滚乐、迪斯科舞曲以及大动态的重播。它克服了电子管功放的两个缺点，一是阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感，力度上要比胆机明快、爽朗、有力；二是无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。晶体管放大器是现时市场上汽车音响功率放大器的主流产品，品种繁多，档次齐全，是车主选用的主要产品。2.1.3集成电路放大器它的最突出优点是可靠性高，外围电路简单，
25、组装方便，占用空间比较小，而且保护电路都内置了，一般情况下不会发生烧毁器件的问题，不足之处是电声指标（功率、频响、失真度、信噪比等）和音质皆不如分立元件组成的放大器， 但是现在随着集成芯片的进一步发展，差别也是越来越小了。2.2 高保真功率放大器主要技术指标2.2.1频率响应在众多技术指标中，频率响应是最为人们所熟悉的一种规格。一部分放大器而言。理论上只需要做到 20 至 20000HZ 频率响应频率就已足够，但是真正的乐音中含有的泛图 2.1 ：放大器的通频带音（谐波）是有可能超越这个范围的，虽然这些谐波，人类的耳朵根本就感觉不到，但是人类还是可以通过其他的途径感知到这些谐波的存在。加上为了
26、改善瞬态反应的表现，所以对放大器要求有更高的频率响应范围，例如从 10 Hz100 KHz 等。习惯上对频率响应范围的规定是：当输出电平在某个低频点下降了 3 分贝，则该点为下限频率，同样在某个高频点处下降了 3 分贝，则定为上限频率。 按照一般的规定，高保真桂林电子工业学院毕业设计（论文）报告用纸 第 5页 共 40页 功率放大器的频率响应为 20Hz20kHz（3dB） 。如图 2.1 所示。2.2.2谐波失真任何一个自然物理系统在受到外界的扰动后大都会出现一个呈衰减的周期性振动。举例来说，一根半米长两端固定的弦线在中间受到弹拨的话，会产生一个 1 米波长的振动波，称为基波。弦线除了沿中心
27、点作大幅度摆动外，线的本身也人作出许多肉眼很难察觉的细小振动，其频率一般都是比基波高，而且不止一个频率。其大小种类由弦线的物理特性决定。在物理学上这些振动波被称为谐波（Harmonics） 。为了方便区别，由乐器所产生的谐波常称为泛音（Overtone） 。谐波除了由信号源产生外，在振动波传播的时候如果遇上障碍物而产生反射，绕射和折射时同样是会产生谐波的。无论是基波或谐波本身都是“纯正”的正弦波（注：正弦波是周期性函数，由正半周和负半周组成，但决不能将其负半周称为负弦波）但它们合成在一起时却会产生出许多奇形怪状的波形。 放大器的线路充满着各种各样电子零件，接线和焊点，这些东西或多或少都会降低放
28、大器的线性表现，当音乐信号通过放大器时，非线性特性会使音乐信号产生一定程度的扭曲变形，根据前述理论这相当于在信号中加入了一些谐波，所以这种信号变形的失真被为谐波失真。谐波失真并非完全一无是处，胆机的声音之所以柔美动听，原因之一是胆机主要产生偶次谐波失真。即频率是基波频率 2、4、6、8倍的谐波。在 40 年代时，有许多较“小型”的收音机故意加入相当程度的二次谐波失真。目的是制造“重低音”去取悦消费者。2.2.3信噪比信噪比（Signal Noise Ratio）是指信号通过音频设备后增加的各种噪声（如低频哼声、感应交流声、咝咝声等）于指定信号电平的 dB 差值，或信号幅度与噪声幅度之比，由于值
29、比较大，一般用分贝来表示其值，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，此时称为噪声电平（这实际上也是一个用电压来计算的信噪比数值，只不过分母是一个固定的数：0.775V，而分子则是噪声电压） 。由于信噪比和功率或者是电压成对数关系，要提高信噪比的话便要大幅度地提高输出值和噪声值之比，举例来说，当信噪比为 100dB 时，输出电压是噪声电压的一万倍，以电子线路来说，这并不是一件容易的事。下面将列出信噪比的数值计算公式：设噪声信号功率(或电压)为 PN(VN)，有用信号的额定输出功率(或电压)为 Ps(Vs)，则定义信噪比 SN 为：SN20lg (Ps/ P)= 20lg (V s/ V) 一台放大器如有高的信噪比意味着背景宁静，由于噪声电平低，很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使空气感加强，动态范围增大。放大器的信噪比一般来说
