音箱放大器,电子班王世顺

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。 1906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（Negativefeedback）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（HighFidelity ）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。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（OutputTransformerLess）”无输出放大器、“OCLOutputCapacitorLess）”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）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：⑴输出功率P0≥1W，负载阻抗8Ω，失真度<5％。频率响应：低频截止频率fL=40Hz，高频截止频率fH=20kHz。⑵音频控制：中频f0=1kHz处增益为0dB，100Hz和8kHz处有±12dB的调节范围，低频端和高频端的最大增益为±20dB（即电压放大倍数AVLm和AVHm均为十倍）。⑶话筒输出灵敏度为 5~8mV（低阻话筒）。⑷信噪比S/N≥50dB。S/N=10lg（POS/PON）,其中POS为信号输出功率，PON为噪声输出功率。（三）设计提示1、音响放大器的设计框图如图 4-1所示，2、音响放大器各级增益分配如图 4-2所示3、设计用仪器设备：示波器、交流毫伏表、万用表、低频信号发生器、实验面包板或万能板、智能电工实验台话放大筒混器音调合拾器控制音

功放

扬声器4、设计用主要器件：电子混响延时模块一片、集成功放LM386（或LA4102）一片、四运放LM324一块（或741三块）、LA4102、高阻话筒20K一个、扬声器（8欧/4W）一个、电阻电容若干。5、参考书：调试总结《电子线路设计、实验、测试》第3章.设计方案选择3.1方案的选择采用直接给定的音频信号外加音响放大器采用直接所定的音频信号，是由MP3现代音频信号设备，直接给音响放大器。此电路简单，其优点是：在音频信号具有直接给定的音频频率，在频率方面没有失真效果，而且具有混响器的效果。话音放大器 电子混响器磁带防音机 混合前值放大 音调控制器 功率放大器器图3.1.2直接给定的音频信号外加音响放大器第4章.设计原理说明本设计由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器五部分组成。其工作原理如下：当语音信号由话筒输出后， 进入语音放大器放大并传入电子混响器产生混响效果。 混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调控制器， 然后进入功率放大器进行功率放大后， 由扬声器输出声音。接下来我们详细的分析各级的结构原理。4.1语音放大器的介绍说明由于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)，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。如图4.1.1A

vF=1+Rf/R2（4.1.1）Ri=R1 (R1一般取几十千欧)耦合电容

C1、C3可根据交流放大器的下限频率

fL来确定，一般取C1=C3=(3～10）1/2RLfL（4.1.2）反馈支路的隔直电容 C2一般取几微法。图4.1.1语音放大器原理图4.2电子混响器及混响前置放大器的组成原理及功能电子混响器（如图 4.2.1）的作用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。在“卡拉 OK"伴唱机中，都带有电子混响器。电子混响器的组成框图中 3.2BBD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储器。二阶低通BBD延时二阶低通滤波器Ⅰ滤波器Ⅰ器时钟脉冲产生器缓冲器如图4.2.1电子混响器．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进行混合放大。其电路如图所示 4.2.2，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：V0=－（RV/R+RV/R）（4.2.1）F11F22上式中，U1为话筒放大器输电压 ，U2为录音机输出电压R1 RFV1R2V2 -V0+图4.2.2混合前置放大器4.3音调控制器音调控制器主要是控制、调节放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图4.3.1 所示，图中，f0(等于1kHz)表示中音频率，要求 Av0=0dB;f L1 表示低音频转折（或截止）频率，一般为几十赫兹；fL2（等于10fL1）表示低音频区的中音频转折频率;fH1表示高音频区的中音频转折频率；f（等于10fH1）表示高H2音频转折率，一般为几十千赫兹。图4.3.1音调控制器理想的控制曲线由图可见，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0dB不变，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。由运算放大器构成的音调控制器， 如图4.3.2所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录音响放大器中应用较多。下面分析该电路的 ：设电容C1=C2>>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f<f0时，音调控制器的低频等效电路如图 4.3.3 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：V0RP1RP2×1(j)/2（4.3.1）A（j）==-ViR11(j)/1f式中，1=1/（RP1C2）或fl1=1/(2RP1C2)，2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或l2=(R+R)/(2RP1RC)1222(2).当f<fl1时，C可以视为开路，运算放大器的反向输入端为虚地，R的影响24可以忽略，此时电压增益为：（4.3.2）AVL=（RP+R）/R12图4.3.2音调控制电路图图4.3.3低频等效电路（ a）低频提升(3).在f=fll时，因为fl2=10fl1故可由式（4.3.1）得Av1=-RP1R210.1j模Av1=（RP1+R2）/2R1R11j此时电压增益Av1相对下降3dB。在f=fl2时，由式（4.3.1）得：Av2=-RP1R21j。模Av2=-RP1R22=0.14AvlR1110jR110此时电压增益相对 Avl下降17dB。同理可以得出图（b）所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器低频时的幅频特性曲线如图 4.3.1中左半部分的实线所示。图4.3.3音调控制器的低频等效电路（b）低频衰减当f>f0时，音调控制器的高频等效电路如图4.3.4所示。图4.3.4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 4.3.5所示，其电阻的关系为：Ra=R1+R4+(R1R4/R2)Rb=R4+R2+（R4R2/R）（4.3.3）Rc=R1+R2+（R2R1/R4）若取R1=R2=R4，则式（4.3.3）为：Ra=Rb=Rc=3R=3R=3R124图取的高频等效电路如图 4.3.6 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4.3.5电路等效如图4.3.6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V0Rb1(j)/A（jw）=Ra1(j)/Vi

34

4.3.4）式中w=1/[(Ra+R3)C3]或fH1=1/[2Л（Ra+R3）C3]w4=1/(R3.C3) 或fH2=1/(2ЛR3C3)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 H1时，C3视为开路，此时电压增益 Av0=1(0dB)。在f=fH1时，A=2Av3vo此时电压增益相对于AV3相对于A提升了3dB。在f=fH2时V0A=10/2AV4V0此时电压增益AV4相对于AV0提升17dB(3).当f>f H2时，C3 视为短路，此时电压增益A VH=（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 4.3.1 中右半部分实线所示。实际应用中，通过先提出对低频区fLX（或fL1）和fL2(或(fH2)即fl2=flx.2x/6fH1=fhx/2x/64.4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。4.4.1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 4.4.1所示，其中，运放为驱动级，晶体管 T1～T4级成复合式晶体管互补对称电路图4.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器4.4.2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：I=(2Vcc-2V)/(R+R+RP)（4.4.1）0D452(4.4.1) 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、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1K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0.1 F。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RP电位器可改变功1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=1mA～3mA，以使T2、T4工作电甲乙类状态。修改封装与布局，这是自动布线的前提；ProtelDXP自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。基于形状的对角线自动布线技术；自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；存盘并打印；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）（ 6.1.1 ）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（6.1.2）根据图6.1.1 的增益分配，混合级的输出电压 V02≥37.5mV，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=100kΩ，R22=R21=39kΩ。话放级与混合级仿真图如5.1.1，仿真波形如图5.1.2。图5.1.1话放级与混合级仿真6.1.2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 6.2.1 所示。运算放大器选用单电源供电的四运放LM324，其中最

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f＜fL1时C32可视开路则AvL（RP31R32）/R31≥20dB=+R31、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，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧～几百千欧。现取RP31Ω，R31R32Ω=470k==47k则AvL=（RP31R32）/R31RP31R31=11（20.8dB）+=1+/根据式fL1=1/2πRP31C32得；取标称值0.01μF，即C31C32μ。=0.01F根据：RaRbRcR1R2===3=3=32345所以对等效电路R34R31R32Ω，RaR34Ω===47k=3=141k因为AvH（RaR33）/R33≥20dB=+所以R33Ra/10=14.1kΩ取标称值13K=因为所以取标称值510pF取RP32RP31Ω，RP33Ω，级间耦合与隔直电容C34C35μ==470k=10k==10FR3147KRP31470KR3247KC31C320.01uF0.01uFR34+9V47K10KC249C358C3310LM124C10uF10uF0.01uF10KRP33C41R3310K47K4.7uFRP3 2470K图5.2.1音调控制电路音调控制器的电路仿真TitlSizBDatFile2 3 4 55.2.2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1

2

3由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图6.3.1放为驱动级。晶体管T1～T4组成复合式晶体管互补对称电路。

所示。其中，运VCCR10+12VR4RP110011K47KT13DG100R3RP2T21K10K3DD01R62403D1R22CP10R8A1K5R111C14uA7412Vi100D210uF22CP10C210uF1R1T3R1247K3CG2130T4RL8R53DD01C311K0.1uFR7R92401-VEE-12V图5.3.1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=47KΩR2=1KΩR3=10KΩR4=11KΩR5=11KΩ R6=240KΩR7=240KΩR8=R9=1KΩR10=100KΩR11=100KΩ R12=10KΩC1=10μFC2=10μFC3=0.1μFRL=8KΩ功放在交流信号输入时的工作工程如下：当音频信号V为正半周时，运放的输i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I,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LIL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（BalancedTransformerless）功率放大器的电路如图6.3.2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AVI≈R11/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R/（R+R）（-40dB），这样两个功率放大器的输入信号大小F21F2相等，方向相同。如果使LA4100（2）的电压增益AV2=（R2//R11）/RF2≈AV1，则两423个功放的输出电压V与V大小相等，方向相反，因而R两端的电压V=2V。输O1O2LLO122/RL