音響放大器的設(shè)計 課程設(shè)計DOC

1、課程設(shè)計說明書課程名稱：音響放大器的設(shè)計專業(yè)名稱：學(xué)生班級：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)老師：課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計目的1) 了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理2) 掌握其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)測試方法3) 掌握音響放大器的設(shè)計方法與電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)1) 技術(shù)指標(biāo)額定功率P20.3W，負(fù)載阻抗為10Q，頻率響應(yīng)范圍為50Hz-20KHz,輸入阻抗大于20KQ，放大倍數(shù)±20dB。2) 設(shè)計要求(1) 設(shè)計話音放大與混合前置放大器、音調(diào)控制級、功率放大級；(2) 選定元器件和參數(shù)，并設(shè)計好電路原理圖；(3) 在萬能板或面包板或PCB板上進(jìn)行電路安裝調(diào)測；(4) 測

2、試輸出功率；(5) 測試輸入阻抗；(6) 撰寫設(shè)計報告。3) 設(shè)計擴(kuò)展要求(1) 能驅(qū)動額定功率P28W的揚聲器；(2) 電路電壓放大級輸出阻抗低，能帶500Q負(fù)載。第1章緒論11.1引言11.2音頻功率放大器概述11.3音頻功率放大器概述2第2章音響放大器設(shè)計32.1音響放大器簡介32.2單元電路的設(shè)計32.2.1話音放大器32.2.2混響前置放大器錯誤！未定義書簽。2.2.3電子混響器錯誤！未定義書簽。2.2.4音調(diào)控制器52.2.5功率放大器92.3總電路設(shè)計9第3章電路仿真結(jié)果133.1話放與混合級仿真133.2音調(diào)控制器的電路仿真133.3功率放大器的電路仿真15第4章音響放大器的安

3、裝與調(diào)試164.1電路安裝164.2電路調(diào)試技術(shù)164.3整機(jī)功能試聽17第5章心得體會18參考文獻(xiàn)19附錄A音響放大器元件清單19附錄BPCB板圖20第1章緒論1.1引言伴隨著科學(xué)技術(shù)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(dá)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(shè)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

4、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(xué)知識模擬制作音響功率放大器，踐實所學(xué)知識掌握程度，并通過對所學(xué)知識來制造和改進(jìn)相關(guān)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(dǎo)和幫助下解決相應(yīng)的問題。同時在與同組人的討論學(xué)習(xí)過程中加強(qiáng)可團(tuán)隊意識的培養(yǎng)，加強(qiáng)了相互間協(xié)調(diào)合作的能力，從而咼質(zhì)、咼效的完成本項任務(wù)。1.2音頻功率放大器概述音響技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應(yīng)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(fù)反饋NFB(Negativefeedback)技術(shù)后，使音響技

5、術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(HighFidelity)放大器的文章中介紹了一種成功運用負(fù)反饋技術(shù)，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)，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(xì)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(yīng)產(chǎn)生，如：“OTL(OutputTransformerLess)”無輸出放大器、“OCL(OutputCapacitorLess)”放大器等。直至70年代，晶體管放大技術(shù)的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，各種新型電路不斷出現(xiàn)，如：較成功地解決了負(fù)反饋電路

6、的瞬態(tài)失真和高頻相位反轉(zhuǎn)問題的無負(fù)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(shù)發(fā)展中的主流。在60年代初，美國首先推出音響技術(shù)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(rèn)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。1.3本人的主要工作這次模擬電子課程設(shè)計過程，我主要是做下面的工作：第一，PCB板的實物制作；第二，電路元件的焊接與檢查；第2章音響放大器設(shè)計2.1音響放大器簡介音響放大器是將電信號還原成聲音信號的一種裝置，

7、還原真實性將作為評價音箱性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。滿足家庭需要，因為社會壓力大，所以家里需要更能釋放壓力，怡情養(yǎng)性的Hi-Fi器材。特別在中國，因為消費力的提高，在Hi-Fi上的投資會有一個較長的增長期。而且中國人房子不大，車子少，旅游也不多，所以Hi-Fi和家庭影院會是一種很好的娛樂方式。音響放大器主要由話筒、話筒放大器、電子混響器、混合前置放大器、音調(diào)控制器、功率放大器和揚聲器組成?；究驁D如圖2-1所示。話筒話筒放大>電子混響器磁帶錄音機(jī)混合前置放大器圖2-1音響放大器基本組成2.2單元電路的設(shè)計2.2.1話音放大器由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20kQ（亦有低輸出阻抗

8、的話筒如20Q，200Q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(dá)到10kHz）。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。電路圖如圖2-2所示。圖2-2話音放大器原理圖RA=1+#，Ri=R1（R1一般取幾十千歐）。VFR1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=（310）1反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。2.2.2混合前置放大器混合前置放大器的作用是將磁帶放音機(jī)輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大。電路圖如2-3所示。圖2-3混合前置放大器原理圖VI為話筒放大器輸出電壓；V2為放音機(jī)輸出電壓。Vo=-(RfV+RV)11R222.2.

9、3電子混響器電子混響器(如圖2-4)的作用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的深度感和空間立體感。在“卡拉OK"伴唱機(jī)中，都帶有電子混響器。電子混響器的組成框圖中BBD器件稱為模擬延時集成電路，內(nèi)部由場效應(yīng)管構(gòu)成多級電子開關(guān)和高精度存儲器。圖2-4電子混響器2.2.4音調(diào)控制器其作用主要是控制調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性。音響放大器的主要特性體現(xiàn)在音調(diào)控制電路上，這也是其與通用放大器的區(qū)別。音調(diào)控制主要是控制預(yù)調(diào)音響放大器的幅頻特性。調(diào)控制器的電路圖如圖2-5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

10、響放大器輸出最大功率。設(shè)電容C=C»C，在中、低音頻區(qū)，C可視為開路，在中、高音頻區(qū)，C、1 2331C可視為短路。2（a）低頻提升（a）低頻衰減圖2-5音調(diào)控制器的低頻等效電當(dāng)f<fO時，音調(diào)控制器的低頻等效電路如圖25所示，其中（a）為RP1的滑臂在最左端，對應(yīng)于低頻提升最大的情況，（b）為RP1滑臂在最右端，對應(yīng)于低頻衰減最大的情況。分析表明，圖（a）所示電路是一個一階有源低通濾波器,其傳輸函數(shù)的表達(dá)式為A(jw)=Uo二-Rp1+R2.1+j®/®2UiR11+j®/叫(2)式中，®1=1/RPC或f=1/2兀RPC12L112(

11、3)®2(RP+R)/RPRC或f=(RP+R)/2“RPRC12122L212122(4)f<f時，C可視若無睹為開路，運算放大器的反向輸入端入端視為虛地，R4L12的影響可以忽略，此時電壓增益A為vLA=(RP+R)/RvL121f=f時，因為f=10f，由式(2)得L1L2L1A=-RP1+R21+0.1j模A=(RP+R)A/2R=A/込V112V1121vLRi1+j此時，電壓增益A相對于A下降了3dB。V1vLf=f時，由式(2)得A=-RP1+R2.1+j，L2V2R11+10j=0.14AvLA=V2此時電壓增益相對A下降17dB。vLf<f<f的范

12、圍內(nèi)，電壓增益的的衰減速率為-20dB/10倍頻(或-6dB/倍頻)。L1LxL2同理可以得出圖(b)所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對于中步為衰減量。音調(diào)控制器低頻時的幅頻持性如圖2-6中左半部分的虛線所示201720dB/10倍頻圖2-6音調(diào)控制器的幅頻特性曲線f>f時，音調(diào)控制器的高頻等效電路如圖2-7所示，由于此時C、C視為短路，R與R、R組成星形連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖2-8所示，412Ra=R+R+(RR/R)1 4142Rb=R+R+(RR/R)>(8)42421Rc=R+R+(RR/R)J2 1214若取R=R=R,則式為124Ra=Rb=Rc=3R=3

13、R=3R(9)124圖2-6的高頻等到效電路如圖2-9所示，其中(a)為RP2的滑臂在最左端時，對應(yīng)于高頻提升最大的情況，圖(b)為RP2的滑臂在最右端時，對應(yīng)于高頻衰減最大的情況。分析表明，圖(a)所示電路為一階有源高通濾波器，其傳輸函數(shù)的表達(dá)式為UoRb1+j/3A(jw)=-3(10)UiRa1+jw/4a)高頻提升(b)高頻衰減圖2-9高頻等效電路式中，®=1/(Ra+R)C或f=1/2兀(Ra+R)C(11)3 33H133®=1/RC或f=1/2兀RC(12)4 33H233與分析低頻的方法相同，得到下列關(guān)系式：f<f時，C視為開路，此時電壓增益為Avo=

14、1(0dB)。H13f=f時，Av3=2Avo=1.4(2.9dB)(13)H1f=f時，Av4=H210Avo=7.1(17dB)(14)f>f時，C視為短路，此時電壓增益為H23A=(Ra+R)/R(15)vH33f<f<f的范圍內(nèi)，電壓增益提升的速率為20dB/10倍頻，同理可以得出圖(b)H1HxH2所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對于中頻為衰減量。音調(diào)控制器高頻時的幅頻持性如圖3.3中右半部分的虛線所示。實際應(yīng)用中，通常是給出低頻區(qū)f和高頻區(qū)f處的提升量或衰減量x(dB)，LxHx再根據(jù)下式求出轉(zhuǎn)折頻率f(f)和f(f)，即L2L1H1H2f=fx2x/6(16)L2

15、Lf=fx/2x/6(17)H1H由式(16)與(17)得到轉(zhuǎn)折頻率f=fx2x/6=400HZ，L2L則fL1=fL2/10=40Hz，f=fx/2x/6=2.5khz，則fH2=10f=25kHzH1HH1由式(5)A=(RP+R)/R±20db,vL121現(xiàn)取RP31=470KQ,R31二R32=470KQ,則A=(RP+R)/R=11(20.8dB)vL313231由式(3)得f=1/2兀RPCL13132則C=1/(2兀RPfL1)=0.008UF，取標(biāo)稱值0.OlUF，即C31二C32=0.01UF。3231由式(9)得Ra=Rb=Rc=3R=3R=3R124則R=R=R

16、=47kQ，Ra=3R=141kQ1244由式(12)得AVH=(Ra+R3)/R3±20db則R33二Ra/10=14.1kQ取標(biāo)稱值13kQ由式（12）得f=1/2“RCH233則C33=1/（2“R33fH2）=490pF，取標(biāo)稱值510pF取RP32=RP31=470kQ,RP33=10KQ，級間耦合與隔直電容C34二C35=10UF。本設(shè)計中也采用用集成運算放大電路LM324。圖2-10為LM324的功能引腳圖。+VCC-VEE3圖2-10LM324功能引腳圖2.2.5功率放大器功率放大器（簡稱功放）的作用是給1音響放大器的負(fù)載Rl（揚聲器）提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時

17、，2；真盡可能地小小卜效率盡可能高121035.1kQ望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失R圖2100Q±4埋11為LA4102集成音頻功放4h-11flR83kQR9510Q144R510kQR7150kQ20kQ_R4O8.8kQUdbtR1I，Rrrl20kQT13：圖2-11LA4100LA4102集成音頻功放2.3總體電路設(shè)計首先確定整機(jī)電路的級數(shù)。根據(jù)各級的功能及技術(shù)指標(biāo)要求分配電壓增益。分別計算各級電路參數(shù)，通常從功放級開始向前級逐級計算。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,音響放大器的輸入為5mV時，輸出功率大于0.3W，則輸出電壓Vo>=2.8V。總電壓增益Av工二Vo/V

18、i>560倍(55dB)。各級電壓增益如圖2-12謐嫌淌蛭珈螂lS5dB9.5dB-2dB29.5dB臉刊12倍陋B)-圖2-12各級電壓增益圖(1) 功率放大器設(shè)計功放級的電壓增益AV4-RJRf=33Rii=20K。電路圖如圖2-13C220F+9VC514"_C4川51pF036+A4LA4102C+C-p470田/25VD560pFRL80圖2-13功率放大器電路圖如果出現(xiàn)高頻自激（輸出波形上疊加有毛刺），可以在13腳與14腳之間加0.15pF的電容，或減小CD的值。（2）音調(diào)控制器（含音量控制）設(shè)計音調(diào)控制器的電路圖如圖2-14所示。4.7UF圖2-14音調(diào)控制器電路

19、圖已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。由式（16）、（17）得到轉(zhuǎn)折頻率fL2及fH1；fL2=fLx*2x/6=400Hz，則fL廣fL2/1°=40Hz；fH1=fHx/2x/6=2.5kHz，則fH2=10fH1=25kHz。超出運放的輸出能力。一般取幾千歐姆至幾百千歐姆?，F(xiàn)取RP31=470kQ,R31=R32=47kQ，則AVL=RP3l+R32R31=1120-8dBo由式（5）得AVL=（RP31+R32）/R3120dB。其中，R31、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1由式得J二2兀

20、rpf二°-008uF。取標(biāo)稱值0.013，即C31=C32=0.01Fo31L1由式(9)得R34二只31總32二47艮0，則Ra=3，R4=141kQ由式(15)R33=Ra/10=14.1kQ，取標(biāo)稱值13kQo由式（12）得C33二12n33fH2=490pF取標(biāo)稱值470pF。取RP32=RP31=470k。，RP33=10k。，級間耦合與隔直電容C34二。35=10附。(3) 話音放大器與混合前置放大器設(shè)計電路圖如2-15所示。RilMFlOkQ10k£：vi1卜-5m7GjI10pF+9VlOpFlOkQ3c?iRG,lOpFrli-C=l-1業(yè)口1jLM32

21、4錄韻鼻_L|lOOmV£10pF咫|IJC、30kQ詭RPe.10kOCZ3-30kQ-hv4711JBi104FIE-LJVB24圖2-15話音放大器與混合前置放大器電路圖圖2-14所示電路由話音放大與混合前置放大兩級電路組成。其中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音放大器電路，其放大倍數(shù)Ayi=1+R2/R8.518.5dB)(4) 整機(jī)電路圖錄音機(jī)RP+9VjI一23土一1OyF30kQRP10kA114LM3241OyF10kQ3Ok0710yFRP470kb干+9V2204:100yF+Cl3100UFC6RP?10k£10點C午33

22、血+LA410251pFC220F+圖2-16整機(jī)電路圖第3章音響放大器的安裝與調(diào)試3.1電路安裝音響放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機(jī)線路進(jìn)行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布線，功放級應(yīng)遠(yuǎn)離輸入級，每一級的地線盡量接在一起，連線盡可能短，否則很容易產(chǎn)生自激。安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時特別要注意功放塊、運算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始向后級安裝，也可以從功放級開始向前逐級安裝。安裝一級調(diào)試一級，安裝兩級要進(jìn)行級聯(lián)調(diào)試，直到整機(jī)安裝與調(diào)試完成。3.2電路調(diào)試技術(shù)電路的調(diào)試過程一般是先分級調(diào)試，再級聯(lián)調(diào)試，最后整機(jī)調(diào)試與性能調(diào)試。分級調(diào)試又分為

23、靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試時，將輸入端對地短路，用萬用表測該級輸出端對地的直流電壓。話放級、混合級、音調(diào)級都是由運算放大器組成的，其靜態(tài)輸出直流電壓均為VCC/2,功放級的輸出（OTL電路）也為VCC/2,且輸出電容CC兩端充電電壓也應(yīng)為VCC/2。動態(tài)調(diào)試是指輸入端接入規(guī)定的信號，用示波器觀測該級輸出波形，并測量各項性能指標(biāo)是否滿足題目要求，如果相差很大，應(yīng)檢查電路是否接錯，元器件數(shù)值是否合乎要求，否則是不會出現(xiàn)很大偏差的，因為集成運算放大器內(nèi)部電路已經(jīng)確定，主要是外部原件參數(shù)的影響。單級電路調(diào)試時的技術(shù)指標(biāo)較容易達(dá)到，但進(jìn)行級聯(lián)時，由于級間相互影響,可能使單級的技術(shù)指標(biāo)發(fā)生很大變化，甚至

24、兩級不能進(jìn)行級聯(lián)。產(chǎn)生的主要原因:一是布線不太合理，形成級間交叉耦合，應(yīng)考慮重新布線；二是級聯(lián)后各級電流都要流經(jīng)電源內(nèi)阻，內(nèi)阻壓降對某一級可能形成正反饋，應(yīng)接RC去耦濾波電路。R一般取幾十歐姆，C一般用幾百微法大電容與0.1F小電容相并聯(lián)。由于功放級輸出信號較大，對前級容易產(chǎn)生影響，引起自激。集成塊內(nèi)部電路多極點引起的正反饋易產(chǎn)生高頻自激，常見高頻自激現(xiàn)象如圖3-1所示。圖3-1高頻自激現(xiàn)象可以加強(qiáng)外部電路的負(fù)反饋予以抵消，如功放級腳與之間接入幾百皮法的電容，形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，可消除疊加的高頻毛刺。常見的低頻自激現(xiàn)象是電源電流表有規(guī)則地左右擺動，或輸出波形上下抖動。產(chǎn)生的主要原因是輸出信號通

25、過電源及地線產(chǎn)生了正反饋?？梢酝ㄟ^接入RC去耦濾波電路消除。為滿足整機(jī)電路指標(biāo)要求，可以適當(dāng)修改單元電路的技術(shù)指標(biāo)。圖3.7.20為設(shè)計舉例整機(jī)實驗電路圖，與單元電路設(shè)計值相比較，有些參數(shù)進(jìn)行了較大調(diào)整。3.3整機(jī)功能試聽用8/4W的揚聲器代替負(fù)載電阻RL,可進(jìn)行以下功能試聽：話音擴(kuò)音將低阻話筒接話音放大器的輸入端。應(yīng)注意，揚聲器輸出的方向與話筒輸入的方向相反，否則揚聲器的輸出聲音經(jīng)話筒輸入后，會產(chǎn)生自激嘯叫。講話時，揚聲器傳出的聲音應(yīng)清晰，改變音量電位器，可控制聲音大小。電子混響效果將電子混響器模塊按圖215接入。用手輕拍話筒一次，揚聲器發(fā)出多次重復(fù)的聲音，微調(diào)時鐘頻率，可以改變混響延時時間

26、，以改善混響效果。音樂欣賞將錄音機(jī)輸出的音樂信號，接入混合前置放大器，改變音調(diào)控制級的高低音調(diào)控制電位器，揚聲器的輸出音調(diào)發(fā)生明顯變化。卡拉OK伴唱錄音機(jī)輸出卡拉OK磁帶歌曲，手握話筒伴隨歌曲歌唱，適當(dāng)控制話音放大器與錄音機(jī)輸出的音量電位器，可以控制歌唱音量與音樂音量之間的比例，調(diào)節(jié)混響延時時間可修飾、改善唱歌的聲音。第四章心得體會幾天忙碌的課程設(shè)計終于拉下帷幕。一段時間忙碌的身影和奔波的腳步之后，使我在這個過程中體會到了什么是苦，什么是累，什么是開心，什么是快樂。忙碌之后看到屬于自己的這份課程設(shè)計，心中也體會到了成功之后的那份喜悅和安慰，也使我在這一段時間留下了一份美好的回憶！對于課程設(shè)計，

27、以前在我的腦海中一直是一個陌生的名詞。在老師給定課題的那一刻，我雖然不知道怎么去做，但我默默的下定了決心，一定要努力做好一份屬于自己的課程設(shè)計。在我選定課題后的一段時間里，為了更完美的做好設(shè)計流程以及參數(shù)的選擇，我就開始了收集關(guān)于音響放大器課題的資料，在充分準(zhǔn)備好資料以后，就開始了課題的設(shè)計。雖有了準(zhǔn)備，但還是不知道怎么開始，怎樣設(shè)計和排版。為了更好理清思緒，又在圖書館徘徊。幾天的準(zhǔn)備后一步一步的嘗試著設(shè)計。工夫不付有新人，幾天后總算基本完成了設(shè)計課題。在這次課程設(shè)計完畢之后，我體會頗多。從根本上使我真正認(rèn)識到了做好一份課程設(shè)計并不是一件容易的事情。它不僅需要熟悉并掌握教材內(nèi)容還要有很好的創(chuàng)新思維和動手能力。在這次設(shè)計的過程中，讓我學(xué)會了以前沒有學(xué)會的一些軟件。例如：PROTEL99,WEB,WPS等軟件的熟練操作和使用。讓我體會最多的就是讓我在所學(xué)教材內(nèi)容的