音响放大器设计 课程设计

1、 课程设计说明书课程名称：音响放大器的设计专业名称： 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 指导老师： 课程设计任务书 设计目的1) 了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 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）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调测；（4）测试输出功

2、率；（5）测试输入阻抗；（6）撰写设计报告。3）设计扩展要求 （1）能驱动额定功率P8W的扬声器； （2）电路电压放大级输出阻抗低，能带500负载。 目 录第1章 绪论1 1.1 引言1 1.2 音频功率放大器概述1 1.3 音频功率放大器概述2第2章 音响放大器设计3 2.1 音响放大器简介3 2.2 单元电路的设计3 2.2.1 话音放大器3 2.2.2 混响前置放大器4 2.2.3 电子混响器4 2.2.4 音调控制器5 2.2.5 功率放大器9 2.3 总电路设计9第3章 电路仿真结果13 3.1 话放与混合级仿真13 3.2 音调控制器的电路仿真13 3.3 功率放大器的电路仿真15

3、第4章 音响放大器的安装与调试16 4.1 电路安装16 4.2 电路调试技术16 4.3 整机功能试听17第5章 心得体会18参考文献19附录A 音响放大器元件清单19附录B PCB板图20 第 1章 绪论1.1引言 伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。 如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数

4、字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。 本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器，践实所学知识掌握程度，并通过对所学知识来制造和改进相关产品，实际动手的过程中遇见了很多问题，但是在老师的指导和帮助下解决相应的问题。同时在与同组人的讨论学习过程中加强可团队意识的培养，加强了相互间协调合作的能力，从而高质、高效的完成本项任务。1.2 音频功率放大器概述 音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反

5、馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。 60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶体

6、管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路；成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。1.3 本人的主要工作 这次模拟电子课程设计过程，我主要是做下面的工作：第一，PCB板的实物制作；第二，电路元件的焊接与检查； 第

7、2章 音响放大器设计 2.1 音响放大器简介音响放大器是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。满足家庭需要，因为社会压力大，所以家里需要更能释放压力，怡情养性的Hi-Fi器材。特别在中国，因为消费力的提高，在Hi-Fi上的投资会有一个较长的增长期。而且中国人房子不大，车子少，旅游也不多，所以Hi-Fi和家庭影院会是一种很好的娱乐方式。 音响放大器主要由话筒、话筒放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器、功率放大器和扬声器组成。基本框图如图2-1所示。磁带录音 机功率放大 器音调控制 器话筒放大 电子混响器话筒混合前置 放 大 器扬声器 图2-1 音响放

8、大器基本组成 2.2 单元电路的设计 2.2.1话音放大器由于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)，所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。电路图如图2-2所示。 图2-2 话音放大器原理图 ，Ri = R1（R1一般取几十千欧）。 耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取C1 = C3 = (310）。反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。2.2.2 混合前置放大器 混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大。电路图

9、如2-3所示。 图2-3 混合前置放大器原理图V1为话筒放大器输出电压；V2为放音机输出电压。=-(V1+V2)2.2.3电子混响器 电子混响器（如图2-4）的作用是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。在“卡拉OK"伴唱机中，都带有电子混响器。电子混响器的组成框图中BBD器件称为模拟延时集成电路，内部由场效应管构成多级电子开关和高精度存储器。二阶低通滤波器BBD延时器二阶低通滤波器时钟脉冲产生器缓冲器 图2-4 电子混响器2.2.4音调控制器 其作用主要是控制调节音响放大器的幅频特性。音响放大器的主要特性体现在音调控制电路上，这也是其与通

10、用放大器的区别。音调控制主要是控制预调音响放大器的幅频特性。 调控制器的电路图如图2-5所示。运算放大器选用单电源供电的四运放LM324，其中RP33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。 设电容C1=C2>>C3,在中、低音频区，C3可视为开路，在中、高音频区，C1、C2可视为短路。 (a)低频提升 (a)低频衰减 图2-5 音调控制器的低频等效电 当f<f0时，音调控制器的低频等效电路如图25所示，其中(a)为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况，(b)为RP1滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图(a)所示电路是一个一阶有

11、源低通滤波器，其传输函数的表达式为À(jw)=- （2）式中，1=1/RP1C2或fL1=1/2RP1C2 (3)2(RP1+R2)/RP1R2C2或 fL2=(RP1+R2)/2RP1R2C2 (4) f<fL1时，C2可视若无睹为开路，运算放大器的反向输入端入端视为虚地，R4的影响可以忽略，此时电压增益AvL为AvL=(RP1+R2)/R1 (5)f = fL1时，因为fL2=10fL1，由式（2）得 ÀV1=-模AV1=(RP1+R2)/R1=AvL/ (6)此时，电压增益ÀV1相对于AvL下降了3dB。f=fL2时，由式(2)得ÀV2=-，

12、模ÀV2=0.14AvL (7)此时电压增益相对AvL下降17dB。fL1<fLx<fL2 的范围内，电压增益的的衰减速率为-20dB/10倍频（或-6dB/倍频）。同理可以得出图(b)所示电路的相应表达式，其增益相对于中步为衰减量。音调控制器低频时的幅频持性如图2-6中左半部分的虚线所示 图2-6 音调控制器的幅频特性曲线 f>f0时，音调控制器的高频等效电路如图2-7所示，由于此时C1、C2视为短路，R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图2-8所示， 图2-7 音调控制器的高频星形等效电路 图2-8音调控制器的高频三角等效电路 电阻的关系

13、式为 Ra=R1+R4+(R1R4/R2) Rb=R4+R2+(R4R2/R1) (8) Rc=R2+R1+(R2R1/R4)若取R1=R2=R4,则式(8)为 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 (9) 图2-6的高频等到效电路如图2-9所示，其中(a)为RP2的滑臂在最左端时，对应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)所示电路为一阶有源高通滤波器，其传输函数的表达式为 À(j)=- (10) a) 高频提升 (b) 高频衰减 图2-9 高频等效电路式中，3=1/（Ra+R3）C3或fH1=1/2(Ra+R3)C3

14、 (11) 4=1/R3C3 或fH2=1/2R3C3 (12)与分析低频的方法相同，得到下列关系式：f<fH1时，C3视为开路，此时电压增益为Avo=1(0dB)。f=fH1时，Av3=Avo=1.4(2.9dB) (13) f=fH2时，Av4=Avo=7.1(17dB) (14)f>fH2时，C3视为短路，此时电压增益为 AvH=(Ra+R3)/R3 (15)fH1<fHx<fH2的范围内，电压增益提升的速率为20dB/10倍频，同理可以得出图(b)所示电路的相应表达式，其增益相对于中频为衰减量。音调控制器高频时的幅频持性如图3.3中右半部分的虚线所示。实际应用中

15、，通常是给出低频区fLx和高频区fHx处的提升量或衰减量x(dB)，再根据下式求出转折频率fL2(fL1)和fH1(fH2)，即fL2=fLx·2x/6 (16) fH1=fHx/2x/6 (17)由式(16)与(17)得到转折频率fL2=fLx·2x/6=400HZ ，则fL1=fL2/10=40Hz，fH1=fHx/2x/6=2.5khz，则fH2=10fH1=25kHz由式（5）AvL=(RP1+R2)/R120db，现取RP31=470K,R31=R32=470K,则AvL=(RP31+R32)/R31=11(20.8dB)由式（3）得fL1=1/2RP31C32

16、则C32=1/（2RP31fL1）=0.008µF，取标称值0.01µF，即C31=C32=0.01µF。由式（9）得Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 则R1=R2=R4=47k，Ra=3R4=141k由式（12）得AVH=（Ra+R3）/R320db则R33=Ra/10=14.1 k 取标称值13 k由式（12）得 fH2=1/2R3C3则C33=1/(2R33fH2)=490pF，取标称值510pF取RP32=RP31=470k,RP33=10K，级间耦合与隔直电容C34=C35=10µF。本设计中也采用用集成运算放大电路LM324。图2-1

17、0为LM324的功能引脚图。-VEE+VCC-VEE+VCC 图2-10 LM324功能引脚图2.2.5功率放大器 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。图2-11为LA4102集成音频功放。 图2-11 LA4100LA4102集成音频功放2.3总体电路设计 首先确定整机电路的级数。根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益。 分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。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0.3W，则输出电压Vo&g

18、t;=2.8V。总电压增益Av=Vo/Vi>560倍(55dB)。各级电压增益如图2-12 图2-12 各级电压增益图（1）功率放大器设计 功放级的电压增益 R11=20K。电路图如图2-13 图2-13 功率放大器电路图 如果出现高频自激(输出波形上叠加有毛刺)，可以在13脚与14脚之间加0.15mF的电容，或减小CD的值。（2） 音调控制器（含音量控制）设计 音调控制器的电路图如图2-14所示。 图2-14 音调控制器电路图 已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。由式(16)、(17)得到转折频率fL2及fH1；fL2=fLx *2x/6=400Hz，则fL1=f

19、L2/10=40Hz；fH1=fHx /2x/6=2.5kHz，则fH2=10fH1=25kHz。 由式(5)得AVL=(RP31+R32)/R3120dB。其中，R31、R32、RP31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽略，但也不能太小，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧姆至几百千欧姆。现取RP31=470kW，R31=R32=47kW，则。由式(3)得。取标称值0.01mF，即C31=C32=0.01mF。 由式(9)得R34=R31=R32=47kW ，则Ra=3，R4=141kW由式(15）R33=Ra/10=14.1kW，取标称值13kW。 由式(12)得

20、取标称值470pF。 取RP32=RP31=470kW，RP33=10kW，级间耦合与隔直电容C34=C35=10mF。（3） 话音放大器与混合前置放大器设计 电路图如2-15所示。 图2-15 话音放大器与混合前置放大器电路图图2-14所示电路由话音放大与混合前置放大两级电路组成。其中A1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其放大倍数（4）整机电路图 图2-16整机电路图第3章 音响放大器的安装与调试 3.1 电路安装 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，功放级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一

21、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，安装时特别要注意功放块、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。3.2 电路调试技术 电路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后整机调试与性能调试。 分级调试又分为静态调试与动态调试。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

22、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，因为集成运算放大器内部电路已经确定，主要是外部原件参数的影响。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： 一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应考虑重新布线；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0.1m

23、F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3-1所示。 图3-1 高频自激现象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，可以适当修改单元电路的技术指标。图3.7.20为设计举例整机实验电路图，与单元电路设计值相比较，有些参数进行了较大调整 。 3.3

24、 整机功能试听 用8/4W的扬声器代替负载电阻RL，可进行以下功能试听： l 话音扩音 将低阻话筒接话音放大器的输入端。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，改变音量电位器，可控制声音大小。 l 电子混响效果 将电子混响器模块按图215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。 l 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。 l 卡拉OK伴唱 录音机输出卡拉OK磁带歌曲

25、，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音量之间的比例，调节混响延时时间可修饰、改善唱歌的声音。 第四章 心得体会 几天忙碌的课程设计终于拉下帷幕。一段时间忙碌的身影和奔波的脚步之后，使我在这个过程中体会到了什么是苦,什么是累,什么是开心，什么是快乐。忙碌之后看到属于自己的这份课程设计，心中也体会到了成功之后的那份喜悦和安慰,也使我在这一段时间留下了一份美好的回忆！对于课程设计，以前在我的脑海中一直是一个陌生的名词。在老师给定课题的那一刻,我虽然不知道怎么去做，但我默默的下定了决心，一定要努力做好一份属于自己的课程设计。在我选定课题后的一段时间里，为了更完美的做好设计流程以及参数的选择，我就开始了收集关于音响放大器课题的资料，在充分准备好资料以后，就开始了课题的设计。虽有了准备，但还是不知道怎么开始，怎样设计和排版。为了更好理清思绪，又在图书馆徘徊。几天的准备后一步一步的尝试着设计。工夫不付有新人，几天后总算基本完成了设计课题。在这次课程设计完毕之后，我体会颇多。从根本上使我真正认识到了做好一份课程设计并不是一件容易的事情。它不仅需要熟悉并掌握教材内容还要有很好的创新思维和