音響放大器設計與制作

1、 課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目:音響放大器設計與制作 初始條件：雙運算放大器LM358，音頻功放芯片TDA2030，電阻若干， 電容若干，二極管若干，喇叭一個等等 要求完成主要任務：利用分離元件或集成電路制作一個音響放大器，可以放大話筒信號或毫伏級音頻信號。設計的主要指標：（1） a輸出功率：0.5W； b負載阻抗：4歐姆； c頻率響應：fLfH=50Hz20KHz； d 輸入阻抗：>20K歐姆； e整機電壓增益： >50dB；（2）電路要求有獨立的前置放大級（放大話筒信號）;（3）電路要求有獨立的功率放大級。時間安排: 1、十六周布置課程設

2、計任務、選題；講解課設具體實施計劃與課程設計報告格試的要求；課設答疑事項。 2、十九周提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目 錄第1章 .緒論.4 1.1引言.4 1.2音頻功率放大器概述.4第二章.設計方案選擇.5 2.1方案的選取 .5 2.1.1放大電路設計.5 2.1.2音量控制器的設計.6 2.1.3音頻放大電路的設計.6 2.1.4輸入穩(wěn)壓源的選取.6 2.1.5混響部分的處理.7 2.2主要元件介紹.7 2.2.1 LM324的介紹.7 2.2.2 TDA2030的介紹.9第三章.設計與安裝 .103.1 整

3、體框圖 . .103.2 話音放大器與混合前置放大器的設計 .11 3.3 功率放大電路的設計 .12第四章.仿真 .13 4.1 單獨話放性能測試.134.2 單獨功放性能測試.154.3 整體電路的性能測試 .164.4 仿真中的問題及解決方法 .18第五章.安裝與制作 .18 5.1焊接技術 . .18 5.1.1焊接注意事項 . .18 5.1.2電路板安裝及焊接.19 5.1.3電路板和元器件檢查.19 5.2調(diào)試 .20第六章.心得體會.21原件清單.22參考文獻.22 第一章. 緒論1.1引言 伴隨著科學技術的迅速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對音頻功率放大器的要求越來越高。音頻

4、是多媒體中的一種重要媒體。人能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是 60Hz-20kHz 其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。 如何通過分析儀器讓音頻功放達到更高的要求是許多人為之努力的永恒的課題，聲音經(jīng)過模擬設備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成數(shù)字音頻，音頻分析就是以數(shù)字音頻信號為分析對象以數(shù)字信號處理的各種理論為分析手段，提取信號在時域，頻域內(nèi)一系列特性的過程。 本文基于所學知識模擬制作音響功率放大器，踐實所學知識掌握程度，并通過對所學知識來制造和改進相關產(chǎn)品，實際動手的過程中遇見了很多問題，但是在老師的指導和幫助下解決相應的問題。同時在與同組

5、人的討論學習過程中加強可團隊意識的培養(yǎng)，加強了相互間協(xié)調(diào)合作的能力，從而高質(zhì)、高效的完成本項任務。1.2 音頻功率放大器概述 音響技術的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應管四個階段。1906年美國的德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了揉電聲技術的先河。1927年貝爾實驗室發(fā)明了負反饋NFB（Negative feedback）技術后，使音響技術的發(fā)展進入了一個嶄新的時代，比較有代表性的如“威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設計Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介紹了一種成功運用負反饋技術，成為了Hi-Fi史上一個重要的里程碑。 60年代由于晶體管的出現(xiàn)

6、，使功率放大器步入了一個更為廣闊的天地。晶體管放大器細膩動人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動態(tài)范圍等特點，各種電路也相應產(chǎn)生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 無輸出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶體管放大技術的應用已相當成熟，各種新型電路不斷出現(xiàn)，如：較成功地解決了負反饋電路的瞬態(tài)失真和高頻相位反轉(zhuǎn)問題的無負反饋放大電路；成功地將甲、乙放大器的優(yōu)點結(jié)合在一起的超甲類放大電路；具有輸出功率大、失真小的電流傾注式放大電路等等。從而使晶體管放大器成為音響技術發(fā)展中的主流。在60年代初，美國首先推出音響技術

7、中的新成員集成電路，到了70年代初，集成電路以其質(zhì)優(yōu)價廉、體積小、功能多等特點，逐步被音響界所認識。發(fā)展至今，厚膜音響集成電路、運算放大集成電路被廣泛用于音響電路。 第二章. 設計方案選取2.1方案的選擇2.1.1 放大電路設計 方案一：采用uA741運算放大器設計電路，uA741通用高增益運算通用放大器，早些年最常用的運放之一。應用非常廣泛，雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工做電壓±22V，差分電壓±30V，輸入電壓±18V，允許功耗500mW。 方案二：采用LM324通用四運算放大器，雙列直插8腳封裝，它內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放

8、相互獨立。它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放，輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 方案選?。簎A741是通用的放大器，性能不是很好，滿足一般要求，而LM324四運算放大器具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，本設計放大倍數(shù)不高，LM324能達到f=10KHz的頻響要求，故選用LM324四運放大器。2.1.2 音量控制器的設計 由于話筒信號可以相應的進行大小調(diào)節(jié)即在輸入的時候就可

9、調(diào)節(jié)，因此就不再音量調(diào)節(jié)部分。 2.1.3音頻放大電路設計 方案一：采用SL34集成功率放大器，SL34是低電壓集成音頻功效，功耗低、失真小，工作電壓為6V，8負載時，輸出功率在300mW以上。主要用于收音機記其他功放。 方案二：LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機中。LM386電源電壓4-12V，音頻功率0.5W。LM386音響功放是由NSC制造的，它的電源電壓范圍非常寬泛，最高可使用到15V，消耗靜態(tài)電流為4mA，當電源電壓為12V時，在在8歐姆的負載情況下，可提供幾百mW的功率。他的典型輸入

10、阻抗為50K。 方案三：TDA2030芯片外接元件非常少，輸出功率大，Po=18W(RL=4)，采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度，開機沖擊極小，內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。DA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。方案選?。罕菊n題要求音響放大器的輸入功率在5W以上，然而LM386達不到這種功率，故選用TD

11、A2030.頻率響應最低到最高為50Hz到20kHz；二點電源供電音頻功率放大器已經(jīng)達到所需要的指標。并且他較少的元件組成單聲道音頻放大電路、裝置調(diào)整方便、性能指標好等特點，而BTL電路雖然也具有以上的功能，但制作復雜，不利于維修。 2.1.4輸入穩(wěn)壓源的選取 由于音響放大器的設計主要是運算放大部分還有音頻放大部分，所以可以不做電源，用其他同學設計做好的直流穩(wěn)壓源或者用直接買的直流穩(wěn)壓電源就可以了。2.1.5混響部分的處理由于資金還有時間等因素，發(fā)揮部分的混響部分就不做了，對輸出結(jié)果沒有多大的影響。所以就省去不做。 圖2-1 電路整體框圖由于實際問題，所以最后實施的電路框圖如下： 圖2-2 音

12、頻功率放大器組成框圖2.2 主要元件介紹 2.2.1 LM324的介紹 LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；

13、Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見下圖。 圖2-3 LM324引腳圖 圖2-4 LM324實物圖 LM324的特點：1.短跑保護輸出。2.真差動輸入級。3.可單電源工作：3V-32V。4.低偏置電流：最大100nA。5.每封裝含四個運算放大器。6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴展到負電源。 8.行業(yè)標準的引腳排列。9.輸入端具有靜電保護功能。LM324的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-5： 典型原理圖 偏置電路對 （所示為電路的四分之一） 輸出 四個放大器共用 圖2-5 LM324內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 LM324系列采用兩個內(nèi)部補償，二級運算放大器，每個運

14、放的第一級由帶輸入緩沖晶體管Q21和Q17的差動輸入器件Q20和Q18，以及差動到單端轉(zhuǎn)換器Q3和Q4。第一級不僅完成第一級增益的功能，而且要完成電平移動和減小跨導的功能。由于跨導的減小，僅需使用一個較小的補償電容（僅0.5pF），從而就可以減小芯片尺寸，跨導的減小可由將Q20和Q18的極電集分離而實現(xiàn)。該輸入級的另一特征是，在單電源工作模式下，輸入共模范圍包含負輸入和地，無論是輸入器件或者差動到單端變換器都不會飽和，第二級含標準電流源負載放大器級。2.2.2 TDA2030的介紹 TDA2030A是德律風根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1所示，按引腳的形狀引可

15、分為H型和V型。該集成電路廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內(nèi)部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。電路特點：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。 4.開機沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護電路，主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。6.TDA2030A能在最低±6V最高±

16、22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。TDA2030引腳情況如下圖:1腳是正相輸入端2腳是反向輸入端3腳是負電源輸入端4腳是功率輸出端5腳是正電源輸入端。 圖2-6 TDA2030引腳圖 第三章 設計與安裝3.1 整體框圖 圖3-1 電路整體框圖3.2 話音放大器的設計 由于放音機的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達到20k(亦有低輸出阻抗的話筒如20，200等)，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達到10kHz)。其輸入阻抗應遠大于話筒的輸出阻抗。圖4-

17、3所示電路由話音放大器與圖4-4混合前置放大器兩級電路組成，其中U1A組成同相放大器，具有很高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話音放大器電路，其放大倍數(shù)A=1+R5/R1=20。 U2A作反相放大器。電路中電容C1、C3是用作噪聲去耦合的，可以用小體積大容量的鉭電容或普通電解電容，一般選為10F。耦合電容的作用是阻止前后兩級電路的信號相互干擾影響，并且不會影響信號的傳遞 。 圖3-2 話音放大器電路 3.3 功率放大電路的設計 功率放大器，簡稱“功放”。很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務，這時就要在主機和播放設備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個

18、音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。當負載一定時，希望其輸出的功率盡可能大，其輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高，功放的常見電路有OTL(Output Transformerless)電路和OCL(Output Capacitorless)電路。有用集成運算放大器和晶體管組成的功放，也有專用集成電路功放。TDA2030A是SGS公司生產(chǎn)的單聲道功放IC，該IC體積小巧，輸出功率大，最大功率到達40W左右；并具有靜態(tài)電流?。?0mA以下），動態(tài)電流大（能承受3.5A的電流）；負載能力強，既可帶動4-16的揚聲器，某些場合又可帶動2

19、甚至1.6的低阻負載；音色中規(guī)中舉，無明顯個性，特別適合制作輸出功率中等的高保真功放等諸多優(yōu)點。 圖3-3 功放設計電路電路最關鍵的為話放和功放部分。由上述兩種電路得整個電路的電路圖及各元件參數(shù)如圖3-4： 圖3-4 整體電路圖 第四章 仿真 首先在仿真軟件中按照原理圖所示的電路圖在仿真軟件中連接出電路圖，連接好以后打開仿真按鈕的開管看是不是有問題，有問題進行更改，沒有問題就進行如下仿真操作。 4.1單獨話放性能測試 單獨話放性能測試的電路圖和波形圖分別為圖4-1、圖4-2，仿真結(jié)果為單獨話放放大性能接近20倍。 圖4-1 單獨話放性能測試電路圖 圖4-2 單獨話放性能測試波形圖4.2 單獨功

20、放性能測試單獨功放性能測試的電路圖和波形圖分別如圖4-3、圖4-4 圖4-3 單獨功放性能測試電路圖 圖4-4 單獨功放性能測試波形圖4.3整體電路的仿真測試 當輸入信號為20Khz時，輸入電壓的峰峰值為20mV,輸出電壓的峰峰值為7.73V，則總的電壓增益為7730/20=386>316,滿足所需要的衰減度。仿真中萬用表的示數(shù)如下圖4-5和圖4-6. 圖4-5 輸入電壓 圖4-6 輸出電壓由Av=Vo/Vi可得Av=383>316，滿足衰減要求，此時輸入輸出波形如圖4-7 圖4-7 輸入信號為20KHZ時的電路波形圖 當輸入為50hz時，輸入電壓的峰峰值為19.9mV,輸出電壓的

21、峰峰值為9.77V，則總的電壓增益為9770/19.9=491>316,滿足所需要的衰減度。由仿真中的萬用表分別測得的輸入和輸出電壓為 圖4-8 輸入電壓 圖4-9 輸出電壓由Av=Vo/Vi可得Av=487>316，滿足衰減要求，此時輸入和輸出的波形 圖4-10 輸入信號為50HZ時輸出波形圖4.4仿真中的問題及解決方法 實驗要求的頻率響應為fLfH=50Hz20KHz，整機電壓增益 >50dB。所以在輸入信號的頻率在50Hz20KHz之間的時候要求電壓放大倍數(shù)至少為316倍。最開始在進行仿真的時候，單獨前置放大級的放大倍數(shù)大約等于180倍，但是加上后面的功放電路之后整體電

22、壓放大倍數(shù)只有280倍左右，后面功放的放大倍數(shù)約為30倍。與理論值相符。但是前級放大就只有8倍左右。因為最開始的時候在前置放大級和功放之間加了一個電位器用于調(diào)節(jié)功放從前置放大級索取的電壓，這樣使得R5的等效值增大了，減小了放大倍數(shù)。后來去掉電位器，直接將前置放大級的輸出信號作為功放的輸入，得到了完整的波形，并且在輸入頻率為50Hz20KHz時，得到的波形良好，說明在50Hz20KHz有良好的頻率響應。并且得到的放大倍數(shù)也在316倍以上，達到了要求的衰減度，說明方案是可行的。 第五章 安裝與制作安裝工藝是制作工程中最關鍵的一步，它承接上面的設計性工作和下面的調(diào)試工作。為此我們做了大量的學習和練習

23、，具體理論學習知識如下：5.1焊接技術裝接電路的主要工作是在電路板上焊接電子元器件,焊接質(zhì)量的好壞直接影響著電路的性能,焊接質(zhì)量主要取決于四個條件:焊接工具,焊劑,焊料,焊接技術.5.1.1焊接注意事項 為保證焊接質(zhì)量,要求焊點光亮,圓滑,無虛焊. a.元件引線要刮凈,最好先掛錫再焊.因為引線表面經(jīng)常有氧化物或油漬,不易"吃錫",焊接起來困難,即使勉強焊上也容易形成虛焊,因而必須將氧化物或油漬刮除干凈. b.焊接溫度和時間要掌握好.溫度不夠,焊錫流動性差,很容易凝固;溫度過高,焊錫流淌,焊點又不易存錫,兩種情況都不易焊好.一般焊接時讓烙鐵頭的溫度高于焊錫熔點,烙鐵頭與焊點接

24、觸時間以使焊點錫光亮,圓滑為宜.如焊點不亮或形成"豆腐渣"狀,說明溫度不夠,焊接時間太短.這種情況由于焊劑沒能充分揮發(fā),很容易形成虛焊.此時需要增加焊接溫度,只要將烙鐵頭在焊點上多停留些時間即可,不必加壓力或來回移動. c.扶穩(wěn)不晃,上錫適量.焊接時,被焊物體必須扶穩(wěn)扶牢,特別在焊錫凝固過程中不能晃動被焊元器件,否則很容易造成虛焊.烙鐵沾錫多少要根據(jù)焊點大小來決定,最好所沾錫量能包住被焊物.如果一次上錫不夠,可以下次填補,但要注意再次填補焊錫時,一定要待上次的錫一同熔化后方可移開烙鐵頭,使焊點熔結(jié)為一體. d.電子電路常有一些基本單元組成,電路重復性和規(guī)律性較強.焊接時,一

25、般先將電阻,電容,二極管等元件引線彎曲成所需形狀,依次插入焊孔,并設法使元件排列整齊,然后統(tǒng)一焊接.檢查焊點后剪去過長引線,最后焊接三極管,集成電路.器件的焊接時間一般要短一些,引腳也不宜剪得太短,防止焊接時燙壞管子.初學者可用鑷子夾住管腳進行焊接. e.焊接結(jié)束,首先檢查電路有無漏焊,錯焊,虛焊等問題.檢查時可用尖嘴鉗或鑷子將每一個元件拉一拉,看有無松動,特別是要察看三極管管腳是否焊牢,如果發(fā)現(xiàn)有松動現(xiàn)象,要重新焊接. 5.1.2電路板安裝與焊接 印制電路板的裝焊在整個電子產(chǎn)品制造中處于核心的地位，可以說一個整機產(chǎn)品的“精華”部分都裝在印制板上，其質(zhì)量對整機產(chǎn)品的影響是不言而喻的。盡管在現(xiàn)代

26、生產(chǎn)中印制板的裝焊已經(jīng)日臻完善，實現(xiàn)了自動化，但在產(chǎn)品研制，維修領域主要還是手工操作；況且手工操作經(jīng)驗也是自動化獲得成功的基礎。 5.1.3電路板和元器件檢查 裝配前應對印制板和元器件進行檢查， 內(nèi)容主要包括：.印制板：圖形，孔位及孔徑是否符合圖紙，有無斷線，缺孔等，表面處理是否合格，有無污染或變質(zhì)。.元器件：品種，規(guī)格及外封裝是否與圖紙吻合，元器件引線有無氧化，銹蝕對于要求較高的產(chǎn)品，還應注意操作時的條件，如手汗影響錫焊性能，腐蝕印制板，使用的工具如改錐，鉗子碰上印制板會劃傷銅箔，橡膠板中的硫化物會使金屬變質(zhì)。 5.2調(diào)試 實踐表明，新安裝完成的電路板，往往難于達到預期的效果。這是因為人們在

27、設計時，不可能周全地考慮到元件值的誤差、器件參數(shù)的分散性等各種復雜的客觀因素，此外，電路板安裝中仍有可能存在沒有查出的錯誤。通過電路板的測試和調(diào)整，可發(fā)現(xiàn)和糾正設計方案的不足，并查出電路安裝中的錯誤，然后采取措施加以改進和糾正，就可使之達到預定的技術要求。功率放大器測試。（1）通電觀察。接通電源后，先不要急于測試，首先觀察功放電路是否有冒煙、發(fā)燙等現(xiàn)象。若有，應立即切斷電源，重新檢查電路，排除故障。（2）靜態(tài)工作點的調(diào)試。將功率放大器的輸入信號接地，測量輸出端對地的點位應為0V左右，電源提供的靜電電流一般為幾十mA左右。若不符合要求，應仔細檢查外圍元件記接線是否有誤；若無誤，可考慮更換集成功放

28、器件。（3）動態(tài)測試。在功率放大器的輸出端接額定負載電阻RL條件下，功率放大器輸入端加入頻率等于1KHz的正弦波信號，調(diào)節(jié)輸入信號大小，觀察輸出信號的波形觀察輸出信號的波形。若輸出波形變粗或帶有毛刺，則說明電路發(fā)生自激振蕩，應嘗試改變外接電路的分布參數(shù)，直至自激振蕩消除。然后逐漸增大輸入電壓，觀察測量輸出電壓的失真及幅值，計算輸出最大不失真功率。改變輸入信號的頻率，測量功率放大器在額定輸出功率下的頻帶寬度是否滿足設計要求。如圖5-1為制作好的音響放大器的實物圖。 圖5-1 音響放大器實物圖 第六章 心得體會 對于課程設計，雖然以前偶爾聽學姐學長說起過，但我并不清楚具體是什么。所以在老師給定課題

29、的那一刻,我對這個陌生的詞有了一定的了解。這次課程設計我做的是音響放大器，音響是我平時生活中很熟悉的東西了，雖然平時用的多，但現(xiàn)在突然讓我做一個出來，我還真一時之間有點束手無策。但凡事情的開頭總是艱難的。通過幾天毫無頭緒四處查資料的日子后，我漸漸對音響放大器的構(gòu)造有了些了解。在學姐學長的指點和大量資料的幫助下，我終于設計出了原理電路圖。通過此次電子技術大型試驗的設計以及調(diào)試，掌握了音響放大器的基本設計方法和設計原理，對幾種基本電路有了更深刻的認識，并且掌握了一定的多級放大電路設計和調(diào)試的經(jīng)驗。但是，同時也發(fā)現(xiàn)自己的許多不足之處。了現(xiàn)自己在將書本知識轉(zhuǎn)化為實踐能力的水平還很薄弱，在遇到問題時耐心