音响放大器设计分析

1、音响放大器的设计分析音响放大器的设计分析22/22音响放大器的设计分析电子技术（综合）课程设计题目名称：音响放大器的设计班级：电气1302班学号：姓名：指导教师：吴建国日期：音响放大器的设计设计任务和要求：(1)拥有对话筒与录音机输出信号进行扩音、音调控制、卡拉OK伴唱等功能。(2)主要技术指标：额定功率PO1W（3%）；负载阻抗RL8；截止频率fL40z，fH10kz；音调控制特征：1kz处增益为0dB；100z处和10kz处有12dB的调理范围；AVLALH20dB；话筒放大级输入矫捷度5mV；录音机的输出信号电压为100mV；输入阻抗Ri20。（为了保证设计内容的多样性，技术指标部分可另

2、取值）。主要器件：VCC=+9V；话筒（低阻20）电子混响模块一个；集成功放LA4102一只；集成运放LM324一只（或A7413只）；8/2W负载电阻RL一只；8/4W扬声器一只。题目分析或内容大纲：这个音响放大器的设计过程为：第一确立整机电路的级数，再依据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，而后分别计算各级电路参数，平常从功放级开始向前级逐级计算。只要给定电子混响器电路模块，需要设计的电路为话筒放大器，混杂前置放大器，音调控制器及功率放大器。依据题意要求，输入信号为5mV时输出功率的最大值为lW，所以电路系统的总电压增益Au=PoPLUi=566(55dB)，因为实质电路中会有消耗，故取

3、Au=600(556dB)，各级增益分配如图4所示。功放级增益Au4由集成功放块决定，取Au4=100(40dB)，音调控制级在fo=lkHz时，增益应为1(0dB)，但实质电路有可能产生衰减，取Au3=0.8(一2dB)。话放级与混杂级一般采纳运算放大器，但会遇到增益带宽积的限制，各级增益不宜太大，取Au1=75(175dB)，Au2=l(OdB)。设计方案甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最粗笨，最耗资，失真最小的放大器前置放大级电路沃共射-共基电路输入音尔推至末级频信号漫恒压源电路动功放级电路共射-共基电路反响电路图1前置放大电路框图它有吸引人的音质。甲类放大器输出电路自己拥有

4、抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子一直工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。所以，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器一直保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬时起落能迅速反响。因此输出功率发生急巨变化时，电源电流变化微不足道。由这类强盛的驱动者来推进扬声器就能十拿九稳的获取高保真的重放成效。为了能获取好的音质,在设计时,我采纳了前后级分别。前置低放和末级功放完整分别,甚至分开供电。电路的方框图如图所示。电路组态与频响的关系经过一期的学习，我们学了各种放大电路及其组合形式。因为所选器件和组合形式的不一样，不行防范地要造成诸如输入阻抗、频响、失真、信噪比等方面性能的指标差异，并且

5、最后以音质方面的差异表现出来。3.1组态与频响的关系选择电路时，我们希望其频响应尽量平坦广阔，在整个音频范围内均衡度好。电路的转换速率和失真也相对低。经过第五章的学习，我们认识到晶体管Cbe、Ccb和Co的反响或分流效应，造成输入、输出信号中的高频重量减少，此中以Ccb的影响最大。高频信号经该电容反响主生的“密勒效应”，相当于在放大器输出端并接了一个容量等于Cm(密勒电容)的电容。Cm和Ccb的关系是：Cm=(1+Kv)Ccb（1）可以以为Cm是影响放大器高频响应的主要要素。而耦合电容的容抗主要影响放大器低频频响。这些要素与电路组态有关。3.2共射-共基差分的频响3.2.1共射-共基电路R3R

6、51.5k1.5kC经过学习我们知道共基放大器因为基极交流接地，集COUTV电极电容Ccb的反响条件被损坏，Ccb转变为CO（共T1VbT2基接地时晶体管的输出电容）。其影响比Cm自然小得多，而集电极与发射极之间的寄生电容基电路有很T3T4Ui好的高频响应。在音频放大电路中，共一般极小，管1kRP1图2R3共基差分电路R5子内部反响的影响也小得多。所以共基电路不但独作共射-01.5k41.5kC2OUTC用，而是与共射或场效应管共源放大器直接耦合构成2VCT1T2共射-共基或共源-共基放大器。共射-共基差分电路如VbC2240Q1Q2K170K170Ui1kRP1图3共源-共基差放电路图2所示

7、。这类放大器取两种放大器之长而避其短，不但有很好的高频响应和较高的增益，并且使共射管有恒定的UCE。因T1有很高的输出阻抗，T3有很低的输入阻抗，所以T3可将T1的电流变化转变为电压的变化。如图2示，这就为T1供给了恒定的UCE。UCE恒定，可明显改进T1的值线性度，防范了上下半周放大批不一致而以致的失真。所以共射-共基电路是一款性能优秀的放大器。3.2.2共源-共基电路众所周知，场效应管拥有输入阻抗高，动向范围大，噪声系数小且与工作电流基本没关的特色。所以由场效应管和三极管构成的共源-共基差放电路在现代高保真放大器中应用更为广泛。共源-共基差放电路3所示。3.3互补对称放大器的失真互补对称放

8、大器是用不一样极性的放大器件（N型或P型）构成的高保真放大器中最常用的放大器。其结构有互补对称双管放大器和互补对称差分放大器两种。信号由不一样极性的器件分别放大后在其输出端合成。因为它们工作在对称放大状态，拥有近似差分的特性抵消逝真中的偶次谐波，获取较低的失真度。鉴于此，我在这里用了沃尔漫电路。形式如图4所示。共射-共基电路有诸多长处，在信噪比方面的表现也不逊色。功放优化设计4.1DC化无大环路负反响功放电路为除掉非线性失真和克制零飘，一般晶体管功放的输出端与输入级之间加有大环路负反响。研究表示，因为功放输出端信号会因为晶体管极间电容的充电过程而被延缓，使输出信号相位滞后于输入信号。加环路负反

9、响后产生TIM失真。+VCCR3R4R5out1.5k20k1.5koutNT1C2240R6T2IC224011kQ1Q2R1K170K170C11kRP11kR11R2kQ3Q4011kR701J77J77T3A970T4outA970outR8R9R101.5k20k1.5k-VCC固然晶体管的极间电容很小，相移的影响主要表图4沃尔漫电路此刻高频段。但对波形前沿很陡的音频信号依旧产生明显的影响。要防范TIM失真，减少电路相移量的方法为治本之策。在功放电路中，输出级晶体管的极间电容最大，可达几百皮法上千皮法。若使反响环路避开输出级，反响信号的相移将会明显减少。TIM失真也可明显改进。于是设

10、计时可将反响信号的提取点移至电压驱动级的输出端，使输出级不介入环路负反响（即所谓无大环路负反响）。这样就缩短了反响路经。使反响信号的相移量尽可能小，同时又保留了负反响给电路带来的好处。输出级介入反响，还可以防范感性负载（即扬声器）反向感应电动势带入输入级，引起交织调制失真。综合分析主电路部分如图5所示，音频信号经R1缓冲进入Q1和Q2构成的双差分输入电路。C1C2R3R4R5C7D1RP20.1uR141.5k20k1.5k1k150C10T568pNT1T2B647Q5IC2240R6C224011kT6K214Q1Q2B647R19OUTR1K170K170R124701kR17RP1WR

11、216.8k1kC41M12C8/R16C1R22.2ukT7*0.1u9R138WkQ3Q434D669RP3R1810k2011kR71D310k/1000p401J77J771kN2R201OUTR11C5D667470Q6T3T4T8J77A970A970T9R8R9R107.5vR15D66768pC3C6D2300C90.1u1.5k20k1.5k0.1u图5前置低放电路图和R2对输入信号中的高频搅乱起到旁路的作用。R2作为输入电阻.Q1、T1，Q2、T2，Q3、T3和Q4、T4构成共射共基电路（也称沃尔漫电路）这类电路最明显的特色是拥有失真低、频响宽、增益高、线性好。R4、R6、

12、RP1、R7、R9构成分压电路给T1、T2、T3、T4的基极供给12V基极偏压。这样，Q1Q4四只结型场效应管的漏极工作电压只有11.3V（12-0.7）左右,保证了却型场效应管安全靠谱地工作,这是因为结型场效应管的工作电压较低,不可以直接工作在较高的电压下。RP1(兼作输出级输出中点电位的调理)为输入电路静态电流的调理电阻,设计时输入级静态电流设定在1.4mA左右。这样，R3、R8上产生2.1V压降作为下一级电路的偏置电压。电压放大级相同是由T5、T6、T7、T8构成共射共基电路。D1、R16、D2为T6、T8的基极供基准工作电压。调理RP3将该级的电流设定在4.8mA左右，R36上电压降为

13、1.45V。正负半周的信号经T9T13共射放大电路后由其集电极进入T10、T12构成的共基电路，并从两管的集电极输出，经R37、R38缓冲送入Q5、Q6构成的末级电路。T7、R17、D3、RP3构成恒压电路，调理RP3可以改变Q5,Q6两管栅极电位差，从而改变末级静态工作电流。C6、C7及输入级的C2、C3为高频退耦电容，减少了电源的调频内阻过大引起自激的可能。关于末级管5、6电流究竟设计在多大，以前有人作过商讨，结论是静态电流大于80mA后，胆味才更浓郁。为了获取10W左右的功率，本设计中将Q5、Q6的静态电流设计在80mA左右。假如想获取更大一点的功率，我们可以改变末级功放的电源电压，把场

14、效应管的漏极电流调到100mA左右。这样，不但有大的功率，并且有胆机的滋味。场效应管属电压控制器件，栅极输入阻抗高，静态电流调大时，会产生寄生振荡，解决的方法是在Q5、Q6的栅漏之间并联C10、C9来除掉。R18、R21为末级管的源级电阻，当该级电流为100mA时，其上的压降为2V左右。R11、R12、R13、C4、C5构成电压反响网络，这类反响的特色是：通频带、变换速率等指标最优（在该电路中）。R11、R13将整机的闭环电压放大倍数定在10倍左右，这也是前级电路常例的放大倍数设定方法。至于相位赔偿电容C5的使用，有一个原则是能小则小，能不用则不用。C5的使用影响整机的变换速率，使整机的动向变

15、软（C5在这里可以不用，不会产生自激）。电路特色：静态下没有噪音，噪声系数低，背景干净，动向范围大，电路简单且易于集成，稳固性高。音频放大电路中均采纳了高音频专用管，使整机提高了信噪比。提高了变换速率且减少开关失真。推进管采纳了2SK214和2SJ77并将推进管的工作点调至最正确工作状态。有了优秀的功放电路，还得选择优良的元件来组装。功放的音质帮能有保证。正所谓“宝马配金鞍”吧！胡乱地东拼西凑，忽视了对元件质量的要求，再优秀的线路相信也不必定能出靓声。本功放对各部分元件的质量要求较高。总的来说，本机播放的音乐定位正确、安稳、乐器质感传神、自然、动向范围宽，瞬态响应讯速矫捷，干净利落。5.1音源

16、切换电路1k*6TAPE-LR1R6音源切换电路如图6所示。采TAPE-RTUR-LkTUR-RCD-Lk用小型继电器，最大限度地缩CD-R6k3RCA15*k*0Vk短了小信号的传输路线，这也0211R12AkR82R10R13KAUX1是中高当功放电路常用的形-L1k*4AUX1-RAUX2-LAUX2-RTURSW-6WAYREC-LREC-R1TAPE3RCA210k*2100k*4CDAUX123456AUX2K1BCDK2BURK3BTAPEK4BAUX1K5BAUX2L-inR-in123456图7切换开关图6音源切换电路CON6式。经过固定在面板上的五挡切换开关，控制五路继电器

17、。所用继电器为直流通道12V，直流电阻700欧左右。继电器的12V电压由稳压电源正端拿出经集成稳压IC1LM7812）稳压，供五路继电器和其他隶属电路使用。图7是一个音源选择开关，它可以固定在面板上。电源电路图8是该电路的电源电路。集成稳压电源7812为音源选择电路供给12V电源。主电源部分为前置放大电路供给31.5V的电压。5.3末级功放电路下边介绍末级功放的设计要求。在设计末级功放时，我们可以依据以下条件来选择。电源电压与晶体管的选择应依据：C12C13100u/25VC11IC10.1u图8电源电路0.1uLM7812+12V1N4004+31.5VD124*v*0450/D236*20

18、U40N2D412D3D669AD5T2R1C11.8KT11000U/35V*2C142C30.1u*C5UC945D6C61.33V033VD7C8C9T40.1U*2C2C4C15R2A7330.1u1.8KT3B649A-31.5V图8电源电路图VCC=（2）来确立。为了留有余量，实质电压值应比计算值超出35。对输出管的要求：为4080，fT20M，BRCEO2VCC（3）ICMVCC/RL（4）PCM=2（0.05VCC2/RL）+VCCIC（5）我们可以依据以上的公式来确立三极管的型号。如图9所示，这是二级推挽射极接地功放。+VCC这个末级功下班作在甲类状态。三极管的型号已在图9中

19、注明。表1所示是它的一R210INR110T3T4C5200C5200R5R70.22/2W*4L1些主要参数。当前面的低放管Q5、Q6的漏极电流80mA时，图9所示功放输outR6R8C1A1943A1943W104R42T1T2/R901出功率PO:IN10*2R3-VCCPO=2*0.7*810W图9末级功放电路末6）表1末级功放管的主要参数表三极管型号特色频率C-E间的击穿电C最大充许电C最大耗散功fT压BRCEO流ICM率PCM2SC5200FT30MICM15APCM150WBRCEO160V2SA1943FT30MBRCEO-160VICM-15APCM150W甲类放大器作为一种

20、最古老，效率最低，最耗电，最粗笨，最耗资，失真最小的放大器，在此刻众多性能优秀的放大器中，它仍有吸引人的音质。甲类放大器输出电路自己拥有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子一直工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。所以，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器一直保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬时起落能讯速反响。因此输出功率发生急巨变化时，电源电流变化微不足道。由这类强盛的驱动者来推进扬声器就能十拿九稳的获取高保真的重放成效。5.4扬声器保护电路扬声器保护电路如图10所示是一个三极管式正、负12VR315KINR14.7KT3R2T2向直流电压检测电路。对3DG63.9KK1B

21、T4T1其原理作简要说明。C1T008D13DG62CPK1AC2k图10扬声器保护电路T3为正向直流电压检测器，T1、T4为负向直流电压检测器。正常时，T3基极电位为0V，T1T4均截止，K1的常闭触点不动。当T3基极电位0.7V时，T1的集电极电位约0.2V。T2饱和导通，K1吸合，断开扬声器起到保护作用。tuo1409C1RCCC1CV0V+L-032W2/015TC7483*RWR492210/AT2052642.5R0RTC340091111AT2214*30RRR1R4015R12PkR11D7Ck55.R14k0R2k35.R12uC1.0L1为自制电感，由为4187121652

22、RR70QKQJ19CppCu890008616178.27R4C0WR42*2/027k3k8P01.RR61图779377路54646696电6676D66TBTBDD8TD总T506T11R01Rv3521.8414N17D图36193kuRkCW1/01M.21u1502C14.kRC211014R0k422Q41520.TC27T0R1717k6kQ177991KPkJA0R1R1RR200k0k4127177852119.173Ru1CQK3JATT1Q3.C021mm漆包线1在k铅笔R上绕10匝左右脱胎而成，顺绕、反绕均可。R1k001NI1pC0012.1音响放大器的基本构成如

23、图2.1。各部分电路的作用以下：图2.1音响放大器的构成图2.1.1话筒放大器因为话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kf)亦有低输出阻抗的话筒(如20Q，20012等)，所以话筒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。2.1.2电子混响器电子混响器的作用是用电路模拟声音的多次反射，产生混响成效，使声音听起来拥有必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。电子混响器的构成以以下图，此中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贮器。在外加时钟

24、脉冲作用下，这些电子开关不停地接通和断开，对输入信号进行取样、保持并向后级传达，从而使BBD的输出信号有关于输人信号延缓了一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延缓时间越长。BBD配有专用的时钟电路，如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD器件配套。电子混响器的电路如图345所示，此中两级二阶(MFB)低通滤波器A，、A：滤去4kHz(语音)以上的高频成分，反相器A3用于间隔混响器的输出与输入级间的互相影响。RPl控制混响器的输入电压，RP2控制MN3207的输出均衡以减小失真，RP3控制延不时间，RP4控制混响器的输出电压。其实验电路如图。2.1.3混杂前置放大器混杂前置放

25、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进行混杂放大。其电路如图2.1.3所示一个反向加法电路，输出与输入电压间的关系为UoRFU1RFU2(21)图R1R2式中U1话筒放大器输出电压；图2.1.3混杂前置放大器U2录音机输出电压。图2.1.2a电子混响器的构成图图2.1.2b电子混响延时器实验电路主要技术指标的测试方法3.1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，即POUO2（3.1）RL式中RL额定负载阻抗；UO(有效值)RL两端的最大不失真电压。丈量PO的条件：信号发生器输出频率f1=lkHz，输出电压Ui=20mV，音调控制器的两个

26、电位器RPl、RP2置于中间地址，音量控制电位器RP3置于最大值，双踪示波器观测Ui及Uo的波形，失真度丈量仪监测Uo的波形失真。丈量Po的步骤是：功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(取代扬声器)，输入端接Ui，逐渐增大输入电压Ui，直到Uo的波形恰巧不出现削波失真(或C3，在中、低音频区，C3可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器。3.4输入阻抗从音响放大器输入端(如话筒放大器输入端)看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。假如接高阻话筒，Ri应远大于20k。接电唱机，Ri应远大于500k。Ri的丈量方法与放大器的输入阻抗丈量方法相同。3.5输入矫捷度使音响

27、放大器输出额定功率时所需的输入电压(有效值)称为输入矫捷度。丈量条件与额定功率的丈量相同，丈量方法是，使Ui从零开始逐渐增大直到Uo达到额定功率值时对应的电压值，此时对应的Ui值即为输入矫捷度。3.6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UN。丈量条件同上，丈量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载RL的电压波形，用交流电压表丈量其有效值。3.7整机效率PO100%(37)PC式中Po输出的额定功率；Pc输出额定功率时所耗费的电源功率。设计一音响放大器，要求拥有电子混响延时，音调输出控制、卡拉OK伴唱，对话筒与放音机的输出信号进行扩音。4设

28、计内容这个音响放大器的设计过程为：第一确立整机电路的级数，再依据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，而后分别计算各级电路参数，平常从功放级开始向前级逐级计算。只要给定电子混响器电路模块，需要设计的电路为话筒放大器，混杂前置放大器，音调控制器及功率放大器。依据题意要求，输入信号为5mV时输出功率的最大值为lW，因此电路系统的总电压增益Au=PoPLUi=566(55dB)，因为实质电路中会有消耗，故取Au=600(556dB)，各级增益分配如图4所示。功放级增益Au4由集成功放块决定，取Au4=100(40dB)，音调控制级在fo=lkHz时，增益应为1(0dB)，但实质电路有可能产生衰减，取

29、Au3=0.8(一2dB)。话放级与混杂级一般采纳运算放大器，但会遇到增益带宽积的限制，各级增益不宜太大，取Au1=75(175dB)，Au2=l(OdB)。图4整机电路的级数图4.1功率放大器设计因为采纳集成功率放大器，电路设计变得十分简单，只要查阅手册即可获取功放块外头电路的元件值，如图4.1所示其功放级的电压增益Au4为Au11=R11RF=100假如输出波形出现高频自激(叠加毛刺)，可以在脚与脚之间加015F的电容4.2音调控制器(含音量控制)设计音调控制器的电路如图4.2所示。运算放大器采纳单电源供电的四运放LM324，此中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

30、最大功率。转折频率fL2及fH1fL2=fLX2X/6=400Hz则fL1=fL2/10=40HzfH1=fHX2X/6=2.5KHzfH2=10fH1=25KHzR31、R32、RP31不可以获得太大，不然运放漂移电流的影响不行忽视，但也不可以太小，不然流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧至几百千欧。现取RP3，=470k，Rs，R31=R32=47k，则AuL=(RP31+R3z)R3l=1+RP31R3l=11(208dB)可得1fL1=12RP3lC32则C32=0.008F2RP31fL1取标称值001F，即C31=C32=O0lFRa=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4

31、则R34=R31=R32=47kQRa=3R4=141kAuH=(Ra+R3)R320dBR33=Ra/10=141k取标称值13k可得fH2=12R3C3则C33=1取标称值510pF=490pFR33fH2取RP32=RP31=470k，RP33=10K，级间耦合与隔直电容C34=C35=10F。图4.1功率放大器的实验电路图R31RP31R3247k470k47kC31C320.01F0.01FR349VC3447k94C35vi100FC33kA310F0C41470pF1108R33114.7FRP3313k10kvo10kRP321LM324470k4图4.2音调控制器的电路图4.3话筒放大器与混杂前置放大器设计图4.3所示电路由话筒放大与混杂前置放大两级电路构成。此中