音响放大器设计实验

2023/2/1龙从玉11.1

掌握音响放大器的基本组成和工作原理及电路设计流程；1.2

掌握功率放大器的主要指标、电路调试与参数测试方法；1.3

了解音调控制电路的计算与测试方法；1.4

熟悉Proteus软件在电路设计的使用。2.1输出功率：Po≥1.0W(r＜3%)、

负载阻抗RL=10Ω（8Ω扬声器）、输入阻抗

Ri>20kΩ。2.2

频率响应：fL=30hz、fH=20kHz。*2.3音调控制特性：在1kHz时，Au=0dB、在30hz与20khz时，AuL=AuH≈±20dB。音响放大器设计实验用运放与功率管设计含音调控制电路的音响放大器1、实验目的2、主要性能指标要求及可供元器件目录设计实验课题2023/2/1龙从玉2

2.4

音响放大器主要元器件

运放：UA741或LM324、三极管：9012、9013、TIP41、TIP42（功放管）电阻电容：略测试器件：话筒1只扬声器8Ω

1只、可选集成功放：TDA2003或LM3803、音响放大器设计实验流程与音响电路设计方案选择确定设计指标拟定电路方案设定器件参数进行电路仿真电路安装调试设计实验结束通过测试通过仿真修改电路修改电路否否否否图-1音响电路设计实验流程图3.1音响放大器设计实验流程如右图-1。2023/2/1龙从玉33.2

音响放大器电路设计方案选择

整机电路可分为话放级、混放级、音调级与功放级。根据各种音响电路的不同构成，电路中各级电压增益的分配不同：1）对采用集成功放的电路，各级电压增益分配如下：话放Au1=2倍6dB5mv10mv前置放大Au2=10倍20dB100mv音调级Au3=1倍0dB100mv功放级Au4=30倍29.5dB3VAu∑=600(56dB)2）对采用运放驱动功率管的电路，则应减少功放级的增益，提高话放或前置放大级的增益，各级电压增益分配如下：话放Au1=5倍14dB5mv25mv前置放大Au2=10倍20dB250mv音调级Au3=1倍0dB250mv功放级Au4=12倍22dB3VAu∑=600(56dB)

在采用复合功率管的电路中，电流放大管的电压增益Au<1，驱动运放的电压增益过大，则其频率特性会下降。2023/2/1龙从玉4★音响的单元电路构成、工作原理、调试与测试方法4

、话放与混放电路GND话筒AMP=5mFREQ=1k100%RV310k话放电路混放电路R120kR2100kR610kR510kR751k0%RV210kMP3AMP=50mFREQ=1kR1010k3267415U1UA741U1-VALUE=-93267415U2UA741R310kR420kC110uC210uC310uC410uC510u100%RV110kU1+VALUE=9U2(V+)VALUE=9VU2(V-)VALUE=-9V话筒信号特点：①信号小5mV左右、②输出阻抗高。4.1

话筒信号放大电路采用同相放大电路，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。4.2

混放电路则采用反相比例加法电路。4.3

运放电路的静态检查：两输入端经电阻或电容接地，测量两个输入端与输出端静态电压应为零。（双电源电路）4.4

采用同相输入的放大电路，在实际应用中的自激噪声较大。可在运放的输出端与反相输入端之间接约0.01uF的电容来消除自激。图-2话放与混放电路2023/2/1龙从玉55、音响的功放电路5.1

典型音响功放图

OCL功放电路如右图-21）功放的作用：给扬声器提供输出功率。2）功放要求：输出功率大、信号失真小、效率高。目前常用集成功放。3）实验要求：进行功放电路分析，掌握功放电路的构成、工作原理、调试与测试方法。图-3OCL功放电路图UAU1OC110uD1D21N4001Q3(C)VALUE=9VQ19013Q29012Q3TIP4123%RPF20kuoQ4TIP42Q2eQ2bC20.1uR12kRF10kR55.1kR951R7100R8100R651R45.1kR1023267415U1UA741OCL功放电路电压增益Au=(RPF+RF+R1)/R1Q1bQ1eR210kU1(V+)VALUE=9U1(V-)VALUE=-9Q4(C)VALUE=-9扬声器VNOM=3VLOAD=8C210u0%RV110kui4）在图-3电路中，用TIP41替换TP42的方法：把Q4基极改接Q2的C极，参照Q3接法，把R8与R9电阻值对应互换！2023/2/1龙从玉6在功放电路中，用单电源接法电容耦合输出的为OTL电路，双电源接法无电容耦合输出的为OCL电路。功放电路的状态为甲乙类工作状态，功放复合管的导电极性由第一个三极管（Q1或Q2）决定。静态时，Q1、Q2应工作在微导通状态。电路静态功耗小并能克服交越失真。功放两对复合管的基极偏置电路由R4、R5、RW1、D1、D2组成，静态电流IQ

：IQ=(VCC-2VD)/(R4+R5+RW1)。二极管D的材料应与三极管Q的相同。

R7、R8用于减少复合管的穿透电流，提高电路稳定性，一般取100--200Ω。R6、R9为平衡电阻，可使Q1、Q2的输出对称，一般取50-100Ω。（在两个功率管的发射极支路上均串联0.2-1Ω的反馈电阻，能改善功放电路的性能）。

R10与C4组成消振电路，有利于消除电感性扬声器易引起的高频自激，改善功放的高频特性。5.2

OCL功放电路的工作原理2023/2/1龙从玉7

功放电路的运放主要完成信号电压放大任务，采用自举式同相交流电压放大器。C1输入耦合电容，C2是自举电容，同时有隔直流的作用。

RF与RPF组成反馈电路，与R1共同确定运算电路的比例系数，功放级的总电压增益为：Au=1+(RF+RPF)/R1。5.4

功放电路静态工作点的设置与自激的消除

功放电路参数应完全对称，静态时功放对称中点（输出端）的电压UA=0，是交流零点，（因单电源的OTL电路的参考电压由分压电路取得，电路交流零点的静态电压UA=VCC/2）功放电路的静态电流由IQ决定，IQ过小会有交越失真，

IQ过大则会使功放的效率下降，一般可取IQ≈2-3mA。三极管Q1、Q2静态基极电压为UA±VD，在±0.5V左右。

由于电源内阻可能对某级电路产生正反馈而出现自激，可并联接入几百uF的去耦滤波电容消除。5.3

功放驱动电路设置与增益的计算2023/2/1龙从玉8表-1话放与混放电路测试表VCC/V静态测试动态测试U1O/VU2O/VIQ/mAui/Vu1o/VAu1u2o/VAu26、音响放大器的主要参数测试6.1话放电路与混放电路的测试

先将话放电路的输入端接地，测量话放电路与混放电路输出端的静态电压U1O和U2O，测量两运放的静态电流IQ。然后将信号源输出的频率f=1khz电压ui=50mV正弦信号接入话放电路输入端，测量运算放大电路的电压增益。填入表-1中。6.2

运放驱动复合功率管功放电路的性能测量1）先将功放电路输入端接地，调节复合管基极偏置电压的电位器，用万用表直流电压档，测量Q1基极偏压约0.5V(或功放的静态总电流IQ约1-2mA)。测量运放及各晶体管各极的静态电压及输出端A点的静态电压UA，记录在表-2中。2023/2/1龙从玉9表-2功放电路的测试数据表

f=1kHz静态测量ui=0动态测量功效测量

RL=10ΩIQ/mAUB1/VUB2/VUE1/VUE2/VUA/VUi/VUOM/VAuVCC/VIOM/mAUOM/VPOM/WPC/Wη2）保持调好功放的静态工作点不变，接入1kHz输入信号，逐步提高信号电压，调节功放电路电压增益调节电位器RF，使功放输出最大不失真电压，测量功放输出电压UOM及功放输出电流IOM，（因IOM>>功放静态电流IQ，可采用直接读出直流稳压电源显示的输出直流电流IIM代替测量功放输出电流IOM）。计算运放的输入功率PC、输出功率POM及效率η，记录在表-2中。3）用话筒输入音频信号，试听扬声器输出音频，调节音量电位器，感受音量的变化；

用MP3从混放电路输入音乐，分别调节高音与低音电位器，感受音调的变化。2023/2/1龙从玉10*7

、选作：音调控制电路7.1音调电路工作原理1）低音频率:fL=1/(2πRP1C1)令C1=C2>>C3，在中低音频区f<fo，C3C4视为开路；当RP1调向输入端C1,低频增益提升；

AuL≈(R1+RP1)/R1当RP1调向输出端C2,低频增益衰减.2）高音频率:fH=1/(2πR4C3)在中高音频区f>fo

，

C1.C2可视为短路。当RP2调向输入端，高频增益提升:AuH≈[(XC3+RP2)//R31]/(XC3//R23)R1R2R3作星角变换R31=R23=46K均应并联！当RP2调向输出端，高频增益衰减。3）测试音调控制特性参数，并作出音调控制特性曲线图。C10.033uR110k0%RP1100k100%RP2100kC20.033uR318kR210kCi10uR43.6KC32200puiAMP=100mvOFFSET=0FREQ=1kuiuo2R51k3267415U2UA741U2(V+)U2(V-)C42200pfL=1/(2*3.14*3.3*10-8*105)=48hzfH=1/(2*3.14*2.2*10-9*3.6*103)=20khz图-5音调控制电路fL=20hz:0.033u,XC1=242K2200p,XC3=3.62MfH=20Khz:0.033u,XC1=2422200p,XC3=3.62K2023/2/1龙从玉11表-3音调控制特性测量数据表ui=100mV测量频率点fL1fL2fofH2fH1调输入频率/hz301k20k低音提升高音衰减调音调电位器低音调向输入端中端高音调向输出端uo/v140mv100mv71mvAu/dB30-3低音衰减高音提升调音调电位器低音调向输出端中端高音调向输入端uo/v71mv100mv140mvAu/dB-3037.3

根据音调控制数据表，作出音调控制曲线如右图的音调控制曲线。7.2音调控制电路的测试

保持输入信号ui=100mV不变，改变频率f，分别调节低音与高音控制电位器，测量输出电压，计算电压增益，并记录在表-3中。0Au/dBf/hz高音衰减低音衰减低音提升高音提升2023/2/1龙从玉128.1

额定功率：音响输出失真度<设定值（如r<5%）的最大功率。即：PO=UO2/RL

式中RL：额定负载阻抗；UO:RL上的最大电压有效值。(Vcc≥2√2*UO)

测量PO：采用1khz中频，两音调电位器置中间，逐步提高输入信号电压，记录最大不失真电压。8.2

音调控制特性：分别从音调控制级输入/输出信号，分别提升与衰减、高频与低频信号，分别音调控制特性数据（如表-3），并作音调控制特性曲线。8.3

频率响应：放大器的电压增益相对中频(1khz)的电压增益下降3dB时

(uo’=0.707uo),对应的高音/低音频频率(fH/fL).记录频率特性测量数据如表-3，作出频率特性曲线。8.4

输入阻抗：分别测量话放级输入阻抗与电唱机输入阻抗。8.5

输入灵敏度：音响放大器输出额定功率时的输入电压有效值。8.6

噪声电压：输入电压ui=0(输入端接地)时，测量输出电压uo=?。8.7

整机效率：

η=(Po/Pc)%

Po：输出额定功率；Pc：输出额定功率时的输入电源功率。8、音响放大器主要技术指标及测试方法2023/2/1龙从玉139.1

实验要求先分单元电路做静态电压调试、动态参数测试，然后进行统调测试。9.2

测量并记录音响电路的各级静态电压与静态电流，测量信号中频段（f=1kHz）音响的输入信号电压ui1和ui2，各级输出电压uo1、uo和电流Iom

，计算音响电路的整机增益Au、输入功率Pc输出功率Po及效率η

。*9.3分别改变输入信号频率，调节高音与低音电位器，测试相应的音调控制特性，据此数据作出音响放大器的音调控制特性曲线。9.4

实验报告按设计实验的要求：设计实验要求、实验方案的选择、主要单元电路原理分析与参数计算、电路元件布局与布线安排、调试测试过程与方法、测试数据与电路性能参数计算、实验结果讨论、实验收获体会及对设计实验改革的建议。9、设计实验操作与实验报告要求2023/2/1龙从玉141.2

音乐输出功率(MPO)不失真

音乐输出功率(MusicPowerOutpour)：它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度≤规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。音乐输出功率为额定输出功率的2倍。1.3

峰值音乐输出功率(PMPO)失真它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。通常峰值音乐输出功率>音乐输出功率，音乐输出功率>额定输出功率，峰值音乐输出功率是额定输出功率的6-8倍。

★扬声器的标称功率一般为峰值音乐输出功率。1.1

额定功率(RMS：正弦波均方根)标示法：美国联邦贸易委员会于1974年规定了功率的定标标准在20～20000Hz范围内谐波失真<1％时测得的有效功率。附1

音箱功率的几种标示方法2023/2/1龙从玉15附2

图-6OCL功放的音响电路龙FILENAME:BY:DATE:PAGE:OCL功放的音响电路龙.pdsprj2013-4-30<NONE>ABCDEFGHJKABCDEFGHJK01234567890123456789H:\OCL功放的音响电路龙.pdsprjPATH:1of1REV:<NONE>TIME:10:50:33DESIGNTITLE:H:\OCL功放的音响电路龙.pdsprjuo2UOC510uD1D21N4001VCCVALUE=6Q19013Q29012Q3TIP4185%RPF20kuoV=-3.72393Q4TIP42C210.033u50%RP1100k50%RP2100kC220.033uui=5mvf=1kuiV=-0.00462705uo3V=-0.506244C110uQ2eV=-4.41919Q2bV=-5.20087音响幅频曲线音调控制幅频曲线C210uC232200pC242200pC410uSW1C70.1uR120kR2200kR6100kR410kR75.1kR2110kR2210kR2318kR243.6kR3210kRF10kR355.1kR3951R37120R38120R3651R345.1kR810uo1V=-0.0504053267415U3LM741U3(V+)VALUE=63267415U2LM7413267415U1LM7413267415U4LM741R510kC310u0%RV110kMP3Q1bV=-4.2793Q1eV=-3.72393uo2V=0.517623R320kR312kU1(V+)VALUE=6U1(V-)VALUE=-6U2(V+)VALUE=6U2(V-)VALUE=-6VSSVALUE=-6U3(V-)VALUE=-6C8560pC610uQ3(C)I=-0.00330753UO4V=-4.89406各级输入输出电压波形RL10R话放电路uo1=ui[1+(R2/R1)]混放电路uo2=

(uo1+ui2)*(R6/R4)音调控制电路低音调电位器高音调电位器AuL=(R21+RP1)/R21AuH≈[(XC3+RP2)//R31]/(XC3//R23)D2D3消除交越失真RPF调整功放增益运放驱动OCL功放电路OCL功放电路电压增益Au=(RPF+RF+R31)/R31IQ≈2mAuO=uoL≈3.1VXC23=1/(2*3.14fC)fL=1/(2πRP1C21)fH=1/(2πR24C23)uO4≈4.0VuO4L≈6.0VUo4=0UA=02023/2/1龙从玉16FILENAME:BY:DATE:PAGE:用OTL功放的音响电路龙.pdsprj2013-4-30<NONE>ABCDEFGHJKABCDEFGHJK01234567890123456789H:\用OTL功放的音响电路龙12.pdsprjPATH:1of1REV:<NONE>TIME:11:32:00DESIGNTITLE:H:\用OTL功放的音响电路龙.pdsprjVCUUAuoVCC/2VCC/2D1D21N4001VCCVALUE=12Q19013Q2