模電課設(shè)音響放大器

1、音響放大器的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)一、 實(shí)驗(yàn)方案1.1電子混響采用MN3200系列電子混響延時(shí)器MN3200系列芯片在市場上易購得且價(jià)格便宜，盡管需要的元件多些。相比之下，方案一的實(shí)踐操作性更好，選擇方案一更為合理。1.2主要部分的設(shè)計(jì)方案方案選擇方案一：話音放大級(jí)、混合前置放大級(jí)、音調(diào)控制放大級(jí)各用一個(gè)UA741，功率放大級(jí)用LA4102。 方案二：話音放大級(jí)、混合前置放大級(jí)、音調(diào)控制放大級(jí)共用一個(gè)LM324功率放大級(jí)用LA4102。 比較選擇：由于多級(jí)放大各級(jí)信號(hào)會(huì)互相產(chǎn)生干擾，合理布線，把級(jí)與級(jí)間的距離拉大是減小信號(hào)干擾的好方法，此時(shí)方案一是個(gè)不錯(cuò)的選擇，但每一級(jí)各用一個(gè)UA741電路元件增多，

2、電路板面積就會(huì)增大，不但不美觀也不經(jīng)濟(jì)。方案二中LM324是四運(yùn)放集成電路，電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉、放大效果好，話音放大級(jí)、混合前置放大級(jí)、音調(diào)控制放大級(jí)共用一個(gè)LM324電路元件少，占用電路板面積小，不僅美觀而且經(jīng)濟(jì)。二、 單元電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1話音放大電路的設(shè)計(jì)由于話筒的輸出信號(hào)一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)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(hào)(最高頻率達(dá)到10kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。電路原理圖，電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻R11和R12決定：Av=1+R12/R11按要求該級(jí)

3、的放大倍數(shù)Av =8.5，器電路原理圖如圖2.1所示。 圖2.12.2混合前置放大級(jí) Av =（V1R22/R21+V2R22/R23）根據(jù)整機(jī)增益分配可知，要使話筒與錄音機(jī)輸出經(jīng)混響級(jí)后的輸出基本相等，要求R22/R21=3，R22/R23=1，所以選擇R22=30K，R21=10K，R23=30K耦合電容C21、C22，C23采用10uF的極性電容。2.3音調(diào)控制器音調(diào)主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性，理想的控制曲線如圖2.3.1中折線所示。 圖2.3.1圖中，fL1表示低音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十赫茲；fL2(等于10fL1)表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率；f0（等于1kHz）表示中音頻

4、率，要求增益AV0=0dB；fH1表示高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率；fH2(等于10fH1)表示高音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫茲。由圖可見，音調(diào)控制器只對(duì)低音頻與高音頻的增益進(jìn)行提升與衰減，中音頻的增益保持0dB不變。因此，音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。由運(yùn)放構(gòu)成的音調(diào)控制器，如圖2.3.2所示。這種電路調(diào)節(jié)方便，元器件少，在一般收音機(jī)、音響放大器中應(yīng)用較多。下面對(duì)該電路原理進(jìn)行分析。圖2.3.2中 RP1是為低音調(diào)節(jié)，RP2為高音調(diào)節(jié)，通過運(yùn)放LM324的負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)高音和低音最大正負(fù)20dB調(diào)節(jié)。設(shè)電容C1=C2>>C3，在中、低音頻頻區(qū)，C3 視為開路，在中、高

5、音頻區(qū)，C1、C2視為短路。（1）當(dāng)f< f0時(shí)，音調(diào)控制器的低頻等效電路如圖2.3.3所示。其中，圖（a）所示的為RP1的滑臂在最左端，對(duì)應(yīng)于低頻提升最大的情況；圖（b）所示的為RP1的滑臂在最右端，對(duì)應(yīng)于低頻衰減最大的情況。分析表明，圖（a）所示的電路是一個(gè)一階有源低通濾波器，其增益函數(shù)的表達(dá)式為 圖2.3.2（231）式中，1=1/（RP1C2），2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）圖2.3.3當(dāng)f<fL1時(shí)，C2可視為開路，運(yùn)算放大器的反向輸入端視為虛地，R4的影響可以忽略，此時(shí)電壓增益 （2.3.2）在f=fL1時(shí)，因?yàn)閒L2 =10fL1 ，故可由式2.3.2得（2

6、.3.3）此時(shí)電壓增益相對(duì)AVL下降3dB。 在f=fL2時(shí)，由式(11)得 （2.3.4） 模此時(shí)電壓增益相對(duì)AVL下降17dB。同理可以得出圖(b)所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對(duì)于中頻增益為衰減量，最大衰減量為 （2）對(duì)于高頻區(qū)，C1、C2可視為短路，作為高通濾波器，等效電路如圖2.3.4 圖2.3.4可簡化為以下電路，如圖2.3.5所示。 （c） （d） 圖2.3.6圖(c)為RP2的滑臂在最左端時(shí)，對(duì)應(yīng)于高頻提升最大的情況；圖(d)為RP2的滑臂在最右端時(shí)，對(duì)應(yīng)于高頻衰減最大的情況。 分析表明，圖(c)所示電路為一階有源高通濾波器，其增益函數(shù)的表達(dá)式為 (2.3.5)式中，當(dāng)f<

7、;fH1（w<w3）時(shí)，C3視為開路，此時(shí)電壓增益AV0=-1(0dB) 。在f=fH1時(shí),因fH2=10fH1由式2.3.5得此時(shí)電壓增益AV3相對(duì)于AV0提升了3dB。在f=fH2時(shí),此時(shí)電壓增益AV4相對(duì)于AV0提升了17dB。當(dāng)f > fH2時(shí)，3視為短路，此時(shí)電壓增益：AVH = (RaR3)/R3 。同理可以得出圖(d)所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對(duì)于中頻增益為衰減量。根據(jù)音響放大器的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，要使AVL=AVH20dB，結(jié)合AVL的表達(dá)式可知，R1、R2，RP1不能取得太大，否則運(yùn)放漂移電流的影響不可忽略，但也不能太小，否則流過它們的電流將超出運(yùn)放的輸出能力。一

8、般取幾千歐姆至幾百千歐姆，RP1最大只能取470K，R1、R2取47K，則AVL=(RP1+R2)/R1=11(20.8dB)，C=1/2RP1fL1=0.008uF,取標(biāo)稱值0.01uF，即C31=C32=0.01uF。又R1=R2=R4=47K，則 Ra=3R4=30k,R3=Ra/10=13k.C3取470pF,由于在低音時(shí)，音調(diào)控制電路輸入阻抗近似為R1，所以級(jí)間耦合電容可取C1=C2=10uF。WW2.4功率放大器的設(shè)計(jì)功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。

9、 圖2.4.1功放的核心是LA4102，圖2.4.1所示的為LA4102的內(nèi)部電路。LA4102接成OTL形式的電路如圖2.4.2所示。 圖2.4.2RF、CF與內(nèi)部電阻R11組成交流負(fù)反饋支路，控制功放級(jí)的電壓增益AVF，即 （2.4.1）由其內(nèi)部電路知R11=20K，按性能指標(biāo)AVF=30倍，所以RF應(yīng)取650。CB為相位補(bǔ)償電容。CB減小，帶寬增加，可消除高頻自激。CB一般取幾十皮法至 圖2.4.3幾百皮法。CC為OTL電路的輸出端電容，兩端的充電電壓等于VCC/2，CC一般取耐壓值遠(yuǎn)大于VCC/2的幾百微法的電容。CD為反饋電容，消除自激振蕩，CD一般取幾百皮法。CH為自舉電容，使復(fù)合

10、管T12、T13的導(dǎo)通電流不隨輸出電壓的升高而減小。C3、C4可濾除紋波，一般取幾十微法至幾百微法。C2為電源退耦濾波，可消除低頻自激。綜合有關(guān)資料可按電路圖2.4.3中各元件的參數(shù)選擇各元件參數(shù)。2.5電子混響延時(shí)器電子混響延時(shí)器是用電路模擬聲音的多次反射，產(chǎn)生混響效果，使聲音聽起來具有一定深度感和空間立體感。模擬混響延時(shí)電路的組成框圖如下4-3圖所示。其中電路BBD稱為模擬延時(shí)器，器內(nèi)部有由場效應(yīng)管構(gòu)成的多級(jí)電子開關(guān)和高精度存儲(chǔ)器。在外加時(shí)鐘脈沖作用下，電子開關(guān)不斷地接通和斷開，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣、保持并向后級(jí)傳遞，從而使BBD的輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)延遲一段時(shí)間。BBD的級(jí)數(shù)越多，時(shí)鐘脈

11、沖的頻率越高，延時(shí)時(shí)間越長。BBD配要有專業(yè)專用的時(shí)鐘電路，例如，MN3102時(shí)鐘電路與MN3200系利的BBD配套。 電子混響延時(shí)器產(chǎn)生電路其優(yōu)點(diǎn)是，在一個(gè)音響電路中可以產(chǎn)生很好的音響混合效果，使音響發(fā)出來的聲音具有動(dòng)聽悅耳的效果。缺點(diǎn)，在這個(gè)過程中失真度相對(duì)而言會(huì)加高，同時(shí)在電路方面還要配帶自己已經(jīng)所定的延時(shí)時(shí)鐘電路。在電路方面也比較復(fù)雜，在電路調(diào)試方面帶來很多不好的地方。所以本次設(shè)計(jì)中不采用延時(shí)放大器。而是通過一個(gè)RC低通濾波器來提高音量，經(jīng)過一些簡單的電路來達(dá)到混響的效果。其框圖如圖2.5.1所示。 圖2.5.1三、 單元電路的仿真3.1話音放大電路的仿真按圖3.1.1連接好電路，根據(jù)

12、設(shè)計(jì)要求確定電路中的電阻和電容的具體數(shù)值，便將其保存成電路文件。 圖3.1.13.1.1 輸出波形測試其仿真波形圖如圖3.1.1所示。 輸入波形：輸出波形： 圖3.1.13.1.2 動(dòng)態(tài)指標(biāo)Av的測試在電路的輸入端輸入信號(hào)頻率為1Khz的正弦波，調(diào)整輸入信號(hào)的幅度，使輸出電壓Vo不失真，講測試結(jié)果填入下表，并與理論值比較表3-1 語音放大器放大倍數(shù)的測試結(jié)果/mv/mv（實(shí)測）10k75k542.4638.58.49261084.9418.494120169.8778.49435結(jié)論：仿真實(shí)測值與理論值基本相符.3.1.3 幅頻特性的測量將頻率特性測試儀接入電路，根據(jù)上，下限頻率，的定義，當(dāng)電

13、壓放大倍數(shù)的幅值下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率即為電路的上，下限頻率，將從測試結(jié)果填入下表話筒放大器的頻率上下限測試話筒放大器上，下限頻率的測試結(jié)果頻率測量值9557KHZ19.453Hz3.2 混合前置放大器3.2.1電路設(shè)計(jì) 按圖3.2.1連接好電路，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定電路中的電阻和電容的具體數(shù)值，便將其保存成電路文件。圖3.2.1 混合前置放大電路仿真圖幅頻特性的測量：特征頻率特性測試儀接入電路，根據(jù)上，下限頻率fh, fl的定義，當(dāng)電壓放大倍數(shù)的幅值下降3dB是所對(duì)應(yīng)的頻率幾位電路的上，下限頻率，講測試結(jié)果填入表3-2-2圖3.2.2 混合前置放大器的頻率下限測試圖3.2.3 混合前置放大器的

14、頻率上限測試表3-2-2 混合前置放大器上下限頻率的測試測量值201.132KHZ2.412Hz3.3音調(diào)控制電路3.3.1電路設(shè)計(jì)按圖3.3.1接好電路，根據(jù)設(shè)計(jì)確定電路中電阻和電容的具體數(shù)值，并將其保存成電路文件。圖3.3.1 音調(diào)控制電路仿真電路圖（2）音調(diào)控制特性的測量：低音衰減與提升：將高音提升與衰減電位器PR2滑動(dòng)端調(diào)到居中位置（即可變電阻器PR1的百分比為50%），低音提升和衰減電位器PR1滑頭調(diào)到最左邊（低音提升最大位置，即可變電阻器PR1的百分比為100%）.調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使輸出信號(hào)f=40HZ,Vm=100mV,調(diào)節(jié)電路中音量調(diào)節(jié)電位器PR3，使電路輸出電壓達(dá)到最大值，記

15、錄此時(shí)PR3的數(shù)值和輸出電壓的幅值。PR3= 0 K Vom= 698.0mV保持PR3的數(shù)值和輸入信號(hào)幅度不變，講頻率特性測試儀接入電路，設(shè)置工作頻率的范圍為40HZ-1KZ,測試電路的幅頻響應(yīng)曲線，并記錄。（由于此時(shí)C1被短路，當(dāng)F增大是，Vo將減小。）觀察所記錄的幅頻響應(yīng)曲線，從圖中獨(dú)處低音部分的最大提升量并做記錄，判斷其是否符合理論設(shè)計(jì)的指標(biāo)。 F=40HZ時(shí)，低音的最大提升量= 17.004dB將低音提升和衰減電位器PR1滑動(dòng)端調(diào)到最右邊（低音衰減最大位置，即可變電阻器PR1的百分比為0%），重復(fù)（3）的步驟。（由于此時(shí)C2被短路，當(dāng)f增大時(shí)，Vo將增大。） F=40HZ時(shí)，低音的最

16、大衰減量= -16.933dB 圖3.3.2 音調(diào)控制器 （低音提升最大位置）頻率響應(yīng)曲線 圖3.3.3 音調(diào)控制器 （低音衰減最大位置）頻率響應(yīng)曲線高音提升和衰減將低音提升與衰減電位器PR1滑動(dòng)端調(diào)到居中位置（即可變電阻器PR1的百分比為50%），高音提升和衰減電位器PR2滑頭調(diào)到最左邊（低音提升最大位置，即可變電阻器PR2的百分比為100%）.調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使輸出信號(hào)f=10KHZ,Vm=100mV,調(diào)節(jié)電路中音量調(diào)節(jié)電位器PR3，使電路輸出電壓達(dá)到最大值，記錄此時(shí)PR3的數(shù)值和輸出電壓的幅值。PR3= 0 K Vom= 463mV 保持PR3的數(shù)值和輸入信號(hào)幅度不變，講頻率特性測試儀介

17、入電路，設(shè)置工作頻率的范圍為10KHZ-1KZ,測試電路的幅頻響應(yīng)曲線，并記錄。（由于此時(shí)C2被短路，當(dāng)F減少時(shí)，Vo將減小。）觀察所記錄的幅頻響應(yīng)曲線，從圖中獨(dú)處高音部分的最大提升量并做記錄，判斷其是否符合理論設(shè)計(jì)的指標(biāo)。 F=10KHZ時(shí)，高音的最大提升量= 13.274dB 將高音提升和衰減電位器PR2滑動(dòng)端調(diào)到最右邊（高音衰減最大位置，既可變電阻器PR2的百分比為0%），重復(fù)（3）的步驟。（由于此時(shí)C2被短路當(dāng)f減少時(shí)，Vo將增大。） F=10KHZ時(shí)，高音的最大衰減量= -12.78dB 圖3.3.4 音調(diào)控制器 （高音提升最大位置）頻率響應(yīng)曲線 圖3.3.5 音調(diào)控制頻率響應(yīng)曲線3

18、.4 功放電路由于設(shè)計(jì)中采用集成功放實(shí)現(xiàn)功率放大，但Multism10的元器件庫中沒有功放集成塊，所以，我們采用與LA4102工作原理相同的OTL功放，其電路如圖3.4.1所示。圖3.4.1功率放大器仿真電路圖（1）按上圖連接電路，并將其保存為電路文件（2）調(diào)試電路，是靜態(tài)時(shí)Vk=1/2Vcc 在沒有交流信號(hào)輸入的情況下，調(diào)節(jié)可調(diào)電位器R2的大小，同時(shí)利用虛擬萬用表測試功放電路點(diǎn)K對(duì)敵直流電壓，使其等于1/2Vcc，記錄此時(shí)所對(duì)應(yīng)的R2的大小。 R2= 14k （3）交越失真的觀察在電路中將二極管D1,D2端接，從輸入Vi加入1KHZ的交流正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Vo的波形，可以看到明顯

19、的交越失真。記錄輸出波形。圖3.4.2 交越失真波形（4）最大不失真輸出電壓和輸入靈敏度的測量在輸入端Vi加入1Khz的交流信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Vo的波形，如輸出波形出現(xiàn)交越失真，調(diào)節(jié)電位器R3.逐漸增大輸入信號(hào)，測量最大不失真輸出電壓Vom的大小，結(jié)果填入表3-4。 圖3.4.3 最大不失真輸出波形音響放大器輸出額定功率所需的輸入電壓（有效值）稱為輸出靈敏度Vs。在輸入端Vi加入1Khz的交流正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Vo的波形。逐漸增大輸入信號(hào)，當(dāng)輸入電壓達(dá)到最大不失真值Vom時(shí)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓的大?。ㄓ行е担?，即為電路的輸入靈敏度，將結(jié)果填入表35. 表3-4 功放電路的輸入靈敏度Vom（V）輸入靈敏度Vs（mV）測量值4.336163.5 電子混響延時(shí)器其電路圖如圖3.5.1所示。 圖3.5.1四、元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注Ra、Rb、R11，R21、1/4W，10K各1個(gè)電阻R121/4W，75K1 電阻R22、R231/4W，30K各1個(gè)電阻R31、