#第十届立创电赛#模拟功放 - 立创电子设计大赛

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第十届立创电子设计开源大赛

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GPL 3.0

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描述

<div> 本项目是一个基于两颗LM1875功率放大集成电路构建的双声道（立体声）高保真音频功率放大器。包含了完整的双极性电源供电、完善的滤波与退耦网络、标准的放大电路以及完善的保护机制。该设计在追求高音质的同时，也注重了制作的便利性和整机的稳定性，元件选型体现了在关键位置追求品质、在通用位置保证可靠的成本与性能平衡策略。 <h3 style="line-height:1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr> 本项目旨在实现一台具备完整前端输入、高质量放大和稳定后端驱动能力的立体声音频功率放大器。其核心功能是将来自音源的微弱音频信号进行无失真、高保真地放大，以驱动扬声器还原出清晰、有力、动态丰富的声音。 具体功能分解如下： 一、核心放大功能 立体声（双声道）高保真功率放大 设备内置两个完全独立的音频通道（左声道和右声道），分别由一颗LM1875芯片（U3, U4）进行驱动。能够同时接收和处理立体声音源的两个声道信号，实现身临其境的立体声回放效果。 实现基础：两颗LM1875T放大芯片、对称的左右声道电路设计（包括输入、反馈、输出网络）。 提供额定输出功率 在标准供电电压下（如±18V至±25V），每声道能够持续输出20瓦以上的RMS功率（取决于电源和散热），足以驱动大多数书架式音箱和中高效率的落地箱，在家庭环境中提供充足的音量。 二、信号处理与控制功能 高精度模拟音量控制 通过前面板的200kΩ双联电位器（R1），用户可以平滑、同步地调节左右声道的音量大小。由于采用了ALPS高品质电位器，能有效保证调节过程中左右声道的平衡度和低噪声。 用户价值：提供直观、精确且手感良好的音量控制体验。 音频信号输入与切换 通过机箱上的3.5mm立体声输入接口（CN1），方便地连接智能手机、电脑、平板、MP3播放器等各类便携式音源设备。 注：这是一个单输入设计。功能专注于对一个音源的高质量放大。 三、电源管理与供电功能 外接直流电源适配器支持 通过背板的DC-007B电源输入接口（U5），接受外置的直流电源适配器供电（建议使用交流双输出如AC18V-0-AC18V的环形变压器+整流滤波后供电，或高品质的开关电源），使整机设计更加简洁安全。 高效、纯净的电源滤波与储能 大容量储能：4颗6800uF的“大水塘”电容（C4， C8, C12, C17）为功放输出大动态音乐时提供充沛的瞬时电流，避免电压跌落，保证低频的力度和控制力。 多级退耦：由1000uF， 10uF， 100nF等电容构成的多级滤波网络，分别针对不同频段的电源噪声进行滤除，确保供给放大芯片的电源极其纯净，从而提升信噪比和声音的清晰度。 高频噪声抑制：330uH功率电感（L1）能有效抑制来自开关电源适配器的高频噪声，进一步净化电源。 整机电源控制 通过机械电源开关（SW1）控制整机的通电与断电，并配有电源指示灯（POW LED），直观显示工作状态。 四、保护与接口功能 扬声器保护与稳定 “茹贝尔”网络：由1Ω电阻（R7， R14）和相应电容组成，用于抵消扬声器音圈感性负载的影响，防止放大器在高频段产生自激振荡，确保工作稳定。 芯片内置保护：LM1875芯片内部集成了过载保护、短路保护和热关断功能，在输出过载、短路或温度过高时自动限制电流或关闭输出，保护芯片和扬声器。 可靠的扬声器连接 通过5.08mm间距的接线端子（CN4， CN5）连接音箱线。这种端子接触可靠，能承受较大的电流，并方便使用香蕉插头、裸线或Y型插头进行连接。 高效热管理 为每颗LM1875芯片配备了专用的铝制散热器（U1， U2），通过传导和对流将芯片工作时产生的热量及时散发到空气中，确保功放在连续大功率输出下仍能稳定工作，不因过热而触发保护。 <h3 style="line-height:1.8;">*2、项目属性</h3> 首次公开状态：本项目为首次公开 获奖情况：截至目前，项目尚未参与任何正式比赛或评奖活动 <h3 style="line-height:1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr> GPL3.0 <h3 style="line-height:1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr> 一、系统框架：<img src="//image.lceda.cn/pullimage/oRWqYLW070lQTO5VYvSh0VrQMm7gbcp47OhiePFO.png" alt="oRWqYLW070lQTO5VYvSh0VrQMm7gbcp47OhiePFO.png"> 本硬件系统采用经典的双声道立体声架构，由电源供应、左右声道功率放大、信号输入与控制三大核心模块组成。 设计思想： 供电先行，能量充沛：采用“大水塘”+多级滤波的强力电源设计，为良好音质打下坚实基础。 对称布局，声道独立：两个声道在电路和PCB布局上完全对称，以获得最佳的声道分离度。 关键路径，优质用料：在音频信号路径和电源滤波关键节点，使用高性能元件以提升整体性能。 安全稳定，保护周全：集成芯片内置及外围电路保护，确保功放和扬声器安全。 二、核心模块硬件设计详解 1. 电源供应模块 目标：为两个放大声道提供稳定、纯净、低噪声的双极性直流电源（如±Vcc）。 实现方案： <ul> <li>输入接口：采用HC-DC-007B (U5) 标准直流插座，兼容市售常见电源适配器。</li> <li>储能滤波（核心）：</li> <li>主滤波：使用4颗Rubycon 6800μF (C4, C8, C12, C17) 电解电容，两两一组分别用于正负电源臂。其巨大的容量提供了强大的能量缓冲和低频纹波抑制能力。</li> <li>次级滤波：每组电源臂再经过一颗Rubycon 1000μF (C1, C5) 电容，进一步平滑电压。</li> <li>高频退耦：在靠近LM1875电源引脚的位置，布置Rubycon 10μF (C9, C13, C14, C18) 电解电容和WIMA 100nF (C3, C7) 薄膜电容，分别为中频和高频噪声提供到地的低阻抗通路。</li> <li>噪声抑制：在电源总入口串联一颗330μH (L1) 功率电感，与电容构成π型滤波器，有效抑制来自外部开关电源的高频噪声。</li> <li>设计要点：此多级滤波网络确保了即使在动态极大的音乐信号下，电源电压也保持稳定，噪声极低。</li> </ul> 2. 功率放大模块（每声道一套） 目标：将输入的音频信号进行高保真、低失真的电压和电流放大，以驱动扬声器。 实现方案： <ul> <li>核心IC：LM1875T (U3, U4)，接成典型同相放大器电路。</li> <li>输入耦合：采用WIMA 1μF (C2, C6) 薄膜电容，其优异的频率特性和低损耗保证了输入信号品质。220nF (C11, C16) 电容可能用于高频补偿或与电阻构成高通滤波器。</li> </ul> 反馈网络： <ul> <li>增益由反馈电阻（如BOM中的22kΩ (R3, R10) 和到地的200kΩ (R8, R15) 等）的比值设定。使用精度较高的0805贴片电阻保证一致性。</li> <li>反馈网络中包含电容，用于限制电路带宽，抑制超音频噪声。</li> <li>“茹贝尔”网络：在输出端串联1Ω (R7, R14) 电阻和一个小容量电容（图中未在BOM体现，典型值为0.1μF），用于稳定放大器，防止高频振荡。</li> </ul> 散热设计： <ul> <li>散热器：为每颗LM1875配备16.5x16x25mm (U1, U2) 铝制散热器。</li> <li>安装：LM1875通过导热硅脂紧贴散热器安装，利用其TO-220封装的自带安装孔，用螺丝牢固固定在散热器上。</li> <li>原理：将芯片内部产生的热量传导至散热器，通过对流和辐射散发到空气中。这是保证持续输出功率不因过热保护而下降的关键硬件设计。</li> </ul> 3. 信号输入与控制模块 目标：接收音源信号，并提供用户音量控制接口。 实现方案： <ul> <li>输入接口：采用PJ-342B 3.5mm立体声插座 (CN1)，为标准音频线提供可靠连接。</li> <li>音量控制：使用ALPS 200kΩ双联电位器 (R1)。其双联结构确保能同步调节左右声道。高品质的碳膜和滑动触点提供了平滑的调节手感和长寿命，有效减少调节噪声和声道不平衡。</li> </ul> 4. 输出与连接模块 目标：提供与扬声器的可靠、低损耗连接。 实现方案：使用KF2EDGR-5.08-2P (CN4, CN5) 大间距接线端子。该端子可接入较粗的音箱线，并能承受功放输出的大电流，连接牢固可靠。 三、 PCB设计考量 <ul> <li>地线设计：采用星型接地或单点接地策略。将电源地、输入信号地、输出地分开走线，最后在滤波电容的接地端汇合，以避免地线噪声耦合，确保信噪比。</li> <li>电源走线：电源线（正、负、地）应尽可能短而宽，以减小线路阻抗和寄生电感。</li> <li>信号路径：输入信号线应远离输出大电流线和电源部分，以减少电磁干扰。</li> <li>散热设计：在PCB上，LM1875的安装位置应预留足够的空间和开孔，以便散热器能无障碍地伸出或安装在机箱上。LM1875的金属背板与PCB之间应留有间隙。</li> <li>元件布局：退耦电容（100nF， 10μF）必须紧靠LM1875的电源引脚放置。</li> </ul> 四、硬件选型 rationale ( rationale ) <ul> <li>电容：主滤波和次级滤波选用Rubycon品牌，因其在高温、高频下性能稳定，寿命长。信号通路选用WIMA薄膜电容，因其介质损耗低，声音表现清晰、准确。</li> <li>电位器：选用ALPS，是音质和可靠性的保证，避免了廉价电位器带来的噪声和声道不平衡问题。</li> <li>电感：选用Sunltech的功率电感，其饱和电流高，能有效滤除电源噪声而不引入失真。</li> </ul> 五、原理图<img src="//image.lceda.cn/pullimage/eDe28PK1KJLHYGJygkOVdiVTVSeWGR1cXdGsw3xz.png" alt="eDe28PK1KJLHYGJygkOVdiVTVSeWGR1cXdGsw3xz.png"> 六、PCB <img src="//image.lceda.cn/pullimage/idcKqpldolhF3nEW5nVBjHRqGSHzZ0unGbV47Mpk.png" alt="idcKqpldolhF3nEW5nVBjHRqGSHzZ0unGbV47Mpk.png"> <h3 style="line-height:1.8;">*5、软件部分</h3> <hr> 无 <h3 style="line-height:1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/KLlE1ybX79xdQCjxZ9R1uSErWpQs7CqPxyWuHlGR.png" alt="KLlE1ybX79xdQCjxZ9R1uSErWpQs7CqPxyWuHlGR.png"> <h3 style="line-height:1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/JOZR0TD8BYU9XNk7G7xHEA4lQU8G3TaYi9vjRqe7.jpeg" width="897" height="673" alt="JOZR0TD8BYU9XNk7G7xHEA4lQU8G3TaYi9vjRqe7.jpeg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/qSSRkV0iUVNOa5LHIqllJ1fChruCrBC7l7S0H0kO.png" alt="qSSRkV0iUVNOa5LHIqllJ1fChruCrBC7l7S0H0kO.png"> <h3 style="line-height:1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr> <a href="/posts/42551e8f2f2548cabc1c36626a42da94" target="_blank">前往查看更多详情＞</a> </div>