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1、23 模电课程设计音响放大器设计 1设计任务一、设计课题：音响放大器设计二、功能要求 :具有话音放大、音调控制、音量控制、电子混响、卡拉OK伴唱等功能三、已知条件： 电子混响延时模块一个，集成功率放大器LA4101一只，高阻话筒20千欧一个(输出信号为5毫伏)，集成运算放大器微安741三只，10欧/2瓦负载电阻一只，8欧/4瓦扬声器一只，磁带录音机一台，电源电压+VCC为+6伏，VEE为-6伏。四、主要技术指标额定功率： Po0.3W(g 20K。五、仪器设备：低频信号发生器EE1641B 1台 失真度测量仪 1台 晶体管毫伏表DA-16 1台 数字万用表UT2003 1只 双踪示波器COS5
2、020或TDS210 1台 实验万能板 1块 直流稳压电源(双路输出) 1台 元器件及工具 1盒六、测量内容与要求测量频率为1KHz时的输出功率P。及整机电压增益Av.2.设计方案的选择与比较论证方案一 ：采用锁环频率相合成技术外加音响放大器采用锁相环频率合成技术，先用锁相环频率合成产生一定范围的频率，在通过传感器把接收到的频率信号转化音频信号。在通过低通滤波器把频率控制在音频所需要的频率范围。它的优点就是工作频率可调也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。具体方案如图1所示：晶振整形电路R分频器鉴相器环路滤波器压控振荡器可变分频器 图1 锁环频率相合成技术框图
3、方案二：采用直接数字式频率合成器DDS技术外加音响放大器采用直接数字式频率合成器(DDS)，是用RAM存储所需波形的量化信息，按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在内存里。DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度也可实现程控。但在方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,那么设计的成本较高。同时电路也不好仿真。实现起来也比较困难。方案三：采用直接给定的音频信号外加音响放大器采用直接所定的音频信号，是由MP3现代音频信号设备，直接给音响放大器。此电路简单，其优点是：在音
4、频信号具有直接给定的音频频率，在频率方面没有失真效果，而且具有混响器的效果。本次设计采用这种方案主要是因为：它的设计简单可靠，软硬可相互补充各自的缺点。同时音响效果也比较好。音响放大电路设计由三部分组成:混合前置放大模块，音调输出控制模块，功率放大模块。混合前置放大模块作用是将磁带放音机输出的音乐信号混合放大。音调输出控制模块作用是主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。功率放大模块作用是给音响放大的负载（扬声器）提供一定的输出功率。话音放大器电子混响器磁带防音机混合前值放大器音调控制器功率放大器图2直接给定的音频信号外加音响放大器3原理说明31、音响放大器的工作原理音频放大器工作的原理图如图3
5、.2所示，当输入信号既录音机的输出的音乐信号与电子信号经混合前置放大器放大后；再通过音频控制器进行音量的控制, 音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。最后经过功率放大器放大后，输入扬声器。功率放大器(简称功放)的作用是给音箱放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线形失真尽可能小，效率尽可能高。音箱放大器的工作框图如图3.1所示。磁带放音机混合前置放大器音调控制器功率放大器 图3.1音箱放大器的工作方框图32 设计参考原理图：图3.2电路工作原理图4设
6、计要求与步骤41 设计要求首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放开始向前级逐级计算。本题已经给了电子混响器电路模块，需要设计语音放大器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器。根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时， 输出功率大于1W， 则输出电压V0=P0 RL2.8V。 可见系统的总电压增益AV=V0/Vi560倍（55dB）。实际电路中会有损耗，因此要留有充分余地，设各级电压增益分配如图1.1所示。AV4由集成功放级决定，此级增益不宜太大，一般为几十倍。音调控制级在f0=1KHZ时增益为1倍（0 dB），实际上会产生
7、衰减，故取AV3=0.8倍（2 dB）。受到运算放大器增益带宽积限制，话放级与混合放大级若采用uA741，其增益也不宜太大。话放级 混放级 音调级 功放级AV18.5倍AV23倍AV30.8倍AV430倍5mv 42mv 125mv 100mv 3v18.5dB 9.5dB -2dB 29.5dBAV=612倍（56dB）图4.1 各级电压增益分配42 设计步骤 为方便设计与测试检查，设计过程中采取分级设计与调试。以下是本次设计的全过程：421 功率放大器的设计已知条件 RL=8， VI=100mV，+VCC=12V，VEE=12V。性能指标要求 PO=2W， 3%（1KHZ正选波）。参数设定
8、：1.选用LA4100LA4102集成功放芯片，其内部电路如图4.2所示图4.2 LA4100LA4102集成功放的内部电路2.功率放大电路如图4.3 所示：图4.3功率放大器原理图3 外部元件的设定说明及选用：1） RF、CF与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益AVF，即 AVF=1+R11/RF R11/RF=332） CB为相位补偿电容。CB 减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十皮法至几百皮法，现取CB =51pF。3） CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于VCC/2，CC一般取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。现取CC=470F。4） C
9、D为反馈电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法，现取CD=560pF。5） CH为自举电容，使复合管T12、T13的导通电流不随输出电压的升高而减小，取CH=220F。6） C3、C4可滤除纹波，一般取几十微法到几百微法，现取C3=220F，C4=100F。7） C2为电源退耦滤波，可消除低频自激，取C2=220F。422 音调控制器的设计.由电路原理图可知音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图4.4所示。图中，f0(等于1KHZ)表示中音频率，要求增益AV0=0DB；fL1表示低音频转折(或截止)频率，一般为几十赫兹；fL2(等于10 fL1)表示低音频区的中音频
10、转折频率； fH1表示高音频区的中音频转折频率；fH2(等于10fH1)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。 AV/dB 200Db/10倍频 20 17 3 0 f/HZ -3-20 -17 fL1 fL2 fH1 fH2 图4.4 音频控制曲线由图可见,音调控制器只对底音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。由运算放大器构成的音调控制器，如图4.5所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录机、音响放大器中应用较多。在图.中RP3称为音量控制电位器，其滑臂在最上端时，音响放大器输出最大功率。 图4.5 音调控制
11、器2音调控制器的低频电路图4.6 音响放大器低频等效电路设电容C1 = C2 C3 , 在中低音频区,C3 可以视为开路,在中高音频区,C1,C2 可视为短路。 1）.当ff0 时，音调控制器的低频等效电路如图4.6所示。其中，图4.6为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图4.6所示电路是一个一介有源低通滤波器，其增益函数的表达式为：A（jw）= - 式中 ，w1=1/（RP1C2）或 fl1=1/(2pRP1C2)，w2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或fl2 =(R1+R2)/(2RP1R2C2)当ff0时，音调控制器的高频等效电路如图4.8所示。4.8音调控制器高频
12、等效电路4.9 4.8的等效电路由于此时可将C1，C2视为短路，R4与R1，R2组成星型连接，将其转换成三角形连接后的电路如图4.9所示。电阻的关系为 Ra=R1 +R4+( R1R4 /R2) Rb =R4 +R2 +（R4R2 /R） Rc=R1 +R2 +（R2R1/R4） 若取R1=R2=R4 ，则式（4-2-1）为 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4高频等效电路如图4.10所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最在最左端时，对于高频提升最大的情况：图（b）为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。分析表明，图（a）所示电路为一价有源高通波器，其增益函数的表达式为A（jw
13、）=式中 w3=1/(Ra+R3)C3或fH1=1/ 2p（Ra+R3）C3 w4=1/(R3 .C3) 或fH2 =1/(2pR3C3)与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。当f f H2时，C3 视为短路，此时电压增益 AVH=（Ra+R3）/R3同理可以得出图（b）所示电路的相应的表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器高频时的幅频特性曲线4.4中右半部分实线所示。实际应用中 ，通过先提出对低频区（或）和(或()即 =. =/ （a）高频提升 （b）高频衰减 4.10 图4.9的高频等效电路4.2.3、话音放大器由于人发出的声音频率在340Hz3400Hz之间，声波
14、在传播中会产生反射、折射、绕射和干涉等现象，达到花筒的信号比人刚刚成声带中发出来的声音要小，同时话筒是一种换能器，它将声能转化为电能，话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20K（亦有低输出阻抗的话筒如20，200等），则要对话音进行放大。由于声音在空气中传播就会产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在话音放大器中设计一个低通滤波器。话音放大器的作用是不失真地放大信号（最高频率可以达到10KHz）。话筒的频率特性、性噪比和灵敏度直接影响着重现声音的音质。同时要求输入阻抗远大于话筒的输出阻抗。但本次设计中，输入信号是由磁带防音机所提供。4.
15、2.4、混合前置放大器1前置放大器的主要功能任何功率放大器总是要将节目源输入的信号进行放大，然后输出给扬声器。节目源的种类有多种多样，如：传声器、收音头、电唱机、录音机（放音磁头）、线路传输以及新近出现的CD唱机等。这类节目源设备的输出信号电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏，甚至12伏。而功率放大器的输入灵敏度是一定的，如果我们在前面设计的例子中为50mV。这些节目源信号如果从同一输入接口输入放大器，或者由于输入电平过低，使功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；或者由于输入电平过高，使放大器的输出信号产生严重过载失真，失去高保真放大的意义。因此，必须设置前置放大器，对输入放大器的各
16、种输入信号进行处理；或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的是输入灵敏度相匹配。在各种音源信号中，除了电平差别外，他们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号的频率特性曲线呈上翘形，磁带放音的频率特性曲线也呈上翘形，即低音呈衰减，高音被提升，但他们的衰减和提升的程度又各不相同。这样，在输入功率放大器之前，必须进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态。综上所述，前置放大器的主要功能为：(1)对输入功率放大器的各种音源信号进行加工处理，或放大，或衰减，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配，使功率放大器充分发挥其放大和保真的功能。(2)进行阻抗变换，使各种音源信号的输出阻抗能与功率放
17、大的输入阻抗相匹配，实现信号的高效传输。(3)进行频率均衡处理，使电唱机和磁带机输出信号的频率特性恢复成平坦的状态。2.对前置放大器的技术要求对前置放大器的技术要求，就是必须要和功率放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求，同样也适用于前置放大器，而且对前置放大器还应略高一些。否则就不能成为一个高保真“系统”，也就是说，构成高保真系统的每一个单元都必须是一个高保真单元。3混合前置放大器参数计算混合前置放大器电路由运放A2组成，为反相输入加法器电路。根据增益分配，混合级输出电压，而话筒放大器输出已达到的要求。即，所以取。录音机插孔输出的信号一般为，已远大于要求，要对进行适当衰减，否则会产生限
18、幅失真（截顶失真）。取为，为使音量可调，电位器取。图4混合前置放大器电路混合前置放大电路5 主要技术指标及测试方法一.额定功率音响放大器失真度小于某一数值（如5%）时的最大功率称为额定功率，即 Po=UO2/RL式中RL额定负载阻抗；Uo（有效值）RL两端的最大不失真电压。 测量Po的条件：信号发生器输出频率f1=1kHz,输出电压Ui=5mV,音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音量控制电位器RP3置于最大值，双踪示波器观测Ui及Uo的波形，失真度测量仪监测Uo的波形失真。 测量Po的步骤是：功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（代替扬声器），输入端接Ui，逐渐增大输入电压Ui
19、，直到Uo的波形刚好不出现削波失真（或3%），此时对应的输出电压为最大输出电压，由上式可算出额定功率Po，请注意，最大输出电压测量后应迅速减小Ui，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。二.整机效率 式中，p0为输出的额定功率；PC为输出额定功率时所消耗的电源功率。6电路安装与调试61 电路安装合理布局，分级装调 音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，功方级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易产生自激。安装前应检查元器件的质量，安装时应该特别注意功放块，运算放大器，电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。从
20、输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装，安装一级调试一级，安装两级后进行级联调试。本实验安装与调试我们采取的是后一种方法。即从功放级向前安装与调试。.电路的调试实践表明，新安装完成的电路板，往往难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素，此外，电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。通过电路板的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查出电路安装中的错误，然后采取措施加以改进和纠正，就可使之达到预定的技术要求。电路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后进行整机调试与性能指标测试。分级调试有分为静态调试和动
21、态调试。静态调试时，将输入端对地短路，用万用表测该级输出端对地的直流电压，话放级、混合级、音调级都是由运算放大器组成的，其静态输出直流电压均为VCC/2。功放级的输出(OTL电路)也为VCC/2，且输出电容CC两端充电电压也为VCC/2。动态调试是指输入端接规定的信号，用示波器观测该级输出波形，并测量各项性能指标是否满足题目要求，如果相差很大，应检查电路是否接错，元器件数值是否合乎要求，是否是不会出现很大偏差的。单级电路调试时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大的变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因：一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应当考
22、虑重新布线；二是级联后各级电流都要流经电源内阻，内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。R一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与0.1uF小电容相并联。由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多极点引起的正反馈易产生高频自激，常见高频自激现象如图6.1所示。可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级脚与脚之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除叠加的高频毛刺。常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动。产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。可以通过接入RC去耦滤波电路消除。为满足整机电路指标要求，可以适
23、当修改单元电路的技术指标与单元电路设计植相比较，有些参数进行了较大的修改。图.1 常见高频自激现象. 整机功能试听用8欧/4瓦的扬声器代替负载电阻R，可能进行以下功能试听:(1). 话音扩音 将低阻话筒接话音放大器的输出端。应注意，扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输入后，会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音量的相位器，可控制声音大小。(2). 电子混响效果 将电子混响器模块接入。用手轻拍话筒一次，扬声器发出多次重复的声音，微调时钟频率，可以改变混响延时时间，以改善混响效果。(3). 音乐欣赏 将录音机输出的音乐信号，接入混合前置放大器，改变音调
24、控制 级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调发生明显变化。(4). 卡拉OK伴唱 录音机输出卡拉OK磁带歌曲，手握话筒伴随歌曲歌唱，适当控制话音放大器与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱音量与音乐量之间的比例，调节混延时时间可修饰、改善歌唱的声音。6.4电路测试结果测得各级电压如下：话筒输入电压VOmV 话放级输出电压V144mV混放级输出电压V2132 mV 音调级输出电压V391mV功放级输出电压V44.1 mV 6.5 数据处理：.增益的计算：话放级电压增益Av17.9 混放级电压增益Av2. 9音调级电压增益Av1 功放级电压增益Av9. 7.误差计算 (1).性能调试:外接录音机
25、,调节电位器,找出每个电位器最佳位置,使扬声器音效达到不失真而声音最大.此时,音箱放大器性能最佳.(2).参数测试:将各放大级调至最大倍数,外加模拟电压,测量级输出电压,并计算实际放大倍数,与理论值比较,算出其误差.结果记录如表6.1:表6. 1 被测级模拟输入话音放大前置放大语音放大功率放大话音放大前置放大语音放大功率放大数据记录V(mV)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(V)Av1(dB)Av2(dB)Av(dB)Av(dB)测量值5.0441329141792.91397理论值421251008.50.830误差值04.7%56%9%37%71%3.3%25%32%（3）分析1.
26、输出有干扰信号这主要是由于低通滤波器没有起到理想的低通滤波的效果引起的。2.前值放大输出有干扰波形主要是运放集成块产生了自激现象，产生了干扰信号，使输出信号有干扰波形。3.产生自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动主要是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。图1:音调级的输出波形图j:功放级的输出波形 图2 功放级输出波形图3:音响放大器的输出波形4.元器件为非精密元器件,存在一定误差,影响产品质量5.测量仪器存在误差,为非精密万用表(DT830),影响了测量结果.6.万用表测量结果不稳定,读数有误差;数据计算中,结果精确到小数点后一位有效数字.7.功率放大级有元件参数不准确,
27、有一个1欧电阻因没配到用10欧代替,加大了误差.7. 音响放大器元件清单表7.1元件清单元件数量元件数量电容（1微发）1个电容（10微发）9个电容（0.01微发）2个电容（560皮发）1个电容（470微发）1个电容（100微发）2个电容（33微发）1个电容（220微发）2个电容（51皮发）1个电容（560皮发）1个滑动变阻器（10千欧姆）3个滑动变阻器（470千欧姆）2个电阻（10千欧姆）8个电阻（75千欧姆）1个电阻（3千欧姆）2个电阻（47千欧姆）3个电阻（470千欧姆）1个电阻（13千欧姆）1个电阻（600欧姆）1个电阻（8欧姆）1个LM3243块LA41021个.心得体会 此次课程设计
28、让我受益匪浅， 使我尝试到了将所学知识用于实践的喜悦和成就感。在本次课程设计过程中，我们遇到了书本上面许多没有的知识，同时也接触到一些新的原器件，众多的新鲜知识往往给还完全处于理论分析中的我们带来了困难。然而这些困难并不构成我们前进的障碍。反之，却产生一种深研结果得之与我的思想。并且这种好学的思维激励着我掌握知识，激励着对电子科研技术的钻研，增加了设计乐趣，也产生了成功设计电子作品的原动力。不仅为所学的专业课程打下了坚实的基础，提高了我们对分析与解决问题的能力，也在研究与电子爱好追求上做了一个很好的起步。在这个设计中，我学到了学习理论时学不到的东西，不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识，这样实践与理论相结合就可以更快而有效地掌握知识。也许我做得都不是很好，我记得以前有个老师和我们说过，重在参与，只要我们都动手去做了，就一定会有收获。的确，我们现在学到的只是很少很少的一部分，可是我们已经有了一个好的开始，只要我们继续努力努力下去，相信成功终有一天会属于我们！参考文献【1】. 谢自美 电子线路设计、实验、测试（第三版） .武汉：华中科技大学出版社【2】. 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版） .北京：高等教育出版社【3】. 熊幸明.电工电子技能训练.北京：电子工业出版社【4】. 胡宴如模拟电子技术高等教育出版社 自本0903班曾盛