《模拟电子技术》课程设计-音响放大器的设计.doc

湖 南 工 学 院（筹） 模拟电子技术课程设计说明书 课题名称： 音响放大器的设计系 部： 电气与信息工程系专 业： 电子信息技术班 级： 0504班设 计 人： 学 号： 402050435指导老师： 时 间： 2006年月12月湖 南 工 学 院（筹）课程设计任务书课 程：模拟电子技术课程设计题目：音响放大器的设计适 用 班 级：电信0504班时 间：20062007学年第一学期指 导 教 师： 课程设计任务书音响放大器的设计(一)、设计目的1、解集成功率放大器内部电路工作原理2、掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法3、掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术(二)、设计要求和技术指标1、技术指标额定功率p0.3w，负载阻抗为10，频率响应范围为50hz-20khz，输入阻抗大于20k，放大倍数20db。2、设计要求（1）设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级；（2）选定元器件和参数，并设计好电路原理图；（3）在万能板或面包板上进行电路安装调测；（4）测试输出功率；（5）测试输入阻抗；（6）写出设计报告。(三) 、设计提示1、音响放大器的设计框图如图4-1所示，2、音响放大器各级增益分配如图4-2所示3、设计用仪器：示波器1台，晶体管毫伏表，万用表1块，低频信号发生器，实验面包板或万能板，智能电工实验台。4、设计用主要器件：电子混响延时模块一片、集成功放lm386（或la41020）、四运放lm324一块、la4102、高阻话筒20k一个、扬声器（8/4w）一个、电阻电容若干。参考书：彭介华电子技术课程设计指导高教出版社；上课教材。（四）、设计报告要求1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值；3、列出设计电路测试数据表格；4、进行设计总结的分析，并写出设计报告。（五）设计总结与思考1、总结话音放大器的设计和测试方法；2、总结设计话音放大器所用的知识点。目 录1 话音放大器的设计 11.1 话音放大器电路 11.2 话音放大器电路仿真图 12 混合前置放大器的设 22.1 混合前置放大器的主要功能 22.2 混合前置放大器电路 33 音调控制器的设计53.1 音调控制曲线分析 53.2 音调控制电路及仿真图 73.3 音调控制器的低频电路 83.4 音调控制器的高频电路 94 功率放大器的设计 114.1 集成运放与晶体管组成的功率放大器124.2 功率放大器电路工作原理124.3 静态工作点设置134.4 功率放大器原理图 145 音响放大器的测试方法 156 电路设计的根据及晶体管的选择166.1 电路确定 166.2 选择晶体管或集成运放 177 电路安装与调试技术 178 电路测试结果及数据处理分析 198.1 测试结果 19 8.2 误差计算 199 音响放大器元件清单 2010 设计体会 21附录 音响放大器整机图 22参考文献 23前 言 新旧世纪的的交替,不是一个简单的更迭,而是事物不断发展,循序渐进的过程。新世纪带来的是新的起点，新的追求，新的开拓。近几年来,计算机技术进入了前所未有的快速发展时期,随着电子信息技术的发展关于音响放大器在电子技术基础中所出的位置越来越来重要，它不仅是电子信息类专业的一个重要部分，而且在其它类专业工程中也是不可缺少的。放大器电路作为子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其现实生活中的运用也是非常普遍和广泛。在音响放大器的设计过程中，控制其电路的核心部分是几个放大器的设计，其中主要包括：话音放大器，混合前置放大器，音调控制器，功率放大器等。电子技术的发展促使话音放大器被广泛的应用到一系列放音设备中，混合前置放大器也成为数字电子电路设计和制作过程中不可缺少的部分，例如在信号放大器的设计和无线电遥控电路的设计过程中该部件都是不可缺少的，功率放大器更是设计电子电路的核心。功率放大器的运用使电子产品的成本大大减少，并且设计简单，易于操作，可靠性好的优点。 对音响放大器设计的目的是为了更好的掌握集成功率放大器内部电路工作原理，学会其外围电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌握音响放大器的设计与电子线路系统的装试和调试技术。本次设计分为四的主要步骤：一 ：构思和设计话音放大器，混合前置放大器，音调控制级和功率放大级。二：根据设计要求和选择的电路通过计算选择元器件和参数，并准确无误的设计好要设计的电路原理图。三：在万能板或在面包板上根据设计电路原理进行元器件的电路安装和精细的调试。四：在安装好的电路板上进行输出功率的测试。在此次课程设计的编写过程中得到了曹老师的大力支持和指导。以及参考了多种电子设计资料如电子线路设计实验测试（第二版），模电课程设计与实验指导等。在编写此次课程设计的过程中由于时间的仓促和本人的水平有限，在设计和制作的过程中难免出现缺点和不足之处，还敬请各位老师的批评和指正。1话音放大器的设计1.1话音放大器电路由于人发出的声音频率在340hz3400hz之间，声波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。因此确定话音放大器电路如图1.11.2 话音放大器电路仿真图话音放大器电路仿真图如图1.22混合前置放大器的设计21 混合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组成，为反相输入加法器电路混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐号与电子混响后的声音信号进行混合放大。其电路如图2.1所示，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压的关系为v0=（rfv1/r1+rfv2/r2） （2.1）式中v1话筒放大器输电压；v2录音机输出电压。 2.2混合前置放大器电路1 图2.2为话放级与混合前置放大器的电路图图2.2话放级与混合前置放大器的电路图2 图2.3为混合前置放大器的输出波形 3音调控制器的设计3.1音调控制曲线分析音调控制器是控制、调节音响放大器输出频率高低的电路，其控制曲线如图3.1中所示。图中 中音频率，要求增益；低音转折频率，一般为几十赫兹；中音频转折频率；中音频转折频率；高音频转折频率，一般为几十千赫兹。从图中可见，音调控制器只对低音频或高音频进行提升或衰减，中音频增益保持不变，音调控制器由低通滤波器和高通滤波器共同组成。2.音调控制器参数计算。根据题意，125hz和20khz处有12db调节范围，还已知了，代入式中得 则 又 代入下式得 则 因此 、不能取得太大，否则运放漂移电流影响不能忽略不计。同时也不能太小，否则流过电流将超出运放输出能力。一般取几千欧至几百千欧。取=470, =47，取值正确与否代入上式进行验算。满足设计要求。由于则可求得取标称值0.01f，可得因此 取标称值。由于则可求得取标称值。与等值取470，级间耦合与隔直电容，取10f。采用集成运放构成音调控制器。32音调控制电路及仿真图1音调控制电路如图3.2所示。 图 3.2 音调控制器电路 2音调控制电路仿真图如图3.3 3.3音调控制器的低频电路 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3.3.2所视。其中，图（a）为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图（a）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3.3.4所示。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3.3.5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 ，则有 ra=rb=rc=3r1=3r2=3r4图取的高频等效电路如图3.3.7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）=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3.1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 =. =/ 4功率放大器的设计功率放大器(简称功放)的作用是给音响放大器的负载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,输出信号的非线性失真尽可能地小,效率尽可能高,功率放大器的常见电路形式有otl（单电源供电的互补推挽电路）电路和ocl（乙类双电源互补对称功率放大电路）电路,有用集成运算放大器(简称运放)和晶体管组成的功率放大器,也有专用集成电路功率放大器。4.1 集成运放与晶体管组成的功率放大器由集成运放与晶体管组成的ocl功率放大器电路如图4.1所示，其中，运放为驱动级，晶体管t1t4级成复合式晶体管互补对称电路。4.2 功率放大器电路工作原理三极管t1、t2为相同类型的npn管，所组成的复合管仍为npn型。t3、t4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一只决定，即为pnp型。r4、r5、rp2及二极管d1、d2所组成的支路是两对复合管的基极偏置电路，静态是支路电流i0可由下式计算： i0=(2vcc-2vd)/(r4+r5+rp2) 式中，vd为二极管的正向压降。 为减小静态功耗和克服交越失真，静态时t1、t3应工作在微导通状态，即满足下列关系：vabvd1+vd2vbe1+vbe3 称此状态为有甲乙类状态。二极管d1、d2与三极管t1、t3应为相同类型的半导体材料，如图d1、d2为硅二极管2cp10，则t1、t3也应为三极管。rp2用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，一般采用几百欧姆或1kw电位器（最好采用精密可调电位器）。安装电路时首先应使rp2的阻值为零，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因rp2的阻值较大而使复合管损坏。 r6、r7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆至几百欧姆，r8、r9为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为几欧姆。r10、r11称为平衡电阻使t1、t3的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。r12、c3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管t2、t4。r12、c3的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。一般r12为几十欧姆，c3为几千皮法至0.1mf。 功放在交流信号输入时的工作过程如下：当音频信号vi为正半周时，运放的输出电压vc上升，vb亦上升，结果t3、t4截止，t1、t2导通，负载rl中只有正向电流il，且随vi增加而增加。反之，当vi为负半周时，负载rl中只有负向电流il且随vi的负向增加而增加。只有当vi变化一周时负载rl才可获得一个完整的交流信号。4.3 静态工作点设置设电路参数完全对称。静态时功放的输出端o点对地的电位应为零，即vo=0，常称o点为“交流零点”。电阻r1接地，一方面决定了同相放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为零，即v+=0。由于运放的反相端经r3、rp1接交流零点，所以v-=0。故静态时运放的输出vc=0。调节rp1电位器可改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由i0决定，i0过小会使晶体管t2、t4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，i0过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取i0=1ma3ma，以使t2、t4工作电甲乙类状态。由设计要求可知，av= 若取r2=0.1kw,则r3+rp1=34.5kw。现取r3=10kw，rp1=47kw。 因为功放级前级是音调控制电位器（设4.7kw），则取r1=47kw以保证功放级的输入阻抗远大于前级的输出阻抗。 若取静态电流i0=1ma，因静态是vc=0，由已知可得 i0 （设rp20） 则r4=5.3kw 取标称值5.1kw其它元件参数的取值如图4.1所示。功率放大器的仿真波形如图4.2所示 4.4功率放大器原理图功率放大器原理图如图4.4 图 4.4 功率放大器原理图1 外部元件的设定说明及选用： 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=33cb为相位补偿电容。cb 减小，带宽增加，可消除高频自激。cb般取几十皮法至几百皮法，现取cb =51pf。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。cd为反馈电容，消除自激振荡，cd一般取几百皮法，现取cd=560pf。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。c3、c4可滤除纹波，一般取几十微法到几百微法，现取c3=220fc4=100f。c2为电源退耦滤波，可消除低频自激，取c2=220f。5音响放大器的测试方法1.额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值（如l5%）时的的最大功率称为额定功率，即 p0=u02/rl 式中 rl额定负载阻抗；u0（有效值）rl两端的最大不失真电压。测量p0的条件：信号发生器输出频率f1=1khz,输出电压ui=20 mv，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u0的波形，失真度测量仪监测u0的波形失真。测量p0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ui，逐渐增大输入电压ui，直到u0的波形刚好不出现削波失真（或l3%）此时对应的输出为最大输出电压，可算出额定功率p0。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。2.频率响应放大器的电压增益对于中音频f0(1khz)的电压增益下降3db时所对应的低音频率fl和高音频率fh称为放大器的频率响应。测量条件同上，调节rp3使输出电压约为最大输出电压的50%。测量步骤是：话筒放大器的输入端接ui=5mv，输出端接音调控制器，使信号发生器的输出频率fi从125hz20khz变化（保持ui=5 mv不变），测出负载电阻rl上对应的输出电压u0，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注fl 与fh值.3.音调控制特性ui（=125mv）从音调控制级输入端耦合电容加入，u0从输出端耦合电容引出。先测1khz处的电压增益au（0db）,再分别测低频等性。测低频等性：将rp1的滑臂分别置于最左端和最右端时，频率从50hz 20khz变化，记下对应的电压增益。最后绘制音调特性曲线，并标注fl1、fx、fl2、f0(1khz)、fh1、fh2等频率对应的电压增益。4.输入阻抗 从音响放大器输入端（如话筒放大器输入端）看进去的阻抗称为输入阻抗ri。如果接高阻的话筒，ri应远大于20kw.接电唱机，ri应远大于500kw。ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。5.输入灵敏度使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压（有效值）称为输入灵敏度。测量条件与额定功率的测量相同，测量方法是，使ui从零开始逐渐增大直到u0达到额定功率值时对应的电压值，此时对应的ui值即为输入灵敏度。6.噪声电压音响放大器的输入为零时，输出负载rl上的电压称为噪声电压un。测量条件同上，测量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用不波器观测输出负载rl的电压波形，用交流电压表测量其有效值。7.整机效率h=（p0/pc）100%试中 p0输出的额定功率； pc输出额定功率时所消耗电源功率。 6 电路设计的根据及晶体管的选择6.1电路确定电路形式主要有级间耦合方式各级电路形式和偏置电路形式。1.选定级间耦合方式：通常有：阻容耦合，直接耦合和变压器耦合。阻容耦合和直间耦合可以做到体积小，成本低，频率响应好，应用比较多。在这里用阻容耦合。2.前置级电路的确定：前置级分为输入级和中间级输入级的要求a 要适合信号源的需要;b 输出阻抗要和次级匹配；c 噪声系数要小（nf）一般是满足输入阻抗为主。要求阻抗高时可以用共集电极电路或场效应管。若要求阻抗低时可以用共基极电路，还可以加负反馈电路。注意的是在输入级工作电频低噪声影响较大，要尽量减小影响：在选择元器件时要选噪声系数小的（场效应管），选用热噪声小的电阻元件；还可以通过减小静态工作电流、，还有放大器的频带不宜过宽。中间级电路 中间级电路主要是提高增益，主要考虑提高放大倍数。经常使用晶体管共射极电路，但如果是宽频放大电器还可以将共基，共集和共发射极电路搭配使用。3.输出级电路的选择输出级的主要目的是让负载得到足够大的功率，电路的形式与负载要求有关。负载电阻低时，采用射极输出器，互补对称电路，或者也可以用变压器匹配输出。电阻大时可采用共射极放大器或共基极电路。4.偏置电路的选择 为了保证电路的稳定性对偏置电路的选择有很严格的要求，主要从稳定性和结构简单，还有经济等方面考虑，可以采用固定偏置或稳定偏置。；比较常用的有基极分压射极接有电流负反馈电阻的形式。6.2选择晶体管或集成运放目前用的比较多的是双极型三极管；对它的选择有一定的要求：为保证上限频率要求：f1应足够大，一般f1（510）f2（f2为放大器的上限截止频率）选择管子时要还要考虑下级限参数 a晶体管工作是最大反向电压 b 晶体管工作时的最大电流 c 晶体管工作时的最大管耗为提高放大倍数，应选择放大系数大的晶体管，但也不要太大则稳定性差，一般硅管在40150左右就可以了。在前置级中还要注意nf较小的晶体管。7.电路安装与调试技术1合理布局，分级装调 音响放大器是一个小型电路系统，安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布局，功放级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易出现自激。安装前应检查元件的质量，安装时特别要注意功放、运算放大器、电解电容等主要零件的引脚和极性，不能接错。从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，安装两级要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。2电路调试技术电路的调试过程一般是先分级调制，再级联调试，最后整机调试与性指标测式。分级调试过程一般是先分级调制，再级联调试，最后整机调试与对地短路，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对地均为vcc/2，功放级的输出（otl电路）也为vcc/2，且输出电容cc两端充电电压也应为vcc/2。动态调试是指输入端接入规定的信号，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，否则是不会出现很大偏差的，因为集成运放大器内部电路已经确定，主要是外部元件参数的影响。 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变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因是布线不太合理，连线太长，使级间影响较大，阻抗不匹配。如果重新布线还有影响，可在每一级的电源间接入rc去耦滤波电路，r一般取几十欧，c一般取几百微法。特别是与功放级进行级联时，由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。常见高频自激现象如图7.1所示图7.1常见高频自激现象 产生的主要原因是集成内部电路引起的正反馈，可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级脚与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。常见的自激现象是电源电流有规则地左右摆动，或示波器上的输出波形上下抖动。产生的主要