音響放大器課程設(shè)計

1、課程設(shè)計任務書學生姓名： 趙雅麗 專業(yè)班級： 通信0906 指導教師： 劉新華 工作單位： 信息工程學院 題 目: 初始條件：要求完成的主要任務: （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）時間安排：（1）第18周理論講解。（2）第19周理論設(shè)計、實驗設(shè)計及安裝調(diào)試。地點：鑒主13樓通信工程綜合實驗室、鑒主15樓通信工程實驗室（1） 指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘 要IAbstractII1. 緒論41.2.設(shè)計任務及要求42. 設(shè)計方案53. 硬件電路設(shè)計74. 仿真及分析155. 實物制作176. 設(shè)計心得及體會20參考文獻21附

2、錄22摘 要在音響放大器的制作過程中，控制該電路的主要核心電路是幾個放大器的設(shè)計，其中主要包括：話音放大器，混合前置放大器，音調(diào)控制器，功率放大器等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展 ，話音放大器被廣泛的應用到一系列放音設(shè)備中，混合前置放大器 也在電路和數(shù)字電子電路的設(shè)計和制作過程中不可缺少的電路部分。功率放大器的運用使電子產(chǎn)品的成本大大減少，并且設(shè)計簡單，易于操作，可靠性好的優(yōu)點。音響放大器的設(shè)計目的是為了更好的掌握集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理，學會其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)測量方法以及掌握音響放大器的設(shè)計與電子線路系統(tǒng)的裝試和調(diào)試技術(shù)。本次設(shè)計分為四的主要步驟：一 ：構(gòu)思和設(shè)計 ，話音放大器，混合

3、前置放大器，音調(diào)控制級和功率放大級。二：根據(jù)設(shè)計要求和選擇的電路通過計算選擇元器件和參數(shù)，并準確無誤的設(shè)計好要設(shè)計的電路原理圖。 本次設(shè)計主要介紹了音響放大器的設(shè)計過程，其主要內(nèi)容包括緒論、設(shè)計方案的選取、硬件電路設(shè)計、仿真機分析、實物制作等。其中在緒論中主要介紹了設(shè)計的目的及意義以及電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計方案的選取中對比了各種方案的優(yōu)缺點，在硬件電路設(shè)計這一章中介紹了音響放大器各個分電路的工作原理以及參數(shù)的計算，仿真機分析中主要是仿真圖形的得出，在實物制作這一章中主要內(nèi)容是對調(diào)試過程的分析。AbstractIn audio amplifier production process, contr

4、ol of this circuit main core circuit is several amplifier design, which mainly includes: audio amplifier, mixed pre-amplifier, tones controller, power amplifiers, etc. With the development of electronic technology, voice amplifier is widely applied to a series of playback equipment, mixing the pream

5、plifier also in circuit and digital circuit design and manufacture process the essential circuit parts. Power amplifier apply make the electronic product cost decrease greatly, and design is simple and easy to operate, reliability good points. Audio amplifiers are designed to better grasp integratio

6、n power amplifier circuit inside the working principle, learn its periphery circuit design and the main property parameter measurement method and mastering sound amplifier design and electronic circuit system loading test and debug technology. This design is divided into four main steps: a: design a

7、nd design, the voice of amplifier, mixing the preamplifier, tone control level and power amplifier level. 2: according to the design requirement and the choice of circuit through computation select components and parameters, and accurate design good to design the circuit principle diagram. This desi

8、gn mainly introduces the design process of audio amplifier, its main content includes introduction, design scheme selection, hardware circuit design, analysis and physical real-tim make etc. Among the introduction of mainly introduced the design purpose, significance and the development of electroni

9、c technology, the selection of design scheme comparison of various scheme, the hardware circuit design in this chapter introduces the audio amplifier various points electric circuit principle of work and parameter calculation, simulator is largely a function of the simulation analysis of draw the co

10、nclusion that in making of objects in this chapter is main content to debugging process analysis. 1. 緒論新舊世紀的的交替,不是一個簡單的更迭,而是事物不斷發(fā)展,循序漸進的過程。新世紀帶來的是新的起點，新的追求，新的開拓。近幾年來,計算機技術(shù)進入了前所未有的快速發(fā)展時期,隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展關(guān)于音響放大器在電子技術(shù)基礎(chǔ)中所出的位置越來越來重要，它不僅是電子信息類專業(yè)的一個重要部分，而且在其它類專業(yè)工程中也是不可缺少的。放大器電路作為子系統(tǒng)的應用，發(fā)展更是迅速，以成為新一代電子設(shè)備不可缺少的核心

11、部件，其現(xiàn)實生活中的運用也是非常普遍和廣泛。音響技術(shù)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(shù)的先河。1927年貝爾實驗室發(fā)明了負反饋NFB（Negative feedback）技術(shù)后，使音響技術(shù)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(shè)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(shù)，成為了Hi-Fi史上一個重要的里程碑。 1.1。設(shè)計目的及意義音響放大器的設(shè)計目的是為了更好的掌握集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理，學會其外圍電路的

12、設(shè)計與主要性能參數(shù)測量方法以及掌握音響放大器的設(shè)計與電子線路系統(tǒng)的裝試和調(diào)試技術(shù)。本次設(shè)計分為四的主要步驟：一 ：構(gòu)思和設(shè)計 ，話音放大器，混合前置放大器，音調(diào)控制級和功率放大級。二：根據(jù)設(shè)計要求和選擇的電路通過計算選擇元器件和參數(shù)，并準確無誤的設(shè)計好要設(shè)計的電路原理圖。 1.2.設(shè)計任務及要求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。(1) 技術(shù)指標如下：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

13、有獨立的功率放大級。2. 設(shè)計方案2.1.方案一 ：采用鎖環(huán)頻率相合成技術(shù)外加音響放大器采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，先用鎖相環(huán)頻率合成產(chǎn)生一定范圍的頻率，在通過傳感器把接收到的頻率信號轉(zhuǎn)化音頻信號。再通過低通濾波器把頻率控制在音頻所需要的頻率范圍。它的優(yōu)點就是工作頻率可調(diào)，也可以達到很高的頻率分辨率；缺點是要求使用的濾波器通帶可變，實現(xiàn)很困難。具體方案如3-1所示：晶振整形電路R分頻器鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器可變分頻器圖3-1 鎖環(huán)頻率相合成技術(shù)框圖2.2.方案二：采用直接數(shù)字式頻率合成器DDS技術(shù)外加音響放大器采用直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)，是用RAM存儲所需波形的量化信息，按照不同頻率要

14、求以頻率控制字K為步進對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在內(nèi)存里。DDS具有相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間極短、頻率分辨率高等優(yōu)點；另外，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度也可實現(xiàn)程控。但在方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,那么設(shè)計的成本較高。同時電路也不好仿真。實現(xiàn)起來也比較困難。2.3.方案三：采用直接給定的音頻信號外加音響放大器采用直接所定的音頻信號，是由MP3、數(shù)字激光（CD）、或DVD-Audio等現(xiàn)代音頻信號設(shè)備，直接給音響放大器。此電路簡單，其優(yōu)點是：在音頻信號具有直接給定的音頻頻率，在頻率方面沒有失真效果，而且具有混響器的效果。它的設(shè)計簡單可

15、靠，軟硬可相互補充各自的缺點。同時音響效果也比較好。其結(jié)構(gòu)框圖如3-2所示話音放大器磁帶放音機混合前值放大器音調(diào)控制器功率放大器本設(shè)計中，采用方案三，即直接所給定的音頻信號，輸入信號是由磁帶放音機所提供。設(shè)計采用這種方案主要是因為：此電路簡單，其優(yōu)點是：在音頻信號具有直接給定的音頻頻率，在頻率方面沒有失真效果，而且具有混響器的效果。本次設(shè)計采用這種方案主要是因為：它的設(shè)計簡單可靠，軟硬可相互補充各自的缺點。同時音響效果也比較好3. 硬件電路設(shè)計本設(shè)計由語音放大器、電子混響器、混合前置放大器、音調(diào)控制器及功率放大器五部分組成。其工作原理如下：當語音信號由話筒輸出后，進入語音放大器放大并傳入電子混

16、響器產(chǎn)生混響效果?；祉懞蟮男盘栠B同磁帶放音機產(chǎn)生的信號一同進入混合前置放大器，并進行放大。放大后的信號進入音調(diào)控制器，然后進入功率放大器進行功率放大后，由揚聲器輸出聲音。接下來我們詳細的分析各級的結(jié)構(gòu)原理。3.1語音放大器的介紹說明由于話筒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)，所以話筒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。如圖 AvF=1+Rf/R2 （3.1.1）Ri=R1 (R1一般取幾十千歐)耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定，一般取 C1 = C3

17、= (310）1/ 2pRLfL （3.1.2）反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。圖3.1.1語音放大器原理圖 V0= （RFV1/R1+RFV2/R2）上式中 ， U1為話筒放大器輸電壓 ，U2為錄音機輸出電壓混合前置放大電路圖3.2.2混合前置放大器3.2音調(diào)控制器1.音調(diào)控制器主要是控制、調(diào)節(jié)放大器的幅頻特性，理想的控制曲線如圖3.3.1所示，圖中f0(等于1kHz)表示中音頻率，要求Av0=0dB; fL1 表示低音頻轉(zhuǎn)折（或截止）頻率，一般為幾十赫茲；fL2（等于10 fL1）表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率; 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)

18、折率，一般為幾十千赫茲。 圖3.3.1音調(diào)控制器理想的控制曲線由圖可見，音調(diào)控制器只對低音頻與高音頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持0 dB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。由運算放大器構(gòu)成的音調(diào)控制器，如圖3.3.2所示。這種電路調(diào)節(jié)方便，元器件較少，在一般收錄音響放大器中應用較多。下面分析該電路的： 設(shè)電容C1 = C2 C3 , 在中低音頻區(qū),C3 可以視為開路,在中高音頻區(qū),C1,C2 可視為短路。 ( 1).當ff0 時，音調(diào)控制器的低頻等效電路如圖3.3.3所示。其中，圖（a）為滑臂在最右端，對應于低頻衰減最大的情況。分析表明，圖（a）所示電路是一個

19、一介有源低通濾波器，其增益函數(shù)的表達式為： A（jw）= - （3.3.1）式中 ，w1=1/（RP1C2）或 fl1=1/(2pRP1C2)，w2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或fl2 =(R1+R2)/(2RP1R2C2)(2).當ff0時，音調(diào)控制器的高頻等效電路如圖3.3.4所示。圖3.3.4音調(diào)控制器的高頻等效電路由于此時可將C1，C2視為短路，R4與R1，R2組成星型連接，轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖3.3.5所示，其電阻的關(guān)系為： Ra=R1 +R4+( R1R4 /R2) Rb =R4 +R2 +（R4R2 /R） （3.3.3） Rc=R1 +R2 +（R2R1/R4

20、）若取R1=R2=R4 ，則式（3.3.3）為： Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4圖取的高頻等效電路如圖3.3.6所示，其中，圖（a）為RP2的滑臂在最在最左端時，對于高頻提升最大的情況：圖（b）為RP2的滑臂在最右端時，對應于高頻衰減最大的情況。圖3.3.5電路等效如 圖3.3.6高頻等效電路（a）為高頻提升；（b）為高頻衰減分析表明，圖（a）所示電路為一價有源高通波器，其增益函數(shù)的表達式為A（jw）= （3.3.4）式中w=1/(Ra+R3)C3或fH1=1/ 2（Ra+R3）C3w4=1/(R3 .C3) 或fH2 =1/(2R3C3)與分析低頻等效電路的方法相同（從略），得到下

21、列公式。(2).f f H2時，C3 視為短路，此時電壓增益 AVH=（Ra+R3）/R3同理可以得出圖（B）所示電路的相應的表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。音調(diào)控制器高頻時的幅頻特性曲線3.3.1中右半部分實線所示。實際應用中 ，通過先提出對低頻區(qū)（或）和(或()即 =. =/ 3.3功率放大器功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負載RL(揚聲器)提供一定的輸出功率.當負載一定時,希望輸出的功率盡可能大,輸出信號的非線性失真盡可能地小,效率盡可能高,功率放大器的常見電路形式有OTL（單電源供電的互補推挽電路）電路和OCL（乙類雙電源互補對稱功率放大電路）電路,有用集成運算放大器

22、(簡稱運放)和晶體管組成的功率放大器,也有專用集成電路功率放大器。3.3.1集成運放與晶體管組成的功率放大器由集成運放與晶體管組成的OCL功率放大器電路如圖3.4.1所示，其中，運放為驅(qū)動級，晶體管T1T4級成復合式晶體管互補對稱電路圖3.4.1集成運放與晶體管組成的功率放大器3.3.2電路工作原理三極管T1、T2為相同類型的NPN管，所組成的復合管仍為NPN型。T3、T4為不同類型的晶體管，所組成的復合管的導電極性由第一只決定，即為PNP型。R4、R5、RP2及二極管D1、D2所組成的支路是兩對復合管的基極偏置電路，靜態(tài)是支路電流I0可由下式計算： I0=(2Vcc-2VD)/(R4+R5+

23、RP2)）(3.4.1)式中，VD為二極管的正向壓降。為減小靜態(tài)功耗和克服交越失真，靜態(tài)時T1、T3應工作在微導通狀態(tài)，即滿足下列關(guān)系：VAB/VD1+VD2/BE1+VBE3 稱此狀態(tài)為有甲乙類狀態(tài)。二極管D1、D2與三極管T1、T3應為相同類型的半導體材料，如圖D1、D2為硅二極管2CP10，則T1、T3也應為三極管。RP2用于調(diào)整復合管的微導通狀態(tài)，其調(diào)節(jié)范圍不能太大，一般采用幾百歐姆或1KW電位器（最好采用精密可調(diào)電位器）。安裝電路時首先應使RP2的阻值為零，在調(diào)整輸出級靜態(tài)工作電流或輸出波形的交越失真時再逐漸增大阻值。否則會因RP2的阻值較大而使復合管損壞。R6、R7用于減小復合管的

24、穿透電流，提高電路的穩(wěn)定性，一般為幾十歐姆至幾百歐姆，R8、R9為負反饋電阻，可以改善功率放大器的性能，一般為幾歐姆。R10、R11稱為平衡電阻使T1、T3的輸出對稱，一般為幾十歐姆至幾百歐姆。R12、C3稱為消振網(wǎng)絡，可改善負載為揚聲器時的高頻特性。因揚聲器呈感性，易引起高頻自激，此容性網(wǎng)絡并入可使等效負載呈阻性。此外，感性負載易產(chǎn)生瞬時過壓，有可能損壞晶體三極管T2、T4。R12、C3的取值視揚聲器的頻率響應而定，以效果最佳為好。一般R12為幾十歐姆，C3為幾千皮法至0.1mF。功放在交流信號輸入時的工作過程如下：當音頻信號Vi為正半周時，運放的輸出電壓Vc上升，VB亦上升，結(jié)果T3、T4

25、截止，T1、T2導通，負載RL中只有正向電流iL，且隨Vi增加而增加。反之，當Vi為負半周時，負載RL中只有負向電流iL且隨Vi的負向增加而增加。只有當Vi變化一周時負載RL才可獲得一個完整的交流信號。靜態(tài)工作點設(shè)置：設(shè)電路參數(shù)完全對稱。靜態(tài)時功放的輸出端O點對地的電位應為零，即VO=0，常稱O點為“交流零點”。電阻R1接地，一方面決定了同相放大器的輸入電阻，另一方面保證了靜態(tài)時同相端電位為零，即V+=0。由于運放的反相端經(jīng)R3、RP1接交流零點，所以V-=0。故靜態(tài)時運放的輸出Vc=0。調(diào)節(jié)RP1電位器可改變功放的負反饋深度。電路的靜態(tài)工作點主要由I0決定，I0過小會使晶體管T2、T4工作在

26、乙類狀態(tài)，輸出信號會出現(xiàn)交越失真，I0過大會增加靜態(tài)功耗使功放的效率降低。綜合考慮，對于數(shù)瓦的功放，一般取I0=1mA3mA，以使T2、T4工作電甲乙類狀態(tài)。4. 仿真及分析4.1.話筒放大級仿真圖3.1話放級仿真4.2.二級放大仿真圖3.2二級放大仿真4.3.音調(diào)控制電路仿真圖3.3音調(diào)控制電路仿真5. 實物制作實踐表明，新安裝完成的電路板，往往難于達到預期的效果。這是因為人們在設(shè)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(shè)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

27、改進和糾正，就可使之達到預定的技術(shù)要求。5.1話筒放大器與混合前置放大器調(diào)試1.設(shè)計電路由話筒放大與混合前置放大兩級電路組成。其中第一部分A1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筒放大器電路，其放大倍數(shù)Av1為Av1=1+ R12/R11=8.5（18.5dB） （5.1.1）四運放LM324的頻帶雖然很窄（增益為1時，帶寬為1MHz），但這里放大倍數(shù)不高，故能達到fH= 10kHz的頻響要求?；旌锨爸梅糯笃鞯碾娐酚蛇\放A2組成，這是一個反向加法器電路，電壓V02的表達式為 （5.1.2）根據(jù)圖的增益分配，混合級的輸出電壓V0237.5mV，而話筒放大器的輸出V01已經(jīng)達

28、到了V02的要求，即V01=Av1V11=42mV，所以取R21=R22。錄音機輸出插孔的信號V12一般為100mV，已經(jīng)遠大于V02的要求，所以對V12要進行適當衰減，否則輸出會產(chǎn)生失真。取R23=100k，R22=R21=39k。5.2 音調(diào)控制器的調(diào)試1.音調(diào)控制器的設(shè)計及參數(shù)的確定音調(diào)控制器的電路如圖所示。運算放大器選用單電源供電的四運放LM324，其中RP33稱為音量控制電位器，其滑臂在最上端時，音箱放大器輸出最大功率。根據(jù)低頻區(qū)fLX與高頻區(qū)fHX處提升量或衰減量x(dB)與轉(zhuǎn)折頻率關(guān)系得到轉(zhuǎn)折率fL2及fH1： 則 則 當ffL1時C32可視開路則 AvL=（RP31+R32）/

29、R3120dBR31、R32、RP31不能取得太大，否則運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放的輸出能力。一般取幾千歐幾百千歐?，F(xiàn)取RP31=470k，R31=R32=47k則AvL=（RP31+R32）/R31=1+RP31/R31=11（20.8dB）根據(jù)式fL1=1/2RP31C32得； 取標稱值0.01F，即C31=C320.01F。根據(jù)：Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3所以對等效電路R34=R31=R32=47k，Ra=3R34=141k因為 AvH=（Ra+R33）/R3320dB所以 R33=Ra/10=14.1k取標稱值13K因為 所以 取標

30、稱值510pF 取 RP32=RP31=470k，RP33=10k，級間耦合與隔直電容C34=C35=10F圖5.2.1音調(diào)控制電路5.3 功率放大器調(diào)試功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負載RL(揚聲器)提供一定的輸出功率。當負載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，功率盡可能的高。有用集成運算放大器(簡稱運放)和晶體管組成的功率放大器，也有專用集成電路功率放大器。（1）.集成運放與晶體管組成的功率放大器由集成運放與晶體管組成的OCL功率放大器電路如圖5.3.1所示。其中，運放為驅(qū)動級。晶體管T1T4組成復合式晶體管互補對稱電路。 圖5.3.1 集成運放與

31、晶體管組成的功率放大器由分析電路可得功率放大器的參數(shù)確定如下: R1=47K R2=1K R3=10K R4=11K R5=11K R6=240K R7=240K R8=R9=1K R10=100K R11=100K R12=10K C1=10F C2=10F C3=0.1F RL=8K功放在交流信號輸入時的工作工程如下：當音頻信號Vi為正半周時，運放的輸出電壓VC上升，VB亦上升，結(jié)果T3、T4截止，T1、T2導通，負載RL中只有正向電流IL,且隨Vi增加而增加。反之，當Vi為負半周時，負載RL中只有負向電流IL且隨Vi的負向增加而增加。只有當Vi變化一周時負載RL才可獲(2) 集成功率放大

32、器 由兩片LA4100接成的BTL（Balanced Transformerless）功率放大器的電路如圖5.3.2 所示。輸入信號Vi經(jīng)LA4100（1）放大后，獲得同相輸出電壓VO1，其電壓增益AVIR11/RF（40dB）。VO1經(jīng)外部電阻R1、RF2分壓加到LA4100（2）的反輸入端，衰減量為RF2/（R1+RF2）（-40 dB），這樣兩個功率放大器的輸入信號大小相等，方向相同。如果使LA4100（2）的電壓增益AV2=（R2/R11）/RF2AV1，則兩個功放的輸出電壓VO1與VO2大小相等，方向相反，因而RL兩端的電壓VL=2VO1。輸出功率PL=（2VO1）2/RL=4 VO12/RL?？梢娊映葿TL電路形式后，輸出功率在理論上比OTL電路的功率要增加4倍。由于電路不完全對稱，實際上獲得的輸出功率只有OTL電路的23倍。雙聲道集成功率放大器的內(nèi)部就有兩個完全相同的集成功放，可以接成BTL電路。6. 設(shè)計心得及體會 這次的課程設(shè)計，把以前我們所學的模電知識有機的結(jié)合了起來，組成了一個完整的系統(tǒng)。通過這次的鍛煉，我們不