音响放大器设计与调试

1、返回1电子线路设计与测试电子线路设计与测试2009年年5月月第四阶段实验：第第四阶段实验：第16周第周第18周周4.5 音响放大器设计与调试音响放大器设计与调试（P114）电子与信息工程系电子与信息工程系罗罗 杰杰L返回2一、实验目的一、实验目的o了解集成功率放大器内部电路工作原理，o掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法；o掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术。返回3 话音放大器 电子混响器磁带放音机 混合前置 放大器 音调控制器 功率放大器 扬声器 话筒 二、音响放大器的基本组成二、音响放大器的基本组成 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

2、输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。电子混响器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。主要是控制、主要是控制、调节音响放大调节音响放大器的幅频特性器的幅频特性给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。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)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 。返回41. 话音放大器话音放大器 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)。由于话筒输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k ，采用同相放大器，其输入阻抗应远大于话

3、筒的输出阻抗，能与高阻话筒配接。 1F R11 10k vi1 C11 10F 话筒 10k R12 9V A1 RL C12 1 返回52.混合前置放大器混合前置放大器 其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。1212()FFoRRVVVRR v v1 1为话筒放大器输出电压为话筒放大器输出电压v v2 2为放音机输出电压为放音机输出电压 v1v2R1R2RFvo返回63.音调控制器音调控制器（选做）（选做） 音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性使声音变得更好听一些。 f f0 0（等于（等于1kHz1kHz）表示中音频率）表示中音频率，要求增益，要求增益

4、A AV0V0=0dB=0dB f fL1L1表示低音频转折频率，一表示低音频转折频率，一般为几十赫兹般为几十赫兹 f fL2L2( (等于等于1010f fL1L1) )表示低音频表示低音频区的中音频转折频率区的中音频转折频率 f fH1H1表示高音频区的中音表示高音频区的中音频转折频率频转折频率 f fH2H2( (等于等于1010f fH1H1) )表示高音频转表示高音频转折频率，一般折频率，一般为几十千赫兹为几十千赫兹 音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持与衰减，中音频的增益保持0dB0dB不变。因此，音调控不变。

5、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。制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。返回7音调控制器的电路音调控制器的电路由低通滤波器与高通滤波器构成音调控制器设电容C1=C2C3，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。 viR1RP1R2C1C2R4C3R3RP2C5voC4返回8当当ff0时时 当RP1的滑臂在最左端时，对应于低频提升最大的情况 。 (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f/Hz 20dB/10 倍频 AV /dB

6、 返回9当当ff0时时 当RP1滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况。 (b)viC1R4R1RP1R2vo 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f/Hz 20dB/10 倍频 AV /dB 返回10当当ff0时时 分析表明，右图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： (5-5-2) 式中， )2/(1 )( /121L1211CRPfCRP或)2/()( )( / )(22121L2221212CRRPRRPfCRRPRRP或 vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 12121io/ )(j1/ )

7、(j1jRRRPVVA返回11当当ff0时时 当当ffffL1L1时，时，C C2 2可视为可视为开路，运算放大器的反向开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，输入端视为虚地，R R4 4的影的影响可以忽略，此时电压增响可以忽略，此时电压增益益 ：121VL/ RRRPA vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f/Hz 20dB/10 倍频 AV /dB 返回12当当ff0时时 在f=fL1时，因为fL2 =10fL1 ，故可由式：j1j1.01121V1RRRPA模 此时电压增益相对A

8、VL下降3dB。 121V1R2/ )RRP(A vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 12121io/ )(j1/ )(j1jRRRPVVA得得返回13当当ff0时时 在f=fL2时，由式(5-5-2)得j101j1121V2RRRPAVL121V214. 0102ARRRPA模 此时电压增益相对AVL下降17dB。 vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 返回14当当f f0时时 音调控制器的高频等效电路如图所示 ：viC3R3R1R2R4voRP2C C1 1、C C2 2可视为短路，作为可视为短路，作为高通滤波器高通滤波器。返回16当当f f0时时 将C1、C2视为短路，R4

9、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所示： viC3R3RaRbvoRP2Rc41221c2424b24141a/RRRRRRRRRRRRRRRRRR若取R1=R2=R4，则Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R4返回17当当f f0时时 RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况 ,等效电路见右图： vi C3 R3 Ra Rb vo viC3R3RaRbvoRP2Rc返回18当当f f0时时 RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况，等效电路见右图： vo Rb vi Ra R3 C3 viC3R3RaRbvoRP2Rc返回19当当f

10、 f0时时 分析表明，右图所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为： 43abio/j1/j1)j (RRVVA式中， 2/1 /133aH133a3CRRfCRR或33H233421 /1CRfCR或 vi C3 R3 Ra Rb vo 返回20当当f f0时时 当ffH1（ f0时时在f=fH2时,V0V4210AA此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。 vi C3 R3 Ra Rb vo 返回22当当f f0时时 当f fH2时，3视为短路，此时电压增益 AVH = (RaR3)/R3 vi C3 R3 Ra Rb vo 返回23当当f f0时时 同理可以得出图(b)所

11、示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。 vo Rb vi Ra R3 C3 (b)(b)返回24实际应用中实际应用中 通常先提出对低频区fLx处和高频区fHx处的提升量或衰减量x(dB)，再根据下式求转折频率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即 6LL22xxff6HH12xxff返回254.功率放大器功率放大器 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：o 输出的功率尽可能大o 输出信号的非线性失真尽可能地小o 效率尽可能高 返回26LM386集成功率放大器集成功率放大器 LM386是广泛用于收录音机、对讲机、电视

12、伴音等系统中的低电压通用型低频集成功放。1、8 开路时，开路时， AV = 20( (负反馈最强负反馈最强) )1、8 交流短路交流短路 AV = 200( (负反馈最弱负反馈最弱) )电压串联电压串联负反馈负反馈镜像电流源镜像电流源+VCC接旁路接旁路电容电容复合管电路复合管电路R5RRRRA/2657VF R为外接电阻。返回275.音响放大器主要技术指标及测试方法音响放大器主要技术指标及测试方法 额定功率额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值(如5%)时的最大功率称为额定功率。其表达式为： L2ooRVP 式中，RL为额定负载阻抗；Vo(有效值)为RL两端的最大不失真电压。Vo常用来选

13、定电源电压VCC occ22VV 返回28 额定功率额定功率测量Po的条件如下：o音响放大器的输入信号为频率fi=1kHz，电压Vi=5mV的正弦波。o音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音量控制电位器置于最大值。o用双踪示波器观测Vi及Vo的波形，用示波器监测Vo的波形失真。 注意注意 在最大输出电压测量完成后应迅速减小在最大输出电压测量完成后应迅速减小V Vi i，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。 返回29 额定功率额定功率测量Po的步骤是：o功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)o逐渐增大输入电压Vi，直到Vo的波形刚

14、好不出现削波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压o由式(5-5-22)即可算出额定功率Po。 返回30 音调控制特性音调控制特性测低频特性的方法：测低频特性的方法：o将RP1的滑臂分别置于最左端和最右端时o频率从20Hz至1kHz变化，记下对应电压增益测高频特性的方法：测高频特性的方法：o将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端o频率从1kHz至50kHz变化，记下对应电压增益 最后绘制音调控制特性曲线，并标注与最后绘制音调控制特性曲线，并标注与fL1、fLx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等频率对等频率对应的电压增益。应的电压增益。返回31 整机频率响应整机频率响应 o放大器

15、的电压增益相对于中音频fo(1kHz)的电压增益下降3dB时对应低音频截止频率fL和高音频截止频率fH，称fL fH为放大器的频率响应。o测量条件同上，调节RP3使输出电压约为最大输出电压的50%。 返回32 频率响应频率响应 测量步骤是：o音响放大器的输入端接Vi (等于5mV)，RP1和RP2置于中间o使信号发生器的输出频率fi从20Hz至50kHz变化(保持Vi=5mV不变)o测出负载电阻RL上对应的输出电压Vo，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。 返回33 输入阻抗输入阻抗 o将从音响放大器输入端(话音放大器输入端)看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。o如果接高阻话

16、筒，则Ri应远大于20k。接电唱机，Ri应远大于500k。oRi的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。 返回34 输入灵敏度输入灵敏度 o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Vs。o测量条件与额定功率的测量相同，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电压值，此时对应的Vi值即为输入灵敏度。 返回35 噪声电压噪声电压 o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VN。o测量条件同上，测量方法是，使输入端对地短路， RP3为最大值，用示波器观测输出负载RL两端的电压波形，并测量其有效值。 返回36 整机效率整机效率 式中

17、，Po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。 %100/CoPP返回376.设计举例设计举例 o 例：设计一音响放大器，要求具有音调输出控制、卡拉OK伴唱，对话筒与录音机的输出信号进行扩音。 o 已知条件：n+VCC = +9V(单电源)n话筒(低阻20)的输出电压为5mVn录音机的输出信号电压为100mVn集成功放LM386 1只n8/2W负载电阻RL 1只n8/4W扬声器1只n集成运放NE5532 1只返回38主要技术指标主要技术指标o额定功率：Po1W( 20。返回39设计过程（设计过程（1）o确定整机电路的级数o根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益o分别计算各级电

18、路参数，通常从后向前级逐级计算o根据技术指标要求音响放大器输入为5mV时，PO1W，则输出电压Vo2.8V。总电压增益AV=Vo/Vi560倍(55dB)。 话放级混放级音调级5mVAV18.5 倍18.5dB42mVAV23 倍9.5dB125mVAV30.8 倍2dB100mVAV430 倍29.5dB3VAV=612 倍(56dB)功放级返回40功率放大器设计功率放大器设计功放级的电压增益： vi +9V C3 0.1F C 10F C1 3 2 10F 6 1 8 5 LM386 C2 250F RL 8 10F C4 4 5 R 2k A4 * 2 .31/26574VRRRRA返回

19、41音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（1）viR3147kR3247kRP31470kC34C310.01FC320.01F47kR349VC33470pFR3313k10k10910k118A34RP32470kC3510FC414.7FRP3310k14LM324vo100F返回42o已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。o由式(5-5-16)、(5-5-17)得到转折频率fL2及fH1； nfL2 = fLx *2x/6=400Hz， fL1 =fL2/10=40Hz ； nfH1 = fHx /2x/6=2.5kHz ， fH2= 10fH1=

20、25kHz 。 音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（2） 由式(5-5-5)得AVL=(RP31+R32)/R3120dB。其中，R31、R32、RP31一般取几千欧姆至几百千欧姆。现取RP31=470k，R31=R32=47k，则 dB8 .2011313231VLRRRPA返回43音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（3）由式(5-5-3)得 uFfRPC0.00821L13132取标称值0.01F，即C31=C32=0.01F。 由式(5-5-9)得 R34=R31=R32=47k ，则 Ra=3R4=141k 返回44音调控制器音调控制器(含音量控

21、制含音量控制)设计（设计（4）由式(5-5-15)得 R33=Ra/10=14.1k 取标称值13k由式(5-7-12)得 pF49021H23333fRC取标称值470pF 取RP32=RP31=470k，RP33=10k，级间耦合与隔直电容C34=C35=10F。 返回45话音放大器与混合前置放大器设计话音放大器与混合前置放大器设计 vo2 1F R11 10k 10k vi1 C11 10F 话筒 10k 3 2 R12 75k 9V 4 11 A1 录音机 vi2 100mV C13 10F RP12 10k C23 10F R23 30k R21 10k C21 10F RP11 1

22、0k C12 10F vo1 R22 30k 10k 10k 5 6 9V 4 11 + A2 C22 10F 1 7 1 4 LM324 5mV 1 4 LM324 图中电路由话音放大与混合前置放大电路组成。A1组成同相放大器，其放大倍数 dB5 .185 . 811112VlRRA返回467.电路安装与调试技术电路安装与调试技术 （1）合理布局，分级装调）合理布局，分级装调 o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o一般按照电路的顺序一级一级地布线o功放级应远离输入级o每一级的地线尽量接在一起o连线尽可能短，否则很容易产生自激。 返回47（1）合理布局，分级装调）合理

23、布局，分级装调 o安装前应检查元器件的质量o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o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。o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。 返回48（2）电路调试技术）电路调试技术 o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。o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、混放、音调电路均由运放组成，若运放是单电源供电，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

24、，且输出电容CC两端充电电压也应为VCC/2。若是双电源供电，直流电压均为0。返回49（2）电路调试技术）电路调试技术 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。 返回50（2）电路调试技术）电路调试技术 单级电路调试时的技术指标较容易达到，但级联后级间相互影响，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

25、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0.1F小电容相并联。 返回51（2）电路调试技术）电路调试技术 由于功放输出信号较大，易对前级产生影响，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所示。 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。 返回52（2）电路调试技术）电路调试技术 o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。 o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。o为满足整机电路指标要求，可以

26、适当修改单元电路的技术指标。图5.5.19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的修改。 返回53整机框图整机框图 C12 R11 10k 1F 10k 2 3 9V R12 75k A1 4 11 1 C11 10F 话筒 C13 C14 RP11 10k 10F 1 4 LM324 10F 电子混响器 R31 47k RP31 470k R32 47k C31 0.01F C32 0.01F 9V R34 47k 9 10 R22 9V 30k 6 10k 5 10k A2 7 C24 10F 1 4 LM324 R21 10k R23 30k C21 10F C23 10F 录音机 C22 10F RP21 10k RP32 470k R33 13k A3 10k 1 4 LM324 C35 10F RP33 10k 470pF C33 10k 10k 4 11 8 4 11 +9V C3 0.1F C 10F C1 3 2 10F 6 1 8 5 LM386 C2 250F RL 8 10F C4 4 5 R 2k A4 * 返回54（2）电路调试技术）电路调试技术 用8/4W的扬声器代替负载电阻RL，可进行以下