音响放大器课程设计

1、模拟电路课程设计包含四个设计题目，按以下要求1.学习范例2.选择一个题目3.改变其中一个或多个技术指标4.按范例要求得到改变技术指标后的设计结果，并按范例格式写出课程设计报告。题目:音响放大器电气工程及其自动化方 0910220096559完成日期：2011 年6 月26 日一.课程设计内容设计一个具有话筒扩音，音调控制，音量控制，电子混响，卡拉OK伴唱等功能的音响放大器。额定功率 负载阻抗 频率响应 输入阻抗Pow 1WY <3%)Rl=8Q fL=40Hz, fH=1OKHz。Ri>>20kQ。主要技术指标(1)(2)(3)音调控制特性1kHz处增益为OdB、100Hz和

2、10kHz处有± 12dB的调节范围，Avl=Avh(4)(5)>20dB。给定条件(1) 电源电压Vcc=+9V。(2) 话筒输出信号电压为5mV。(3) 录音机的输出信号电压为100mV。.课程设计应完成的工作1、设计文本按学校的规定要求撰写。2、独立完成设计任务(不能相互抄袭)。1、3、按规范要求绘制一张3号电路原理图。 、实验目的了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法;2、掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术。、实验原理音响放大器的原理框图:话音放大器：无失真地放大人的语音信号。电子混响器：用来电路模拟声音的多次反射

3、，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 （不需乐队，利用磁带伴奏歌唱）伴唱机中，都带有电子 混响器，是实现卡拉 OK 伴唱多功能音效的重要组成部分。磁带放音机：放音机输出音乐信号。混合前置放大器：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。音调控制器：音调控制器要求只对低音频和高音频的增益进行提升或者衰减，中音频的 增益保持为 0dB 不变。功率放大器：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。三、预习思考课题要求： 设计一个具有话筒扩音，音调控制，音

4、量控制，电子混响，卡拉 OK 伴唱等功能的音响 放大器。额定功率 负载阻抗 频率响应 输入阻抗主要技术指标Pow 1WY <3%)Rl=8Q fL=40Hz ， fH=10KHz 。Ri>>20kQ。（1）（2）（3）（4）音调控制特性1kHz处增益为OdB、100Hz和10kHz处有± 12dB的调节范围，Avl=Avh（5）>20dB。给定条件（1）电源电压 VCC=+9V。（2）话筒输出信号电压为 5mV。（3）录音机的输出信号电压为 100mV。简析：由话筒输出信号电压要求5mV，而输入阻抗要远大于20KQ ,所以话音放大器的作用是 无失真地放大声音信

5、号（通频带要求 f L=50Hz， fH=20KHz）, 其输入阻抗应远大于话筒的输出 阻抗。混合前置放大器将放大后的话音信号与由磁带放音机传送来的音乐信号混合放大，起到 了混音的功能。音调控制器主要控制和调节音响放大的頻幅特性，以产生不同的放音效果。 四、实验内容1、 完成预习要求中音响放大器的设计。设计放大电路分三级，电路总增益要求约4001000，需要合理分配每级增益。话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为 510 倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为35倍左右，功放的增益30倍左右，所以Rf的取值600Q左右III目录1.341. 音响放大器的组成框图3.1.话

6、音放大器的设计.103.2.混合前置放大器的设计.103.3.话音放大器与混合前置放大器的混合设计.103.4.音调控制器的设计113 .4 .1. 音调控制器的仿真123.5. 功率放大器的设计143.6. 整机电路设计154. 音响放大器的测试4.1. 相关性能参数的测量174.2. 整机信号的试听185. 实验设计总结与感悟186. 参考文献192. 单元电路设计2.1.话音放大器2.2.电子混响器2.3.混合前置放大器2.4.音调控制器2.5.功率放大器3. 主要技术指标参数计算总体方案的论证:、音响放大器的组成框图:混合前置放大器I丨|音调控制器 甘 功率放大器磁带放音机图1.1音响

7、放大器的组成框图二、单元电路设计2.1话音放大器耦合电容Ci、C3的计算：由表可知 叭741的输入电阻为20KQ,又fL=40Hz,那么Ci为:1 ,G -QJtfRj _2”x40X20K取 C1=0.20 尸100K Q以上。C3是输出耦合电容，连接下一级的负载电阻即使最低也在C33Avf =1 + 空R2尺=Ri =20KQ25反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。2.2电子混响器电子混响器的组成框图如图2.2.1所示。其中，集成电路BBD成为模拟延时器，其内容含有 由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。在外加时钟脉冲作用下，这些电子开关不 断地接通和断开，对输入信号进行取样，保持并

8、向后级传递，从而使BBD的输出信号相对于 输入信号延迟了一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延迟时间越长。BBD配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。RiRfVi1为话筒放大器输出的电压，Vi2为放音机输出的电压，Vo为混合后输出的电压。三者之间的关系为Vo旨Vii +字Vi2）RiR2图 2.4.1设电容Ci= C2>>2.4音调控制器音调控制器要求只对低音频和高音频的增益进行提升或者衰减，中频区增益为OdB。因此, 音调控制器可以由低通滤波器和高通滤波器构成。音调控制器电路C3,在低频区C3可以视作开路，电路作为低通滤波器

9、；在中高频区,Ci、C2可以视为短路, 电路作为高通滤波器。具体分析如下:（1）当ff0时242。当RR的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况，如图图2.4.2 RR的滑臂在最左端的等效电路图2.4.3 RR的滑臂在最右端的等效电路243。当RF1的滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况，如图分析表明，图2.4.2所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为:Aj）*ViRR + R21 + （声）/ 21 +（jo；）/叫Ri（式 2.4.1）RRC2或者fLI12 兀 RPC?,或"产%惑图2.4.3所示电路是一个一阶有源低通滤波器，当 f <fL1时，C2

10、可视为开路，运放的反向输入端可以视为虚地,R4的影响可以忽略，其增益函数的表达式为:AVL=（RP+%在当fLI时，因为fL2 =10fL1,故可由下式:Aj）卫RP +R2ViRi得:*AV1一罟.罟计算其模:*Av1RR +R272R!此时的电压增益相对于 Avl下降了 3dB。在当f = fL2时，故可由式2.4.1Av2 一RR+r + j计算其模：*Av 2R11+ j10得:rpi + R2 4272ri * 10=0.14 Avl此时的电压增益相对于 Avl下降了 17dB。同理可以得出图2.4.3所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰减量。(2)当f ”0时Ci、C2视为

11、短路电路作为高通滤波器的等效电路如图2.4.4:图2.4.4高通滤波器的等效电路将Ci、C2视为短路，Rl、R2、R4从星型连接改做为三角形连接后的电路图如图2.4.5 :Vo图2.4.5高通滤波器等效电路的转换电路若取 Ri=R2=R4,则 Ra=Rb=Rc=3Ri=3R2=3R4当RF2的滑臂在最左端高频时，对应于高频提升最大的情况，如图2.4.6: 图2.4.6RP2的滑臂在最左端的等效电路图2.4.7RP2的滑臂在最右端的等效电路2.4.7。当RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况如图分析表明，图A(j吩 £ =ViRb 1+ （血）/国3Ra 1+仃国）/国4(式

12、 2.4.2)2.4.6所示电路是一个一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为:当f “H!血3）时，C3视为开路,_2 兀(Ra +R3)C3此时电路电压增益 Avo=-1（ OdB）。在当 f = fH1 时，因为 fH2=10fH1，由式 2.4.2得 Av3= J2avo 此时电压增益Av3相对于Avo提升了 3 dBo在当f = fH2时，C3视为开路，此时电压增益 Av4=AvoV2此时电压增益Av4相对于Avo提升了 17dBo在当f朮2时，C3视为短路，此时电压增益 AvH= （Ra+R3）/R3 同理可以得出图2.4.8所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰减量。音调控

13、制电路的幅频特性曲线如图 249所示:Av/dB20dBaO信竟3 0 37 01 2图249 音调控制电路波特图根据音响放大器的设计技术指标，要使Avl = Avh>20dB ,结合Avl的表达式可知,Ri、R2、PRi的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取PRi=470KC，有1PRC2 =O.OO8PF，R2 = =52K0。2兀5 PR,上"Li取标称值，则C2 =O.O14F ,R2 =51K0 。由前述的假设条件可得，R =R2 =R3 =R=51K0P R1= PR2 =47OK0G 9 =O.O14F13R=15K0，C3 =470pF1010由于在低音时，音调控制

14、电路输入阻抗近似为Ri，所以级间耦合电容可取Ci =C。=10 卩F。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，效率尽可能咼。图2.5.1 LA4100LA4102 集成功率放大器内部电路电源庇回回同回口 I退空抑抑波入偏C2U+ VccLA4100LA4102输空电消出源振地图 2.5.2C1CfT14912+13LA4100634CcBC3.T10-C4LA4100接成OTL电路CD卄Rl三、主要技术指标参数计算根据技术指标要求，首先确定整机电路的级数，再根据各级

15、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，通常从功放级开始向前级逐级计算。音响放大器的输入为5mV时，额定功率P1W，负载阻抗为8Q，则输出电压Vo=2.828总电压增益Av工=Vo/Vi>566倍，由于实际电路中会有损耗，故取Av=600各级增益分配如下图所示话放级Avi =7.537.5mvH混合级Av2 = 137.5mvK音调级Av3=0.830mv .H功放级A v4=100图3.1增益分配示意图电路总增益要求约400-1000,需要合理分配每级增益。话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为 5-10倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为

16、3-5倍左右，功放的增益30倍左右，所以Rf的取值600Q左右。Avf = 1 + ¥R2 可3.1话音放大器的设计如图2.1.1所示，话音放大电路Avf等于7.5,令R2等于20KQ ,有 得Rf等于130K0。要求Ri远大于20K Q，而输入阻抗约为Ri，贝U R1取500K Q，在2.1中已经计算得Ci=0.4uF, Q=0.8uF, C2取几个微法。3.2混合前置放大器的设计根据V。=-他乂1 +色Vi2V RiR2 丿Vi1为话筒放大器输出的电压，Vi2为放音机输出的电压，Vo为混合后输出的电压。所以取Rf =30KQ Ri=10K Q;音放机输出插孔的信号电压一般为 10

17、0mV，已基本达到放大的要求不 需要话。取R2 =30kQ。3.3话音放大器与混合前置放大器的混合设计1Xv)i录音馄Vh100mV Ci3 r10F TRP210k10FlOkQ 30k10FR22o30k+9V4C27c k 010kVb210F11'已 lm324图3.3.1话音放大与混合前置放大两级电路组成综合电路3.4音调控制器的设计的表达式可知,根据音响放大器的设计技术指标，要使Avl =Avh工20dB，结合AvlRi、R2、PRi的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取 PRi=470KO，有1PRC2 =O.OO8»F，R2 = =52KO。2兀 fLiPRi1_

18、1fLI取标称值，则C2 =0.01辱，R2 =51K0。由前述的假设条件可得，R =R2 =R3 =R=51K0P R1= PR2 =47OK0G =C2 =O.O14F13rR4= Ra=15K0，C3 =470pF1010R1，所以级间耦合电容可取由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为Ci =C。=10 卩F。C3iC320.01F0.01FR3147kR3247kRP1470k+9VVi100FG470pF甜13k|JRP2470k7C354卅10k14 LM324vRP3 10k图3.4.1 音调控制器实现电路已知 fLx=100Hz, fHx=10kHz, x=12dB。fL2

19、及 fH1； fL2 = fLx *2x/6=400Hz，贝J fL1 =fL2/10=40Hz ; fH1 = fHx /2x/6=2.5kHz则 fH2= 10fH1=25kHz3.4.1音调控制器的仿真EDA仿真电路图设计如下:P5图341.1音调控制器的仿真示意图1、低音衰减与提升:PR1的百分比为50%），即可变电阻器PR1的百分将高音提升与衰减电位器 PR2滑动端调到居中位置（即可变电阻器低音提升和衰减电位器PR1滑头调到最左边（低音提升最大位置, 比为100%）.调节信号发生器，使输出信号 f=40HZ,Vm=100mV调节电路中音量调节电位器 PR3,使电路输出电压达到最大值，

20、记录此时 PR3的数值和输出电压的幅值。P R3= 0 KQVom= 698.0mV 保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪接入电路，设置工作频率的范围为40HZ-1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时C1被短路，当F增大是，Vo 将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处低音部分的最大提升量并做记录，判断其 是否符合理论设计的指标。F=40HZ时，低音的最大提升量=17.004dB 将低音提升和衰减电位器PR1滑动端调到最右边（低音衰减最大位置，即可变电阻器PR1的百分比为0%）,重复（3）的步骤。（由于此时C2被短路，当f增大时，Vo将增大。）F=40HZ时，

21、低音的最大衰减量=-16.933dB2、高音提升和衰减将低音提升与衰减电位器 PR1滑动端调到居中位置（即可变电阻器 PR1的百分比为50%）,高音提升和衰减电位器PR2滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器PR2的百分 比为100%）.调节信号发生器，使输出信号f=10KHZ,Vm=100mV,调节电路中音量调节电位器 PR3,使电路输出电压达到最大值，记录此时 PR3的数值和输出电压的幅值。P R3= 0 KQVom= 463mV保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪介入电路，设置工作频率的范围 为10KHZ-1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时C2被短

22、路，当F减少时,Vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处高音部分的最大提升量并做记录，判 断其是否符合理论设计的指标。F=10KHZ时，高音的最大提升量=13.274dB 将高音提升和衰减电位器PR2滑动端调到最右边（高音衰减最大位置，既可变电阻器PR2 的百分比为0%）,重复（3）的步骤。（由于此时C2被短路当f减少时，Vo将增大。）F=10KHZ时，高音的最大衰减量=-12.78dB3.5功率放大器的设计A花尺1尺1 =20KQ因为民=100故取FF=200Q+ 9V0.1519HIUiC42C43C44547tF0+ ALA* 1036SlpFCo11Ch4UoCc470 MF

23、图3.5.1功率放大器的设计图 Rf、Cf与内部Rii组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益Avf,即：衣VF =1 +坨1/心11 /给Cb为相位补偿电容，Cb减小，带宽增加，可消除高频自激。 Cb 一般取几十到几百皮法。Cc为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压为等于 VCC/2.,Cc 般取耐压值远大于Vcc/2 的几百微法的电容。 C D为反馈电容，消除自激振荡，Cd 一般取几百皮法。 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。 C3、C4可滤除纹波，一般取几十至几百微法。 C2为电源退耦滤波，可消除低频自激。6、整机电路设计+C300uF/+ /

24、C422带+C2丄220uFf*4r卜1 fF =Cl2 存21rR11 典 / A+1. 1 uRF -+ ChAR2 B ' I K 9杯£+ RR32+r+tcV+R4Rp2T6fk r rR2cHR1 FaR2放音机图3.6.1音响放大器整机电路设计四. 音响放大器的测试4.1相关性能参数的测量额定功率：音响放大器输出失真度小于某一数值时的最大功率称为额定功率，其表达式为：PO=VO2/RL，式中，RL为额定负载阻抗，VO为RL两端的最大不失真电压有效 值。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号，功率放大器的输 出端接额定负载电阻，如有音调控

25、制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控 制电位器调到最大值，用双踪示波器观察 Vi及Vo的波形，失真度测量仪监测Vo的波形失真（无失真度仪可用肉眼观察无明显失真）。逐渐增大输入电压Vi，直到输出的波形刚 好不出现削波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压，同时可算出额定功率值。 频率响应：调节音量旋钮使输出电压约为最大输出电压的50%, Vi=5mV，测量方法和其他实验中幅频特性曲线的测量方法相同。输入阻抗：从音响放大器输入端（话音放大器输人端）看进去的阻抗称为输入阻抗，测量方法和放大器的输人阻抗测量方法相同。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

26、量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号，功率放大器的输出端 接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，测量方法是，使Vi从零开始逐渐增大，直到 Vo达到额定功率值时所对应的输入电压值即为输入灵敏度。 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，测量时功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中 间位置，音量控制电位器调到最大值， 输入端对地短路，用示波器观测输出负载 RL端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。整机效率：在输出额定功率的情况下，将电流表串入 VCC支路中，测得总电流I，则效率为n =P"Vcc"4.2 整机信号试听用8Q、4W的扬声器代替负载电阻RL,进行以下功能试听:话音扩音：将低阻话筒接话音放大器的输人端，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人后，会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰