音响放大器课程设计报告.doc

华北科技学院课程设计目录一 设计要求2二 设计的作用目的3三 设计的具体实现41.系统概述42. 单元电路设计，仿真与分析52.1功率放大电路（第三级）52.2音调控制（第二级）82.3混合放大输入级(第一级)203 电路的调试24四.心得体会及建议251.心得体会252.建议25五.附录（元器件列表）26六参考文献.27音响放大器设计报告一 . 设计要求 设计一个音响放大电路，当输入信号源和话筒的声音时，输出一个放音和音量都可调音响。具体要求：（1） 输出功率P大于或等于1W,负载阻抗R=8,失真=1w,由公式P=U2/R=1W,得出U=2.8v,取u=4v,则整体放大电路电压放大倍数AU=4V/5mv=800(增益约为55.5dB)。功率级属于大信号输入（100mv以上）其电压放大倍数一般为几十倍。当音调在中频段是既(f=1khz)时，电压放大倍数为1倍(增益为0dB)，但在实际中会有衰减，所以一般取0.8倍。混放和话筒放大级，不但要考虑自身输入的信号大小，还要考虑在集成运放中增益带宽积的限制一般混放级Au取几倍话放级取10倍左右。 其大致框图如1.2话放级Au1=1020dB混放级Au2=39.5dB音调级Au3=0.8-2dB功放级Au4=2528dB图1.2大致框图5mv 150 120mv 3v 50mv 2. 单元电路设计，仿真与分析2.1功率放大电路（第三级）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。由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图1.3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图1.3功率放大器电路图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。R5、R6、R15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) （2.1.1）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：VAB/VD1+VD2/BE1+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。R15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R15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R15的阻值较大而使复合管损坏。R8、R10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，R11、R12为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为几欧姆。R7、R9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。R13、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。R13、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0.1F。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。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。仿真过程：图1.4 功率放大器仿真图在仿真过程中，给输入端加一幅值为120mv,周期为1000Hz的正弦波，通过示波器可得到其波形如图1.4当输入幅值为120mv频率1000HZ的正弦波时，输出幅值为3.215v的不失真正弦波，其幅值和放大倍数已满足条件。放大倍数Au3=3/0.12=25。2.2音调控制（第二级） 音调控制级的目的是调节音响放大器的频率响应，以满足人们对不同音调的不同需求。常用的有衰减式，反馈式，图解式，其中反馈式因调节方便，元件较少，在中小功率的电路中很常见。反馈式音调控制级得框图和频响如图1.5图1.5音调控制频率响应 基本原理音调控制级是以中频一千赫兹增益零分贝为基础，对低音频区和高音频区的增益进行提升和衰减。中频f=1kHZ时，C1和C2相当于短路，C3开路，Rp2很大相当于开路，中频时AU=R2/R1=1(相当于0dB).综合考虑各电阻的选取原则，一般R1,R2,R3取几至几十千欧，此处R1=R2=R3=R=43K，RP1=RP2=470K。由fl=40HZ=1/2RC1得C1=0.01UF,由高频段等效模型得Ra=3R=129k由fh=20000HZ=1/2RaC3得C3=470PF.其中C0为耦合电容，可以滤去低频段的直流分量，使第一级和第二级静态工作点互不影响。1 音调控制器的组成和音调调节的基本原理。其实质就是一反馈网络，组成RC网络和放大器组成闭环系统，放大器要求输入电阻无穷大，输出电阻无穷小，所以采用的集成运算放大器较好。经过尝试，最后选用multisim中通用型集成运算放大器，设计电路图如图1.6图1.6音调控制电路低音频区时,c3相当于开路，RP1调至最右端时低频衰减最大。电路图如1.7图1.7低频衰减电路图1.8低频衰减仿真测得输入幅值149mv，输出幅值为126mv，放大倍数约为0.8倍；交流分析如图1.9，图1.9低频衰减交流分析由以上数据可知，频率约为100HZ时，的衰减倍数约为1000/2753.6倍。约为-11.6dB。幅频特性如图2.0图2.0低频衰减幅频特性由上边数据可知，当频率为100HZ时，下降11.1609dB,基本符合设计要求。低频提升等效模型如图2.1，如图2.1低频提升电路其交流分析如图2.2，图2.2低频提升交流分析由以上数据可知在100HZ处放大3.6倍，即增益+11.2dB。高频时，C1，C2可视为短路，其等效变换如图2.3图2.3高频等效电路星型变换为角型如图2.4，图2.4高频等效变换电路RP2最左端时，对应高频提升，图2.5图2.5高频提升电路其对应交流分析如图2.6，图2.6高频提升交流分析图中对应8000HZ时，对应放大倍数为3.4542，约等于11.1dB基本符合设计要求。RP2最右端时，对应高频衰减，如图2.7，图2.7高频衰减电路其对应交流分析如图2.8，图2.8高频衰减交流分析其放大倍数为296/10003.3倍即-11.1dB.数学模型（低频段）低频等效电路图中电压放大倍数的数学表达式为其中电路电压放大倍数Au=Uo/Ui=-(R2/(R1+Rp1)）* 1+j（ffl1) 1+j（f/fl2） 其中fl1=1/2Rp1C1, fl2=(R+Rp1)/2Rp1RC1，其模值为 Au=R2+RP1R1 21+j(f/fl1) 2/1+j(f/fl2)2参照以上分析结果，当ffl1时，C1可视为开路，此时有Au=R/(R+RP1)=0.1相当于-20Db。当f=fl1时，因fl2=10fl1,由公式得，Au1=22Aulm,比Alum上升3dB.当f=fl2时，Aul2=10Aulm/22,比中频增益低3dB.f在fl1和fl2之间变化时，可近似认为电压增益以每倍频六分贝的斜率变化。以上为低频衰减，低频提上段与其对称。在ffl1，f=fl1，f=fl2时分别提升为+20dB，+17dB,+3dB,同理在高频段时，数学模型（高频段）其放大倍数表达式为，Au =-(Rb/ Ra)* 1+j（ww2) 1+j（w/w1）W1=2fh1=1/(Rb+R4)C3fh1=1/2(Rb+R4)C3W2=2fh2=1/ R4C3fh2=1/(2R4C3)Au= RbRa 21+j(f/fh2) 2/1+j(f/fh1)2由其模值的表达式可知，当f=fh1时，模值Auh1=Rb/2Ra比中频（Au=Rb/Ra=10）下降了3dB；当f=fh2时，Auh2=2Rb/10Ra，比中频段下降了17dB。当f在fh1和fh2之间变化时，因为fh1fh2ss时分别提升3分贝，17分贝，20分贝。由fl2=flx*2x/6 =400HZ， fh1=fhx/2x/6 =2Khz，fl=40HZ， fh=20000HZ2.3混合放大输入级(第一级)考虑到音频输入信号，话筒输入约为5-8mv声音信号，而磁带录音机输入约为50-80mv的声音信号，故设计此级为不同放大倍数的加法运算电路，有公式Au = - RfRi 放大倍数分别为10倍和2倍，故取第一级R1，R2，Rf,分别为3k，15 k,30 k。集成运放使用的是LM324，它是四运放集成电路，每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；考虑到它为四运算放大，此处我们只使用其1/4部分。设计电路图如图2.9图2.9混合放大电路信号发生器1输入幅值为5mv频率1kHZ的正弦波，信号发生器2输入幅值为50mv频率1kHZ的正弦波,由示波器观察到的波形如图3.0图3.0混合输入放大仿真由以上数据可知5mv放大十倍，50mv放大两倍，其和为150，结果计算基本吻合。综合各级电路，总电路设计图3.1图3.1总设计图在分级调试过程中，出现了问题，不能用两个信号源输入两路信号，这样会导致波形失真和不能进行交流分析和噪声分析。交流分析和直流分析时，要输入一基准信号，经过多次调试，才发现这个问题。最后给输入端输入幅值50mv,频率50HZ的正弦波，得到了理想的波形。用示波器观察，其波形如图3.2图3.2总设计图仿真由上面的结果可知一级，二级，三级，输出的幅值分别为90.583mv,118.082mv，3.250v.其放大倍数Au=3v/50 mv=60倍，即约等于35.4分贝，波特图3.3图3.3波特图其中频段为增益为35.5分贝，低频截止频率为14HZ，高频截止频率为20000HZ.3 电路的调试 输出功率的调试将R6置于最大，输出功率级接额定负载，混放级输入1KHZ，50mv电压，察示波器上的波形，观察其是是否失真并计算其输出功率，看是否达到要求，若出现失真，或功率没达到要求，那么调节各级滑动变阻器，使其达到要求。音调控制的调试断开音调控制级的前后电路，把150mv的电压输入，再在音调控制级的输出端测量输出电压和波形，先测1KHZ的值，在分别测高频和低频特性。测试方法：调节滑动变阻器Rp1和Rp2，记录其上下限频率。四.心得体会及建议1.心得体会每一个学习电子相关的人都有电子制作的经历，而其中很重要的一部分就是对你将要制作的东西，进行可行性的分析，而multisim正解决了这一问题，在此次设计电路的过程中，从开始时的不断失败到逐渐得心应手，到最后的设计制作成功，其中的滋味是没有制作经历的人所无法领会的。通过这次模拟实验，通过模拟组装、调试使我们快速步入电子设计的大门。模拟过程也是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，在电脑上调试考验了我们的操作水平。刚开始拿到课题，无从下手，后来经过查阅资料，上网搜集信息，与同学讨论，在郭老师的指导下，将设计的电路一部部改进，增强了可行性。这次模拟电路的设计，我们将所学知识付诸了实践，提高了动手操作能力和各项思维。付出了汗水后，对自己的成功感到欣慰和开心。2.建议 本次的模拟过程中省略了话筒信号的混响BBD结构，实物制作过程中可能达不到理想的试听效果，以后可以将电路图继续完善，制成实物，增强自己的成就感。三级电路中前两级集成运放芯片可选择专用的音乐芯片，其效果应该更好。此次制作的是单声道输出，以后可以尝试制成多声道音频功放。Multisim只能定性的分析电路的可行性，但不代表其就能达到真实的效果，其测试数据有待事实的考证，不能盲目轻信模拟数据。五.附录（元器件列表）名 称型 号/规 格 数 量备 注话筒普通驻极体话筒1只电阻R111只电阻R28.21只电阻R36801只电阻R410k3只电阻R513k1只电阻R615k1只电阻R722k2只滑动变阻器470k2只电阻R843K3只电解电容C210uf3只瓷片电容C3,C4,C5470pf1只瓷片电容C510pf2只瓷片电容C6100Pf2只瓷片电容C7100nf