音箱放大器电子0904班王世顺

1、华中科技大学光学与电子信息学院电子系电子封装与表里面组装技术课程设计选题：音箱放大器班级：电子0904班姓名：王世顺学号：U200914698 指导老师：郝永德教授目 录第1章.绪论 .第2章.设计任务.第3章.设计方案选择.第4章.设计原理说明.第5章.仿真与测试.第6章.心得体会 .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

2、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。190

3、6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

4、放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶体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。第2章.设计任务 音响放大器的设计（一

5、）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（二）设计要求和技术指标设计一个音响放大电路，其主要技术指标和要求如下：输出功率P01W，负载阻抗8，失真度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所示。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/(

6、2pRP1C2)，w2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或fl2 =(R1+R2)/(2RP1R2C2)(2).当ff0时，音调控制器的高频等效电路如图所示。图音调控制器的高频等效电路由于此时可将C1，C2视为短路，R4与R1，R2组成星型连接，转换成三角形连接后的电路如图所示，其电阻的关系为： Ra=R1 +R4+( R1R4 /R2) Rb =R4 +R2 +（R4R2 /R） （） Rc=R1 +R2 +（R2R1/R4）若取R1=R2=R4 ，则式（）为： Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4图取的高频等效电路如图所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最在最左端时，对于高频提升最

7、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。图电路等效如 图高频等效电路（a）为高频提升；（b）为高频衰减分析表明，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w=1/(Ra+R3)C3或fH1=1/ 2（Ra+R3）C3w4=1/(R3 .C3) 或fH2 =1/(2R3C3)与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。(2).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中右半部分实线所示。实

8、际应用中 ，通过先提出对低频区（或）和(或()即 =. =/ 4.4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,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。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集成运放与

9、晶体管组成的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：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、

10、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

11、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。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

12、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。 f. 修改封装与布局，这是自动布线的前提；g. Protel DXP自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。

13、基于形状的对角线自动布线技术；h. 自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；i. 存盘并打印；j. 结束。第5章.调整与测试实践表明，新设计的产品，往往难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素，此外，电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。通过电路板的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查出电路安装中的错误，然后采取措施加以改进和纠正，就可使之达到预定的技术要求。6.1话筒放大器与混合前置放大器设计1.设计电路由话筒放大与混合前置放大两级电路组成。其中第一部分A1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻

14、话筒配接作为话筒放大器电路，其放大倍数Av1为Av1=1+ R12/R11=8.5（18.5dB） （）四运放LM324的频带虽然很窄（增益为1时，带宽为1MHz），但这里放大倍数不高，故能达到fH= 10kHz的频响要求。混合前置放大器的电路由运放A2组成，这是一个反向加法器电路，电压V02的表达式为 （）根据图的增益分配，混合级的输出电压V0237.5mV，而话筒放大器的输出V01已经达到了V02的要求，即V01=Av1V11=42mV，所以取R21=R22。录音机输出插孔的信号V12一般为100mV，已经远大于V02的要求，所以对V12要进行适当衰减，否则输出会产生失真。取R23=100

15、k，R22=R21=39k。2. 话放级与混合级仿真图如 ，仿真波形如图5.1.2 。图话放级与混合级仿真话放级与混合级仿真波形5.2 音调控制器1.音调控制器的设计及参数的确定音调控制器的电路如图所示。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，音箱放大器输出最大功率。根据低频区fLX与高频区fHX处提升量或衰减量x(dB)与转折频率关系得到转折率fL2及fH1： 则 则 当ffL1时C32可视开路则 AvL=（RP31+R32）/R3120dBR31、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

16、电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧几百千欧。现取RP31=470k，R31=R32=47k则AvL=（RP31+R32）/R31=1+RP31/R31=11（20.8dB）根据式fL1=1/2RP31C32得； 取标称值0.01F，即C31=C320.01F。根据：Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3所以对等效电路R34=R31=R32=47k，Ra=3R34=141k因为 AvH=（Ra+R33）/R3320dB所以 R33=Ra/10=14.1k取标称值13K因为 所以 取标称值510pF 取 RP32=RP31=470k，RP33=10k，级间耦合与隔直电容C34=C35=10F图音

17、调控制电路2.音调控制器的电路仿真音调控制器的仿真图.5.3 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，功率尽可能的高。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。（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所示。其中，运放为驱动级。晶体管T1T4组成复合式晶体管互补对称电路。 图 集成运放与晶体管组成的功率放大器由分析电路可得功率放大器的参数确定如下: R1=47K R2=1K R3=10K

18、 R4=11K R5=11K R6=240K R7=240K R8=R9=1K R10=100K R11=100K R12=10K C1=10F C2=10F C3=0.1F RL=8K功放在交流信号输入时的工作工程如下：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(2) 集成功率放大器 由两片LA4100接成的BTL（Balanced Transformerless）功率放大器的电路

19、如图 所示。输入信号Vi经LA4100（1）放大后，获得同相输出电压VO1，其电压增益AVIR11/RF（40dB）。VO1经外部电阻R1、RF2分压加到LA4100（2）的反输入端，衰减量为RF2/（R1+RF2）（-40 dB），这样两个功率放大器的输入信号大小相等，方向相同。如果使LA4100（2）的电压增益AV2=（R2/R11）/RF2AV1，则两个功放的输出电压VO1与VO2大小相等，方向相反，因而RL两端的电压VL=2VO1。输出功率PL=（2VO1）2/RL=4 VO12/RL。可见接成BTL电路形式后，输出功率在理论上比OTL电路的功率要增加4倍。由于电路不完全对称，实际上获得的输出功率只有OTL电路的23倍。双声道集成功率放大器的内部就有两个完全相同的集成功放，可以接成BTL电路。 图 LA4100接成BTL电路电路功率放大器仿真波形如图所示：图功率放大器仿真波形第6章心得