實驗11_音響放大器設計

1、第七節(jié)第七節(jié) 音響放大器設計音響放大器設計 學習要求 z 了解集成功率放大器內部電路工作原理，z 掌握其外圍電路的設計與主要性能參數(shù)的測試方法；z 掌握音響放大器的設計方法與電子線路系統(tǒng)的裝調技術。 一、音響放大器的基本組成一、音響放大器的基本組成 話音放大器 電子混響器磁帶放音機 混合前置 放大器 音調控制器 功率放大器 揚聲器 話筒 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)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。電子混響器是用電路模擬聲音的多次反射，產生混響效果，使聲音聽起來具

2、有一定的深度感和空間立體感。將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大 。主要是控制、主要是控制、調節(jié)音響放大調節(jié)音響放大器的幅頻特性器的幅頻特性給音響放大器的負載RL(揚聲器)提供一定的輸出功率。1. 話音放大器話音放大器 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。AVF=1+RFR2Ri = R1 （R1一般取幾十千歐。）一般取幾十千歐。） 耦合電容耦合電容C1、C3可根據交流放大器的下限頻率可根據交流放大器的下限頻

3、率fL來確定，來確定，一般取一般取 C1 = C3 = (310）12 RLfL反饋支路的隔直電容反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。一般取幾微法。 2. 混合前置放大器混合前置放大器 混合前置放大器的作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大 。v1v2R1R2RFvoRFR1 VO= V1RFR2V2)V V1 1為話筒放大器輸出為話筒放大器輸出電壓；電壓；V V2 2為放音機輸為放音機輸出電壓。出電壓。 音響放大器的性能主要由音響放大器的性能主要由音調控制器音調控制器與與功率放大器功率放大器決定，下面詳細介紹這決定，下面詳細介紹這兩級電路的工作原理及其設計方法。兩級電

4、路的工作原理及其設計方法。 3、音調控制器主要是控制、調節(jié)音音調控制器主要是控制、調節(jié)音響放大器的幅頻特性響放大器的幅頻特性 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f/Hz 20dB/10 倍頻 AV /dB f f0 0（等于（等于1 1kHzkHz）表示中音頻率）表示中音頻率，要求增益，要求增益A AV0V0=0dB=0dB f fL1L1表示低音頻轉折頻率，一表示低音頻轉折頻率，一般為幾十赫茲般為幾十赫茲 f fL2L2( (等于等于1010f fL1L1) )表示低音頻表示低音頻區(qū)的中音頻轉折頻率區(qū)的中音頻轉折頻率 f

5、fH1H1表示高音頻區(qū)的中音表示高音頻區(qū)的中音頻轉折頻率頻轉折頻率 f fH2H2( (等于等于1010f fH1H1) )表示高音頻轉表示高音頻轉折頻率，一般折頻率，一般為幾十千赫茲為幾十千赫茲 音調控制器只對低音頻與高音頻的增益進行提升音調控制器只對低音頻與高音頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持與衰減，中音頻的增益保持0 0dBdB不變。因此，音調控不變。因此，音調控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成。制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成。 音調控制器的電路可由低通濾波音調控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成器與高通濾波器構成設電容設電容C C1 1= =C C2 2

6、C C3 3，在，在中、低音頻中、低音頻區(qū)區(qū)，C C3 3可視為開可視為開路，作為路，作為低通濾低通濾波器波器；在；在中、高中、高音頻區(qū)音頻區(qū)，C C1 1、C C2 2可視為短路，作可視為短路，作為為高通濾波器高通濾波器。 viR1RP1R2C1C2R4C3R3RP2C5voC4當當ff0時時 當RP1的滑臂在最左端低頻時，對應于提升最大的情況 (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 當當ff0時時 當RP1滑臂在最右端時，對應于低頻衰減最大的情況 (b)viC1R4R1RP1R2vo當當ff0時時 分析表明，圖(a)所示電路是一個一階有源低通濾波器，其增益函數(shù)的表達式為 (3-

7、7-2) 式中， )2/(1 )( /121L1211CRPfCRP或)2/()( )( / )(22121L2221212CRRPRRPfCRRPRRP或 (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 12121io/ )(j1/ )(j1jRRRPVVA當當ff0時時 當ffL1時，C2可視為開路，運算放大器的反向輸入端視為虛地，R4的影響可以忽略，此時電壓增益 121VL/ RRRPA (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 當當ff0時時 在f=fL1時，因為fL2 =10fL1 ，故可由式j1j1.01121V1RRRPA模 此時電壓增益相對AVL下降3dB。 12

8、1V1R2/ )RRP(A (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 12121io/ )(j1/ )(j1jRRRPVVA得得當當ff0時時 在f=fL2時，由式(3-7-2)得j101j1121V2RRRPAVL121V214. 0102ARRRPA模 此時電壓增益相對AVL下降17dB。 (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 當當f f0時時 音調控制器的高頻等效電路如圖所示 viC3R3R1R2R4voRP2C C1 1、C C2 2可視為短路，作為可視為短路，作為高通濾波器高通濾波器。當當f f0時時 將C1、C2視為短路，R4與R1、R2組成星形連接，將其轉

9、換成三角形連接后的電路如圖所示 viC3R3RaRbvoRP2Rc41221c2424b24141a/RRRRRRRRRRRRRRRRRR若取R1=R2=R4，則Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R4當當f f0時時 RP2的滑臂在最左端時，對應于高頻提升最大的情況 ,等效電路見圖(a) vi C3 R3 Ra Rb vo (a)viC3R3RaRbvoRP2Rc當當f f0時時 RP2的滑臂在最右端時，對應于高頻衰減最大的情況，等效電路見圖(b)。 vo Rb vi Ra R3 C3 (b)viC3R3RaRbvoRP2Rc當當f f0時時 分析表明，圖(a)所示電路為

10、一階有源高通濾波器，其增益函數(shù)的表達式為 43abio/j1/j1)j (RRVVA式中， 2/1 /133aH133a3CRRfCRR或33H233421 /1CRfCR或 vi C3 R3 Ra Rb vo 當當f f0時時 當ffH1（ f0時時在f=fH2時,V0V4210AA此時電壓增益AV4相對于AV0提升了17dB。 vi C3 R3 Ra Rb vo 當當f f0時時當f fH2時，3視為短路，此時電壓增益 AVH = (RaR3)/R3 vi C3 R3 Ra Rb vo 當當f f0時時 同理可以得出圖(b)所示電路的相應表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。 vo Rb

11、vi Ra R3 C3 (b)(b)實際應用中實際應用中 通常先提出對低頻區(qū)fLx處和高頻區(qū)fHx處的提升量或衰減量x(dB)，再根據下式求轉折頻率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即 6LL22xxff6HH12xxff4、功率放大器、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。 (1) LA4100 LA4102集成音頻功放集成音頻功放 1210986R35.1kT3R6100T4R83k100R12R9510 R48.8kR11320kR510kT1

12、T2R25.1kT5T6T8T9T10T11R1120kR7150kT7T14543114T13T12R10100(2) 集成功放的典型應用集成功放的典型應用 圖3.7.13 LA4100接成OTL電路 C214電源13121110981234567自舉偏流輸入制波抑紋 空退耦輸出 空 空電源地消振消振反饋LA4100LA4102C196RFCF543121014C3C4131CHCCRLCDCBLA4100viVCC(2) 集成功放的典型集成功放的典型應用應用-外部元件的作外部元件的作用用 RF、CF與內部電阻R11組成交流負反饋支路，控制功放級的電壓增益AVF，即 F1111VF/1RRR

13、RAF CB為相位補償電容。CB減小，帶寬增加，可消除高頻自激。CB一般取幾十皮法至幾百皮法。 C2C196RFCF543121014C3C4131CHCCRLCDCBLA4100viVCC 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。 C2C196RFCF543121014C3C4131CHCCRLCDCBLA4100viVCC CH為自舉電容，使復合管T12、T13的導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

14、消除低頻自激。 C2C196RFCF543121014C3C4131CHCCRLCDCBLA4100viVCC二、音響放大器主要技術指標及二、音響放大器主要技術指標及測試方法測試方法 額定功率額定功率 音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(如5%)時的最大功率稱為額定功率。其表達式為 L2ooRVP 式中，RL為額定負載阻抗；Vo(有效值)為RL兩端的最大不失真電壓。Vo常用來選定電源電壓VCC occ22VV 額定功率額定功率測量Po的條件如下： 信號發(fā)生器的輸出信號(音響放大器的輸入信號)的頻率fi=1kHz，電壓Vi=5mV，音調控制器的兩個電位器RP1、RP2置于中間位置，音量控制電位器置

15、于最大值，用雙蹤示波器觀測vi及vo的波形，失真度測量儀監(jiān)測vo的波形失真。 注意注意 在最大輸出電壓測量完成后應迅速減小在最大輸出電壓測量完成后應迅速減小V Vi i，否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。 額定功率額定功率測量Po的步驟是： 功率放大器的輸出端接額定負載電阻RL(代替揚聲器)，逐漸增大輸入電壓Vi，直到vo的波形剛好不出現(xiàn)削波失真(或3%)，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓，由式(3-7-22)即可算出額定功率Po。 音調控制特性音調控制特性 輸入信號vi (=100mV)從音調控制級輸入端的耦合電容加入，輸出信號v0從輸出端的耦合電容

16、引出。先測1kHz處的電壓增益Av0(Av0=0dB)，再分別測低頻特性和高頻特性。 音調控制特性音調控制特性測低頻特性的方法： 將RP1的滑臂分別置于最左端和最右端時，頻率從20Hz至1kHz變化，記下對應的電壓增益。 音調控制特性音調控制特性 同樣，測高頻特性是將RP2的滑臂分別置于最左端和最右端，頻率從1kHz至50kHz變化，記下對應的電壓增益。 最后繪制音調控制特性曲線，并標注與fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等頻率對應的電壓增益。 頻率響應頻率響應 放大器的電壓增益相對于中音頻fo(1kHz)的電壓增益下降3dB時對應低音頻截止頻率fL和高音頻截止頻率

17、fH，稱fL fH為放大器的頻率響應。 測量條件同上，調節(jié)RP3使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%。 頻率響應頻率響應 測量步驟是： 音響放大器的輸入端接vi (等于5mV)，RP1和RP2置于最左端，使信號發(fā)生器的輸出頻率fi從20Hz至50kHz變化(保持vi=5mV不變)，測出負載電阻RL上對應的輸出電壓Vo，用半對數(shù)坐標紙繪出頻率響應曲線，并在曲線上標注fL與fH值。 輸入阻抗輸入阻抗 將從音響放大器輸入端(話音放大器輸入端)看進去的阻抗稱為輸入阻抗Ri。 如果接高阻話筒，則Ri應遠大于20k。接電唱機，Ri應遠大于500k。 Ri的測量方法與放大器的輸入阻抗測量方法相同。 輸入靈敏度

18、輸入靈敏度 使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓(有效值)稱為輸入靈敏度Vs。 測量條件與額定功率的測量相同，測量方法是，使Vi從零開始逐漸增大，直到Vo達到額定功率值時所對應的電壓值，此時對應的Vi值即為輸入靈敏度。 噪聲電壓噪聲電壓 音響放大器的輸入為零時，輸出負載RL上的電壓稱為噪聲電壓VN。 測量條件同上，測量方法是，使輸入端對地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀測輸出負載RL兩端的電壓波形，用交流毫伏表測量其有效值。 整機效率整機效率 式中，Po為輸出的額定功率；PC為輸出額定功率時所消耗的電源功率。 %100/CoPP三、設計舉例三、設計舉例 例 設計一音響放大器，要求具有音

19、調輸出控制、卡拉OK伴唱，對話筒與錄音機的輸出信號進行擴音。 已知條件已知條件 +VCC = +9V，話筒(低阻20)的輸出電壓為5mV，錄音機的輸出信號電壓為100mV。電子混響延時模塊1個，集成功放LA4102 1只，8/2W負載電阻RL 1只，8/4W揚聲器1只，集成運放LM324 1只（或mA741 3只）。 主要技術指標主要技術指標 額定功率 Po1W( 20。 設計過程設計過程 確定整機電路的級數(shù) 根據各級的功能及技術指標要求分配電壓增益 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 設計過程設計過程 根據技術指標要求，音響放大器的輸入為5mV時，輸出功率大于1W，則輸出電

20、壓Vo=2.8V?？傠妷涸鲆鍭v=Vo/Vi560倍(55dB)。 話 放 級混 放 級音 調 級5mVAV18.5倍18.5dB42mVAV23倍9.5dB125mVAV30.8倍2dB100mVAV430倍29.5dB3VAV=612倍 (56dB)功 放 級(1) 功率放大器設計功率放大器設計 功放級的電壓增益 vi+9VC42220mFC43220mFC44100mFC41964.7mF141012131220mFCHLA4102CC470mF/25VRL8560pF51pFCB345RF600CF33mFA4*CD33F114VRRAR R1111=20K=20K(1) 功率放大器設

21、計功率放大器設計 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0.15mF的電容，或減小CD的值。 (2) 音調控制器音調控制器(含音量控制含音量控制)設計設計viR3147kR3247kRP31470kC34C310.01mFC320.01mF47kR349VC33470pFR3313k10k10910k118A34RP32470kC3510mFC414.7mFRP3310k14LM324vo100mF(2) 音調控制器音調控制器(含音量控制含音量控制)設計設計 已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。 由式(3-7-16)、(3-7-17)得到轉折

22、頻率fL2及fH1； fL2 = fLx *2x/6=400Hz，則fL1 =fL2/10=40Hz ； fH1 = fHx /2x/6=2.5kHz ，則fH2= 10fH1=25kHz 。 (2) 音調控制器音調控制器(含音量控制含音量控制)設計設計 由式(3-7-5)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=470k，R31=R32=47k，則 dB8 .2011313231VLRRRPA(2) 音調控制器音調控

23、制器(含音量控制含音量控制)設計設計 由式(3-7-3)得 uFfRPC0.00821L13132取標稱值0.01mF，即C31=C32=0.01mF。 由式(3-7-9)得 R34=R31=R32=47k ，則 Ra=3R4=141k (2) 音調控制器音調控制器(含音量控制含音量控制)設計設計 由式(3-7-15)得 R33=Ra/10=14.1k 取標稱值13k由式(3-7-12)得 pF49021H23333fRC取標稱值470pF 取RP32=RP31=470k，RP33=10k，級間耦合與隔直電容C34=C35=10mF。 (3) 話音放大器與混合前置放大器設計話音放大器與混合前置

24、放大器設計 vo21mFR1110k10kvi1C1110mF話筒10k32R1275k9V411A1錄音機vi2100mVC1310mFRP1210kC2310mFR2330kR2110kC2110mFRP1110kC1210mFvo1R2230k10k10k569V411+A2C2210mF1714LM3245mV14LM324(3) 話音放大器與混合前置放大器設計話音放大器與混合前置放大器設計 圖3.7.18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) dB5 .185 . 811112VlRRA

25、四、電路安裝與調試技術四、電路安裝與調試技術 1. 合理布局，分級裝調合理布局，分級裝調 音響放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機線路進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布線，功放級應遠離輸入級，每一級的地線盡量接在一起，連線盡可能短，否則很容易產生自激。 1. 合理布局，分級裝調合理布局，分級裝調 安裝前應檢查元器件的質量，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。安裝一級調試一級，安裝兩級要進行級聯(lián)調試，直到整機安裝與調試完成。 2. 電路調試技術電路調試技術 電路的調試過程一般是先分級調

26、試，再級聯(lián)調試，最后進行整機調試與性能指標測試。 2. 電路調試技術電路調試技術 分級調試又分為靜態(tài)調試與動態(tài)調試。 靜態(tài)調試時，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兩端充電電壓也應為VCC/2。 動態(tài)調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是否滿足題目要求，如果相差很大，應檢查電路是否接錯，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。 2. 電路調試技術電路調試技術 單級電路調試時的技術指標較容易達到

27、，但進行級聯(lián)時，由于級間相互影響，可能使單級的技術指標發(fā)生很大變化，甚至兩級不能進行級聯(lián)。產生的主要原因： 一是布線不太合理，形成級間交叉耦合，應考慮重新布線； 二是級聯(lián)后各級電流都要流經電源內阻，內阻壓降對某一級可能形成正反饋，應接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0.1mF小電容相并聯(lián)。 2. 電路調試技術電路調試技術 由于功放級輸出信號較大，對前級容易產生影響，引起自激。集成塊內部電路多極點引起的正反饋易產生高頻自激，常見高頻自激現(xiàn)象如圖3.7.19所示。 可以加強外部電路的負反饋予以抵消，如功放級腳與之間接入幾百皮法的電容，形成電壓并聯(lián)負反饋，可消除疊加的高頻

28、毛刺。 2. 電路調試技術電路調試技術 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。 產生的主要原因是輸出信號通過電源及地線產生了正反饋?？梢酝ㄟ^接入RC去耦濾波電路消除。 2. 電路調試技術電路調試技術 為滿足整機電路指標要求，可以適當修改單元電路的技術指標。圖3.7.20為設計舉例整機實驗電路圖，與單元電路設計值相比較，有些參數(shù)進行了較大的修改。 3. 整機功能試聽整機功能試聽 用8/4W的揚聲器代替負載電阻RL，可進行以下功能試聽： 話音擴音 將低阻話筒接話音放大器的輸入端。應注意，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話筒輸入后，會產生自激

29、嘯叫。講話時，揚聲器傳出的聲音應清晰，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3.7.20接入。用手輕拍話筒一次，揚聲器發(fā)出多次重復的聲音，微調時鐘頻率，可以改變混響延時時間，以改善混響效果。 音樂欣賞 將錄音機輸出的音樂信號，接入混合前置放大器，改變音調控制級的高低音調控制電位器，揚聲器的輸出音調發(fā)生明顯變化。 卡拉OK伴唱 錄音機輸出卡拉OK磁帶歌曲，手握話筒伴隨歌曲歌唱，適當控制話音放大器與錄音機輸出的音量電位器，可以控制歌唱音量與音樂音量之間的比例，調節(jié)混響延時時間可修飾、改善唱歌的聲音。 整機框圖整機框圖 C12R1110k1mF10k239VR1275kA14111C1110mF話筒C13C14RP1110k10mF14LM32410mF電子混響器R3147kRP31470kR3247kC310.01mFC320.01mF9VR3447k910R229V30k610k510kA27C2410mF14LM324R2110kR2330kC2110mFC2310mF錄音機C2210mFRP2110kRP32470k R3313kA310k14LM324C3510mFRP3310k10mFC4196 RF 600CF33mFCB543121014CD51pF RL8CC470mF/25V131CH220mFC43220mFC44100mFC42