音響放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

2023/2/1龍從玉11.1

掌握音響放大器的基本組成和工作原理及電路設(shè)計(jì)流程；1.2

掌握功率放大器的主要指標(biāo)、電路調(diào)試與參數(shù)測(cè)試方法；1.3

了解音調(diào)控制電路的計(jì)算與測(cè)試方法；1.4

熟悉Proteus軟件在電路設(shè)計(jì)的使用。2.1輸出功率：Po≥1.0W(r＜3%)、

負(fù)載阻抗RL=10Ω（8Ω揚(yáng)聲器）、輸入阻抗

Ri>20kΩ。2.2

頻率響應(yīng)：fL=30hz、fH=20kHz。*2.3音調(diào)控制特性：在1kHz時(shí)，Au=0dB、在30hz與20khz時(shí)，AuL=AuH≈±20dB。音響放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用運(yùn)放與功率管設(shè)計(jì)含音調(diào)控制電路的音響放大器1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、主要性能指標(biāo)要求及可供元器件目錄設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課題2023/2/1龍從玉2

2.4

音響放大器主要元器件

運(yùn)放：UA741或LM324、三極管：9012、9013、TIP41、TIP42（功放管）電阻電容：略測(cè)試器件：話筒1只揚(yáng)聲器8Ω

1只、可選集成功放：TDA2003或LM3803、音響放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程與音響電路設(shè)計(jì)方案選擇確定設(shè)計(jì)指標(biāo)擬定電路方案設(shè)定器件參數(shù)進(jìn)行電路仿真電路安裝調(diào)試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束通過(guò)測(cè)試通過(guò)仿真修改電路修改電路否否否否圖-1音響電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程圖3.1音響放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程如右圖-1。2023/2/1龍從玉33.2

音響放大器電路設(shè)計(jì)方案選擇

整機(jī)電路可分為話放級(jí)、混放級(jí)、音調(diào)級(jí)與功放級(jí)。根據(jù)各種音響電路的不同構(gòu)成，電路中各級(jí)電壓增益的分配不同：1）對(duì)采用集成功放的電路，各級(jí)電壓增益分配如下：話放Au1=2倍6dB5mv10mv前置放大Au2=10倍20dB100mv音調(diào)級(jí)Au3=1倍0dB100mv功放級(jí)Au4=30倍29.5dB3VAu∑=600(56dB)2）對(duì)采用運(yùn)放驅(qū)動(dòng)功率管的電路，則應(yīng)減少功放級(jí)的增益，提高話放或前置放大級(jí)的增益，各級(jí)電壓增益分配如下：話放Au1=5倍14dB5mv25mv前置放大Au2=10倍20dB250mv音調(diào)級(jí)Au3=1倍0dB250mv功放級(jí)Au4=12倍22dB3VAu∑=600(56dB)

在采用復(fù)合功率管的電路中，電流放大管的電壓增益Au<1，驅(qū)動(dòng)運(yùn)放的電壓增益過(guò)大，則其頻率特性會(huì)下降。2023/2/1龍從玉4★音響的單元電路構(gòu)成、工作原理、調(diào)試與測(cè)試方法4

、話放與混放電路GND話筒AMP=5mFREQ=1k100%RV310k話放電路混放電路R120kR2100kR610kR510kR751k0%RV210kMP3AMP=50mFREQ=1kR1010k3267415U1UA741U1-VALUE=-93267415U2UA741R310kR420kC110uC210uC310uC410uC510u100%RV110kU1+VALUE=9U2(V+)VALUE=9VU2(V-)VALUE=-9V話筒信號(hào)特點(diǎn)：①信號(hào)小5mV左右、②輸出阻抗高。4.1

話筒信號(hào)放大電路采用同相放大電路，其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。4.2

混放電路則采用反相比例加法電路。4.3

運(yùn)放電路的靜態(tài)檢查：兩輸入端經(jīng)電阻或電容接地，測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端與輸出端靜態(tài)電壓應(yīng)為零。（雙電源電路）4.4

采用同相輸入的放大電路，在實(shí)際應(yīng)用中的自激噪聲較大?？稍谶\(yùn)放的輸出端與反相輸入端之間接約0.01uF的電容來(lái)消除自激。圖-2話放與混放電路2023/2/1龍從玉55、音響的功放電路5.1

典型音響功放圖

OCL功放電路如右圖-21）功放的作用：給揚(yáng)聲器提供輸出功率。2）功放要求：輸出功率大、信號(hào)失真小、效率高。目前常用集成功放。3）實(shí)驗(yàn)要求：進(jìn)行功放電路分析，掌握功放電路的構(gòu)成、工作原理、調(diào)試與測(cè)試方法。圖-3OCL功放電路圖UAU1OC110uD1D21N4001Q3(C)VALUE=9VQ19013Q29012Q3TIP4123%RPF20kuoQ4TIP42Q2eQ2bC20.1uR12kRF10kR55.1kR951R7100R8100R651R45.1kR1023267415U1UA741OCL功放電路電壓增益Au=(RPF+RF+R1)/R1Q1bQ1eR210kU1(V+)VALUE=9U1(V-)VALUE=-9Q4(C)VALUE=-9揚(yáng)聲器VNOM=3VLOAD=8C210u0%RV110kui4）在圖-3電路中，用TIP41替換TP42的方法：把Q4基極改接Q2的C極，參照Q3接法，把R8與R9電阻值對(duì)應(yīng)互換！2023/2/1龍從玉6在功放電路中，用單電源接法電容耦合輸出的為OTL電路，雙電源接法無(wú)電容耦合輸出的為OCL電路。功放電路的狀態(tài)為甲乙類工作狀態(tài)，功放復(fù)合管的導(dǎo)電極性由第一個(gè)三極管（Q1或Q2）決定。靜態(tài)時(shí)，Q1、Q2應(yīng)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)。電路靜態(tài)功耗小并能克服交越失真。功放兩對(duì)復(fù)合管的基極偏置電路由R4、R5、RW1、D1、D2組成，靜態(tài)電流IQ

：IQ=(VCC-2VD)/(R4+R5+RW1)。二極管D的材料應(yīng)與三極管Q的相同。

R7、R8用于減少?gòu)?fù)合管的穿透電流，提高電路穩(wěn)定性，一般取100--200Ω。R6、R9為平衡電阻，可使Q1、Q2的輸出對(duì)稱，一般取50-100Ω。（在兩個(gè)功率管的發(fā)射極支路上均串聯(lián)0.2-1Ω的反饋電阻，能改善功放電路的性能）。

R10與C4組成消振電路，有利于消除電感性揚(yáng)聲器易引起的高頻自激，改善功放的高頻特性。5.2

OCL功放電路的工作原理2023/2/1龍從玉7

功放電路的運(yùn)放主要完成信號(hào)電壓放大任務(wù)，采用自舉式同相交流電壓放大器。C1輸入耦合電容，C2是自舉電容，同時(shí)有隔直流的作用。

RF與RPF組成反饋電路，與R1共同確定運(yùn)算電路的比例系數(shù)，功放級(jí)的總電壓增益為：Au=1+(RF+RPF)/R1。5.4

功放電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與自激的消除

功放電路參數(shù)應(yīng)完全對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)功放對(duì)稱中點(diǎn)（輸出端）的電壓UA=0，是交流零點(diǎn)，（因單電源的OTL電路的參考電壓由分壓電路取得，電路交流零點(diǎn)的靜態(tài)電壓UA=VCC/2）功放電路的靜態(tài)電流由IQ決定，IQ過(guò)小會(huì)有交越失真，

IQ過(guò)大則會(huì)使功放的效率下降，一般可取IQ≈2-3mA。三極管Q1、Q2靜態(tài)基極電壓為UA±VD，在±0.5V左右。

由于電源內(nèi)阻可能對(duì)某級(jí)電路產(chǎn)生正反饋而出現(xiàn)自激，可并聯(lián)接入幾百uF的去耦濾波電容消除。5.3

功放驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置與增益的計(jì)算2023/2/1龍從玉8表-1話放與混放電路測(cè)試表VCC/V靜態(tài)測(cè)試動(dòng)態(tài)測(cè)試U1O/VU2O/VIQ/mAui/Vu1o/VAu1u2o/VAu26、音響放大器的主要參數(shù)測(cè)試6.1話放電路與混放電路的測(cè)試

先將話放電路的輸入端接地，測(cè)量話放電路與混放電路輸出端的靜態(tài)電壓U1O和U2O，測(cè)量?jī)蛇\(yùn)放的靜態(tài)電流IQ。然后將信號(hào)源輸出的頻率f=1khz電壓ui=50mV正弦信號(hào)接入話放電路輸入端，測(cè)量運(yùn)算放大電路的電壓增益。填入表-1中。6.2

運(yùn)放驅(qū)動(dòng)復(fù)合功率管功放電路的性能測(cè)量1）先將功放電路輸入端接地，調(diào)節(jié)復(fù)合管基極偏置電壓的電位器，用萬(wàn)用表直流電壓檔，測(cè)量Q1基極偏壓約0.5V(或功放的靜態(tài)總電流IQ約1-2mA)。測(cè)量運(yùn)放及各晶體管各極的靜態(tài)電壓及輸出端A點(diǎn)的靜態(tài)電壓UA，記錄在表-2中。2023/2/1龍從玉9表-2功放電路的測(cè)試數(shù)據(jù)表

f=1kHz靜態(tài)測(cè)量ui=0動(dòng)態(tài)測(cè)量功效測(cè)量

RL=10ΩIQ/mAUB1/VUB2/VUE1/VUE2/VUA/VUi/VUOM/VAuVCC/VIOM/mAUOM/VPOM/WPC/Wη2）保持調(diào)好功放的靜態(tài)工作點(diǎn)不變，接入1kHz輸入信號(hào)，逐步提高信號(hào)電壓，調(diào)節(jié)功放電路電壓增益調(diào)節(jié)電位器RF，使功放輸出最大不失真電壓，測(cè)量功放輸出電壓UOM及功放輸出電流IOM，（因IOM>>功放靜態(tài)電流IQ，可采用直接讀出直流穩(wěn)壓電源顯示的輸出直流電流IIM代替測(cè)量功放輸出電流IOM）。計(jì)算運(yùn)放的輸入功率PC、輸出功率POM及效率η，記錄在表-2中。3）用話筒輸入音頻信號(hào)，試聽揚(yáng)聲器輸出音頻，調(diào)節(jié)音量電位器，感受音量的變化；

用MP3從混放電路輸入音樂，分別調(diào)節(jié)高音與低音電位器，感受音調(diào)的變化。2023/2/1龍從玉10*7

、選作：音調(diào)控制電路7.1音調(diào)電路工作原理1）低音頻率:fL=1/(2πRP1C1)令C1=C2>>C3，在中低音頻區(qū)f<fo，C3C4視為開路；當(dāng)RP1調(diào)向輸入端C1,低頻增益提升；

AuL≈(R1+RP1)/R1當(dāng)RP1調(diào)向輸出端C2,低頻增益衰減.2）高音頻率:fH=1/(2πR4C3)在中高音頻區(qū)f>fo

，

C1.C2可視為短路。當(dāng)RP2調(diào)向輸入端，高頻增益提升:AuH≈[(XC3+RP2)//R31]/(XC3//R23)R1R2R3作星角變換R31=R23=46K均應(yīng)并聯(lián)！當(dāng)RP2調(diào)向輸出端，高頻增益衰減。3）測(cè)試音調(diào)控制特性參數(shù)，并作出音調(diào)控制特性曲線圖。C10.033uR110k0%RP1100k100%RP2100kC20.033uR318kR210kCi10uR43.6KC32200puiAMP=100mvOFFSET=0FREQ=1kuiuo2R51k3267415U2UA741U2(V+)U2(V-)C42200pfL=1/(2*3.14*3.3*10-8*105)=48hzfH=1/(2*3.14*2.2*10-9*3.6*103)=20khz圖-5音調(diào)控制電路fL=20hz:0.033u,XC1=242K2200p,XC3=3.62MfH=20Khz:0.033u,XC1=2422200p,XC3=3.62K2023/2/1龍從玉11表-3音調(diào)控制特性測(cè)量數(shù)據(jù)表ui=100mV測(cè)量頻率點(diǎn)fL1fL2fofH2fH1調(diào)輸入頻率/hz301k20k低音提升高音衰減調(diào)音調(diào)電位器低音調(diào)向輸入端中端高音調(diào)向輸出端uo/v140mv100mv71mvAu/dB30-3低音衰減高音提升調(diào)音調(diào)電位器低音調(diào)向輸出端中端高音調(diào)向輸入端uo/v71mv100mv140mvAu/dB-3037.3

根據(jù)音調(diào)控制數(shù)據(jù)表，作出音調(diào)控制曲線如右圖的音調(diào)控制曲線。7.2音調(diào)控制電路的測(cè)試

保持輸入信號(hào)ui=100mV不變，改變頻率f，分別調(diào)節(jié)低音與高音控制電位器，測(cè)量輸出電壓，計(jì)算電壓增益，并記錄在表-3中。0Au/dBf/hz高音衰減低音衰減低音提升高音提升2023/2/1龍從玉128.1

額定功率：音響輸出失真度<設(shè)定值（如r<5%）的最大功率。即：PO=UO2/RL

式中RL：額定負(fù)載阻抗；UO:RL上的最大電壓有效值。(Vcc≥2√2*UO)

測(cè)量PO：采用1khz中頻，兩音調(diào)電位器置中間，逐步提高輸入信號(hào)電壓，記錄最大不失真電壓。8.2

音調(diào)控制特性：分別從音調(diào)控制級(jí)輸入/輸出信號(hào)，分別提升與衰減、高頻與低頻信號(hào)，分別音調(diào)控制特性數(shù)據(jù)（如表-3），并作音調(diào)控制特性曲線。8.3

頻率響應(yīng)：放大器的電壓增益相對(duì)中頻(1khz)的電壓增益下降3dB時(shí)

(uo’=0.707uo),對(duì)應(yīng)的高音/低音頻頻率(fH/fL).記錄頻率特性測(cè)量數(shù)據(jù)如表-3，作出頻率特性曲線。8.4

輸入阻抗：分別測(cè)量話放級(jí)輸入阻抗與電唱機(jī)輸入阻抗。8.5

輸入靈敏度：音響放大器輸出額定功率時(shí)的輸入電壓有效值。8.6

噪聲電壓：輸入電壓ui=0(輸入端接地)時(shí)，測(cè)量輸出電壓uo=?。8.7

整機(jī)效率：

η=(Po/Pc)%

Po：輸出額定功率；Pc：輸出額定功率時(shí)的輸入電源功率。8、音響放大器主要技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法2023/2/1龍從玉139.1

實(shí)驗(yàn)要求先分單元電路做靜態(tài)電壓調(diào)試、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，然后進(jìn)行統(tǒng)調(diào)測(cè)試。9.2

測(cè)量并記錄音響電路的各級(jí)靜態(tài)電壓與靜態(tài)電流，測(cè)量信號(hào)中頻段（f=1kHz）音響的輸入信號(hào)電壓ui1和ui2，各級(jí)輸出電壓uo1、uo和電流Iom

，計(jì)算音響電路的整機(jī)增益Au、輸入功率Pc輸出功率Po及效率η

。*9.3分別改變輸入信號(hào)頻率，調(diào)節(jié)高音與低音電位器，測(cè)試相應(yīng)的音調(diào)控制特性，據(jù)此數(shù)據(jù)作出音響放大器的音調(diào)控制特性曲線。9.4

實(shí)驗(yàn)報(bào)告按設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)方案的選擇、主要單元電路原理分析與參數(shù)計(jì)算、電路元件布局與布線安排、調(diào)試測(cè)試過(guò)程與方法、測(cè)試數(shù)據(jù)與電路性能參數(shù)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論、實(shí)驗(yàn)收獲體會(huì)及對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改革的建議。9、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求2023/2/1龍從玉141.2

音樂輸出功率(MPO)不失真

音樂輸出功率(MusicPowerOutpour)：它是指功放電路工作于音樂信號(hào)時(shí)的輸出功率，也就是輸出失真度≤規(guī)定值的條件下，功放對(duì)音樂信號(hào)的瞬間最大輸出功率。音樂輸出功率為額定輸出功率的2倍。1.3

峰值音樂輸出功率(PMPO)失真它是最大音樂輸出功率，是功放電路的另一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，若不考慮失真度功放電路可輸出的最大音樂功率就是峰值音樂輸出功率。通常峰值音樂輸出功率>音樂輸出功率，音樂輸出功率>額定輸出功率，峰值音樂輸出功率是額定輸出功率的6-8倍。

★揚(yáng)聲器的標(biāo)稱功率一般為峰值音樂輸出功率。1.1

額定功率(RMS：正弦波均方根)標(biāo)示法：美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)于1974年規(guī)定了功率的定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)在20～20000Hz范圍內(nèi)諧波失真<1％時(shí)測(cè)得的有效功率。附1

音箱功率的幾種標(biāo)示方法2023/2/1龍從玉15附2

圖-6OCL功放的音響電路龍F(tuán)ILENAME:BY:DATE:PAGE:OCL功放的音響電路龍.pdsprj2013-4-30<NONE>ABCDEFGHJKABCDEFGHJK01234567890123456789H:\OCL功放的音響電路龍.pdsprjPATH:1of1REV:<NONE>TIME:10:50:33DESIGNTITLE:H:\OCL功放的音響電路龍.pdsprjuo2UOC510uD1D21N4001VCCVALUE=6Q19013Q29012Q3TIP4185%RPF20kuoV=-3.72393Q4TIP42C210.033u50%RP1100k50%RP2100kC220.033uui=5mvf=1kuiV=-0.00462705uo3V=-0.506244C110uQ2eV=-4.41919Q2bV=-5.20087音響幅頻曲線音調(diào)控制幅頻曲線C210uC232200pC242200pC410uSW1C70.1uR120kR2200kR6100kR410kR75.1kR2110kR2210kR2318kR243.6kR3210kRF10kR355.1kR3951R37120R38120R3651R345.1kR810uo1V=-0.0504053267415U3LM741U3(V+)VALUE=63267415U2LM7413267415U1LM7413267415U4LM741R510kC310u0%RV110kMP3Q1bV=-4.2793Q1eV=-3.72393uo2V=0.517623R320kR312kU1(V+)VALUE=6U1(V-)VALUE=-6U2(V+)VALUE=6U2(V-)VALUE=-6VSSVALUE=-6U3(V-)VALUE=-6C8560pC610uQ3(C)I=-0.00330753UO4V=-4.89406各級(jí)輸入輸出電壓波形RL10R話放電路uo1=ui[1+(R2/R1)]混放電路uo2=

(uo1+ui2)*(R6/R4)音調(diào)控制電路低音調(diào)電位器高音調(diào)電位器AuL=(R21+RP1)/R21AuH≈[(XC3+RP2)//R31]/(XC3//R23)D2D3消除交越失真RPF調(diào)整功放增益運(yùn)放驅(qū)動(dòng)OCL功放電路OCL功放電路電壓增益Au=(RPF+RF+R31)/R31IQ≈2mAuO=uoL≈3.1VXC23=1/(2*3.14fC)fL=1/(2πRP1C21)fH=1/(2πR24C23)uO4≈4.0VuO4L≈6.0VUo4=0UA=02023/2/1龍從玉16FILENAME:BY:DATE:PAGE:用OTL功放的音響電路龍.pdsprj2013-4-30<NONE>ABCDEFGHJKABCDEFGHJK01234567890123456789H:\用OTL功放的音響電路龍12.pdsprjPATH:1of1REV:<NONE>TIME:11:32:00DESIGNTITLE:H:\用OTL功放的音響電路龍.pdsprjVCUUAuoVCC/2VCC/2D1D21N4001VCCVALUE=12Q19013Q2