25W×2 LM1875功放製作

    許多音響音樂愛好者往往對IC功放不屑一顧。他們認為Hi-Fi功放非分立元件設計製作不可。其實，這種看法有失偏頗。誠然，分立元件功放的性能和音質確實非IC功放可比。但這是從終極的性能和音質以及不計成本為前提的說法。
    事實上，現行業餘設計製作的不少分立元件功放的性能和音質，由於沒有測試儀器，其性能究竟達到什麼水平很難說。由於沒有測試儀器參與調試，同樣的一個放大電路，其性能因製作水平而異，有時更不可同日而語。
    再說，在成本相當的條件下，要設計出一款性能和音質優於IC功放的分立元件功放，對專業設計師來說決非易事，對業餘愛好者來說更是難上加難。而採用IC製作功放，其基本性能是易於保證的，可收事半功倍之效。
    因此我們認為，若以學習設計和鑽研放大器技術為主要目的，製作分立功放是必由之路。如果以欣賞音樂為主要目的而又不想購買商品功放者，顯然以製作IC功放是首選。長期以來，有不少IC功放就是為Hi-Fi而設計的，它們失真低，工作穩定可靠，元件少，成本低，容易製作。其音質完全能夠滿足Hi-Fi欣賞要求，配合電腦欣賞音樂，無論性能還是音質更是綽綽有餘。
    本文向讀者介紹採用LM1875製作25W ×2功放的應用設計考慮及製作技巧和主要測試性能，幫助大家用好LM1875。
    LM1875是美國國家半導體公司(NS)在十多年前推出的性能優異的單片集成功率放大器件。它的主要參數見附表。
附表 LM1875主要參數
 
     NS公司推薦的典型應用電路如圖1所示。
 
圖1 LM1875應用電路
    用±30V供電時，8 Ω負載上最大輸出功率可達30W。用±25V供電時，在4 Ω或8 Ω負載上，20W輸出時總諧波失真為0.015％。IC晶元內具有短路保護、過熱保護、限流保護等功能，工作安全可靠。例如，晶元溫度達到170℃，過熱保護即開始工作，當溫度降至145℃則重新進入正常工作。但如果溫度再度升高時，在達到150℃ (而不是最初開始的170℃)過熱保護便開始啟動。
    LM1875採用小巧的TO-220封裝、共5根引腳，正面外形如圖2所示。其背面為晶元自帶的一塊小散熱板，為外裝大散熱片提供足夠而良好的熱接觸面積。在本電路中應用時，兩者之間必須墊以電絕緣片，以防短路。實際上LM1875自帶的小散熱板是與負電源端子-UE(引腳3)相通的。所以只有當LM1875採用單電源供電時，-UE才接地，因而LM1875與外裝的大散熱片之間無需墊絕緣片。

一. 電路簡介
    整機電路如圖3所示，包括左、右聲道放大電路和共用的電源、開關機延時電路。
 
1.放大電路
    由於目前環境的電磁干擾日益嚴重，為了避免撿拾高頻干擾雜訊影響放音質量，因此在輸入端子處接入R501、C501，限制不必要的通帶寬度，防止輸入導線像天線一樣接收雜散干擾信號。
    輸入信號經音量控制後進入IC放大電路。IC外圍電路元件是通過試驗之後確定下來的。它與圖1推薦電路的主要區別是負反饋迴路去掉了隔直電容(22uF)。或者說，圖1推薦電路採用AC(交流)放大形式，而圖3應用電路則更接近DC (直流)放大形式。通過試驗發現，採用AC放大形式時，輸出失調電壓有50mV，經過數秒鐘之後才消失。而去掉負反饋隔直電容后，卻沒有發現輸出失調現象，這表明，採用這種“准”DC放大形式是可行的。這樣一來，低頻響應只取決於IC同相輸入端的隔直電容，把它的容量提高到47uF，低頻截止頻率下降到0.2Hz，幾乎具有放大直流信號的能力。
    圖1電路IC輸出端的RC串聯網路(1 Ω和0.22 uF)是相位補償元件。為了取得更穩定的工作條件，圖3電路中添加了一隻補償電感(0.7 uH)。由於該電感的加入，可使上述RC網路中的R值取得較大，而減小C值，即改用10Ω和0.01 uF。補償電感L1可用漆包線在直徑為φ12mm的圓棒上繞7T脫胎而成。安裝在印板上后應塗布膠水以防線匝振動影響音質。
    在本機輸出的揚聲器端子處接有串聯的RC元件(1000pF和100 Ω)，作用是防止輸出信號通過揚聲線饋線反射回來。

2.開關機延時電路
    開關機時IC輸出端會出現DC電位而產生雜訊，故需要加入一個開關機延時保護電路(見圖3中間部分電路)。其工作過程簡單說明如下。
    圖中左邊D201、D202、C205對電源變壓器二次側12V ×2繞組作全波整流和濾波，取得的直流電壓單獨為保護電路供電。其中Q202和Q203晶體管則由穩壓IC201穩定后供電。接通電源開關后瞬間，0201～Q203三管的集電極都加上了供電電壓，但它們的導通情況則不同。
    首先注意到Q201的基極之前接有兩隻大容量電解電容器，因此開機的瞬間Q201基極電壓為0而處於截止狀態。但因Q201集電極即Q202的基極處於高電位而使Q202導通，(其集電極供電電路中串入的紅髮光二極體LED501發光)。與此同時，由於Q202導通，其集電極電位即Q203
基極電位很低，不足以使Q203導通，故繼電路RL201未吸合，即LM1875輸出端處於斷路狀態。
    經過約5秒鐘后，Q201基極電位因電容不斷充電而上升到一定程度后開始導通，引起Q202截止，因其集電極電位升高而使Q203導通，繼電器RL201吸合，LM1875輸出信號即加到揚聲器輸出端子上，使外接揚聲器放音。同時串於Q203集電極供電電路中的綠髮光二極體LED502發光，而紅髮光二極體LED501熄滅，表示整機進入正常狀態。LM1875的最大輸出電流可達3A，因此應該選擇具有相應觸點電流容量的繼
電器RL201。

3.電源電路
    本機電源十分簡單。左、右聲道共用一隻電源變壓器和一組整流濾波網路。也許有發燒友認為，採用左、右獨立電源效果更好。不過實際情況不一定如此簡單，因為採用兩組電源時，也常因地線處理比較複雜，不易確定的影響因素頗多，效果不盡如人意。因此本機共用一組電源反而簡單易於處理。如果處理得當，注意布線，效果也不錯。為此希望注意以下各點。
    首先，電源變壓器二次側繞組容量不小於AC 20V ×2/1A。從音質考慮本機實際使用24V ×2/2A的變壓器，取其20V×2抽頭使用。實際效果是8 Ω負載下(1kHz、雙聲道同時工作)可輸出25W ×2功率。20Hz時也可達23W × 2。
    整流二極體D101一般可取4A的橋堆，本機採用6A電流容量的。
    濾波電容器選用4700 F/35V的已足夠。當然，容量大，有利於提高低頻輸出功率。不過4700 F/35V的電解電容器的外形尺寸看起來顯得小了些。出於心理作用，本機選用6800 F/35V的，看起來稍顯“霸氣”，令人信心十足。
    還要注意一點，本機所用電源變壓器二次側兩個繞組應該相互獨立。換言之，其中心抽頭應該在線包外可以分開的，這是為了適應本機地線布線的要求。
    最後，在電源變壓器一次側安排了3個電源插座，這是為配合本機使用的其他音響設備提供交流電源所用。如果覺得3個過多，可以省去一二個，但切勿全部省去。這種布置在Hi-End功放中很常見，主要目的是減小音響設備之間的環路干擾。

二 製作調試
    如上所述，本機雖是一個功率並不大的小製作，但是製作中的“門道”並不少。以往這類IC功放，電源和左、右聲道功放一般是合用一塊印刷電路板，有的甚至把保護電路也放在一起。本機從音質考慮共用4塊印板(如圖4、圖5所示)。其中電源、保護電路各一塊，左、右聲道也各一塊。放大部分印板為25mm×75mm，整流部分為50mm ×75mm，保護電路印板為45mm ×75mm。LM1875要安裝帶翼片的散熱片，它的長度與印板長度相同，翼片的寬和高約為40mm (根據機箱大小盡量取大一些)。先設法把印板固定到散熱片上，再把散熱片固定到
金屬機箱的底板上，利用底板進一步加大散熱面積，如圖6所示。
 
圖4 功率放大器和電源部分印板
 
圖5 保護電路印板
 
    本機接線主要是地線的布置十分重要，務必參照圖3進行。本機有兩個接地點。信號地安排在左、右聲道信號輸入端子處。為此，可在靠近輸入端子之間安排一小接線支架，接線支架的固定螺絲與後面板之間用一銅箔墊片作為接地焊片，銅箔片與底板之間務必確保徹底清潔，然後用螺絲加以緊固。R501、C501、C502和R502就裝在支架和接地片上。輸入信號屏蔽線也在此接地。音量電位器接地引腳應通過屏蔽線(外層)與印板地相連。
    第二個接地點—電源地安排在本機輸出端之間。具體做法同上。C503、R503、C504和R504直接安裝在支架與接地片上。另外，整流濾波電容C101和C102外殼(“一”端)不應與底板有電氣接觸，它們要用兩根較粗軟線與電源地相連。電源變壓器中心抽頭(0V點)也應分別用兩根較粗軟線與電源地相連。保護電路印板地線也要用線接到電源地。總之，務必按圖3N示地線接地方式布線。這樣才能較好減小信號和電源、左右聲道地線之間的串擾。

三.性能和音質
    以往製作IC功放，尤其是LM1875這種功率不很大的功放，都不很注意測試其性能。雖說IC功放的性能主要由晶元本身來保證，但實際性能究竟達到了什麼水平往往並不了解。因此，如果實測性能與晶元本身性能差距較大，往往不是去檢查應用設計中是否存在問題，而是怪罪IC本身音質本來就有什麼問題。這當然並不公平。
    本機實測增益27dB，兩個聲道同時工作，輸入635mV時，8Ω負載上輸出14.2V，合輸出功率為25W。圖7為頻率響應，從5Hz～50kHz完全平直，150kHz時為－1.5dB。
 
圖7 頻率響應                                                                                                  圖8 總諧波失真曲線
    圖8為總諧波失真曲線(左聲道，右聲道與此十分相似)。20W輸出時20Hz、1kHz和20kHz失真基本上<0.1％，十分優良。在削波之前這些失真基本上是二次諧波分量。可以說，LM1875的設計是相當優秀的。
   圖9是方波響應，上面為輸入波形，下面為輸出波形。左面為純阻負載，右邊為0.47u容性負載。可見穩定性很高。
    當本機連續輸出正弦波功率超過20W時，晶元內過熱保護功能及時啟動，從而形成間歇輸出狀態。不過實際的音樂信號屬於非連續信號，即使瞬時功率超過20W ，保護電路也不致啟動，因而不會影響音樂信號的連續放音。曾用調頻廣播電台之間的雜訊連續驅動本機檢測各處溫升情況。在室溫27℃ 、輸出電壓±15Vp-p的條件下，LM1875本身散熱板處溫度為82℃，整流橋堆的溫度為50℃，電源變壓器上部溫度為38℃，三端穩壓IC上部溫度為45℃。然後加大輸入雜訊信號(音量電位器向右旋)使本機輸出進入削波狀態，過熱保護啟動后，輸出連續3秒鐘，然後停止1秒鐘，以此反覆，但不會引起上述各點溫度的變化。在一般正常聆聽條件下，LM1875本身散熱板溫度大致只上升到55℃左右。由此可見，本機工作時穩定性和安全性是沒有問題的。
    測試了本機輸出雜訊。在輸入不加信號的情況下，音量電位器開到最大，左聲道輸出端子出現400 uV雜訊電壓。通過觀察波形發現是交流聲成分。用手觸摸輸入信號線，上述雜訊電壓未變化。右聲道的輸出雜訊一般較低，約350 uV。這顯然來自電源變壓器漏磁的影響。由於右聲道離電源變壓器較遠，感應也較少。如果把電源變壓器移到機外並旋轉90°，左右輸出雜訊電壓即降至180 uV，且波形中交流聲成分消失。
    還用銅箔對電源變壓器線包加以雙層短路屏蔽，雜訊降低效果不十分明顯。綜上所述，在這樣的小型機箱內，要想進一步減小雜訊是比較困難的。
    本機音質通透流暢，低頻表現令人印象深刻。這與電源充沛和採用了“准”DC放大形式有很大關係。本機曾帶到友人家去試聽。當友人家的前、后級放大器的后級切換到本機時，音量是輕了些(前級音量電位器未變)，但是只要把本機音量電位器加大一些，即能欣賞到響度充分的音樂節目。而且在前、后級放大器中聽到的聲音，切換本機后，想聽的聲音都能聽得到。
    總之，只要25W ×2的功率輸出能夠滿足使用要求，LM1875的聲音是能夠滿足大多數音樂愛好者欣賞Hi-Fi音樂要求的。