语音放大器-课程设计.doc

电子技术课程设计报告语音放大器 西北农林科技大学机电学院电子技术基础课程设计报告语音放大器电路设计姓 名 专业年级 指导教师 完成时间 成 绩_目录目录- 1 -1 设计题目及要求- 2 -1.1题目- 2 -1.2要求- 2 -2 设计方案- 2 -3 芯片功能及参数介绍- 3 -3.1LM324N引脚及功能介绍- 3 -3.11 LM324N引脚介绍- 3 -3.12 LM324N功能介绍- 4 -3.13 LM324N主要参数- 4 -3.2LM1875T引脚及功能介绍- 4 -3.21 LM1875T引脚介绍- 4 -3.22 LM1875T功能介绍- 5 -3.23 LM1875T参数介绍- 5 -4 设计原理与电路- 5 -4.1设计思想及原理分析- 5 -4.2 前置放大器- 6 -4.3有源带通滤波器- 6 -4.4功率放大电路- 7 -4.5整体组装电路- 8 -5 各级放大器、联合组装与仿真- 9 -5.1前置放大级- 10 -5.2带通滤波级- 10 -5.3功率放大级- 13 -5.4联合组装- 13 -6.1测量值与要求值进行比较- 14 -7 设计总结- 14 -8 附录- 15 -8.1 Protel原理图- 16 -8.2 PCB板彩印图- 17 -8.3 3D彩印图- 18 -8.4 元器件清单- 19 -9 参考文献- 20 -1 设计题目及要求1.1题目 语音放大器电路设计1.2要求 掌握集成运算放大器的工作原理及其应用，熟悉低频小信号放大电路和功放电路的设计方法，电路组成一般包括：前置放大器、有源带通滤波器、功率、扬声器等，性能指标要求：（1）前置放大器输入信号：10mV（2）共模抑制比：60dB（3）带通频率范围：300Hz3kHz（4）最大不失真输出功率：5W（5）输出功率连续可，做好电路各个模块之间的联合调试（6）应用仿真软件进行仿真分析2 设计方案 本次实验主要通过对语音放大器的设计，来了解语音放大器的组成，掌握语音放大器的设计方法，学会综合运用所学的知识对实际问题进行分析和解决。 甲类功放的主要优点就是电路简单易行，非线性失真小，适用于小功率的线性语音放大器，现在甲类功放主要用在高档功放产品中。而乙类功放与甲类功放最主要的不同点就是静态电流小，因此无信号时消耗功率小，可获得较高的效率；但是，乙类功放在工作时，由于两只晶体管交替导通与截止，因而，在两管输出信号波形的衔接处，会产生交越失真；而且功放管在从反偏到零偏再转为正偏转换时，随着信号频率升高，输出信号就会在时间上延迟，出现所谓的开关转换失真。因此，在实际Hi-Fi高保真放音系统中，一般不采用乙类功放，而采用线性失真小的甲类功放或甲乙类功放。甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。而且甲乙类功放的效率可达到78.5%，故本次设计采用甲乙类功放。 通过对设计要求和设计方案的分析，本课题采用LM1875作为功率放大器。 语音放大器的基本组成及原理框图如图2.1所示。功率放大器带通滤波器前置放大器输入信号扬声器 图2.1 语音放大器原理框图 从上图可以看出，语音放大器电路主要由前置放大器、带通滤波器和功率放大器等电路组成。3 芯片功能及参数介绍3.1LM324N引脚及功能介绍3.11 LM324N引脚介绍 图3.1 LM324N引脚及实物图3.12 LM324N功能介绍 LM324N为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源330V,正负双电源1.5v15v工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为0Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的额运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独，每一组运放可用如图2所示的符合来表示。 由于LM324N四运放电路电压发威宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用到各种电路中。3.13 LM324N主要参数电压增益 100dB电压增益宽度 1MHz电源工作范围 3V30VDC每个运放功耗 1mv/op.Amp输入失调电压 2mv输入偏置电流 50nA150nA输入失调电流 5nA50nA共模抑制比 70dB90dB输出电压幅度 01.5VDC输出电流 40mA放大器间隔离度 -120dB3.2LM1875T引脚及功能介绍3.21 LM1875T引脚介绍 图3.2 LM1875T引脚3.22 LM1875T功能介绍LM1875是美国国家半导体器件公司生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。如图3.2所示，LM1875在25V电源电压RL=4时可获得20W的输出功率，在30V电源8负载获得30W的功率，内置有多种保护电路。广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。 3.23 LM1875T参数介绍(1)LM1875主要参数： 电压范围： 1660V 静态电流： 50mA 输出功率： 25W 谐波失真： 0.02% 额定增益： 26dB，当f=1kHz时 工作电压： 25V 转换速率： 18V/S (2)LM1875极限参数： 电源电压(Vs) 60 V 输入电压(Vin) -VEE-VCC V 工作结温(Tj) +150 存储结温(Tstg) -65+150 。4 设计原理与电路4.1设计思想及原理分析 输入端通过音频线输入音频信号以后，输入前置放大器，进行一次放大以后，输入二阶有源带通滤波器，对同频带（300Hz3000Hz）以外的信号进行滤波，以消除杂音，最后经过放大和滤波的信号输入功率放大器，进行功率放大后经扬声器将声音播出。4.2 前置放大器在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输。典型情况下，音频信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，共模噪声可能高达几伏。所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度致关重要，放大器本身的共模抑制比特性也相当重要。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗，高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。 前置放大器应用两个LM324N运放形成同相和反相放大器级联，放大倍数为两级放大倍数的乘积，由电阻R3,R2,R5,R6的比值确定。放大倍数： 图4.1 前置放大器电路4.3有源带通滤波器有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。按通带的性能可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。用低通滤波器和高通滤波器串接起来也可以组成带通滤波器。 本课题采用具有Butterworth特性的典型二阶有源滤波器，在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件的压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来，可以实现Butterworth通带响应。用该方法构成的滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，多用于测量信号噪声比的音频带通滤波器，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号。运放选用LM324N，频率范围由C1,C2,R2,R3,C3,C4,R4,R6来确定。与LPF有关的量：其中，R=R3=R4=6.8K与HPF有关的量：其中，C=C3=C4=10nf 图4.2 有源带通滤波器电路4.4功率放大电路功率放大的主要作用是向负荷提供功率，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。 功率放大器的形式很多,有OCL互补对称功率放大电路，OTL功率放大电路，BTL桥式推挽功率放大电路和变压器耦合功率放大电路等。这些电路各有优点，可以根据设计要求和设备条件综合考虑选用。放大电路主要采用LM1875，电路的放大倍数由滑动变阻器R7与R3的比值决定，滑动变阻器R7能够实现不失真放大功率连续可调，C3用于稳定LM1875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响。放大倍数: 图4.3 功率放大器电路 4.5整体组装电路 图4.4 整体组装电路5 各级放大器、联合组装与仿真语音放大器的仿真软件采用Multisim10.1,仿真时先分级调试，然后整机调试与性能指标测试。5.1前置放大级图5.1 前置放大器仿真结果输入峰值：14.134mv输出峰值：442.413mv增益：315.2带通滤波级图5.2 带通滤波电路仿真结果输入峰值：441.635mv输出峰值：392.416mv增益：0.89图5.3 带通滤波电路交流小信号分析 从上图可看出，带通滤波电路允许通过的频率为311Hz3.02KHz.在误差允许的范围内，与题设要求相否。5.3功率放大级图5.4 功率放大器仿真结果输入峰值：391.84mv最大输出峰值：10.627v增益：275.4联合组装 图5.5 联合调试仿真结果输入峰值：14.120mv输出峰值：10.444v最大不失真输出功率：6 语音放大器的性能测试 6.1测量值与要求值进行比较输入电压：共模抑制比：80dB60dB带通频率范围：最大不失真输出功率： 通过一上数据的比较，次设计基本满足要求。7 设计总结电子技术课程设计报告是对我们之前学过的理论进行考察和检验，尤其是模电、数电、电路等课程，同时也能提高我们遇到问题分析问题、解决问题的能力。选择语音放大器是想挑战一下自己，给自己一个考验，初次看到实习要时，感觉这个不难做，知道用运放来实现整个系统的功能，于是就开始调研，确定语音放大器的各个模块前置放大器、二阶有源带通滤波器、功率放大器。进过不断的分析和计算，最终确定各模块的电路，并进行仿真，由于计算误差等原因，还要在之前计算的基础上再进行相应的调整，在整个完成的过程中，遇到问题是在所难免的，这就要求要有积极思考的能力，分析问题、解决问题的能力，在不懈的努力下，所有的问题都迎刃而解，感觉蛮有成就感的。再对有源带通滤波电路进行仿真测试时不知道如何来测试到底能不能实现功能，于是上网查询有效方法，方法很多，但是最有效的应该是交流小信号分析法，这方法是multisim自带的一个小工具，能够设定频率段，能够自动测试出不同频率下放大器的输出，也就能反映出滤波情况，分析结果见图5.3。由于对Altium designer略懂皮毛，画PCB板对我来说几乎不存在问题，在给同学指导过程中，对各种问题进行解决，使得自己的能力有了进一步提高。图8.1、8.2、8.3、8.4、8.5给出了PCB原理图、PCB板正反面、3D图以及元器件模拟立体图。本语音放大器的可应用于很多场合，方便人们的日常生活，比如：在点电话的过程中，由于声音太小或杂音太大，往往听不清楚对方的声音，应用此放大器可有效解决以上问题。此语音放大器的优点在于前置放大器与有源带通滤波电路都使用LM324N运放，此运放为四运放放大器，也就是一个放大器集成四个运放，能同时实现前两个模块的功能，减少了元器件的数量，在实际应用中能降低成本，在设计过程中能简化设计过程；缺点在于时间硬件有限没能做出实物来。通过两周的实习，学到了很多东西，自己的各方面能力也有了很大的提高，但是提高的同时也暴露出很多问题，感觉自己的知识量还远远不够，需要不断的积累，同时也发现以前学的好多东西都忘记了，需要重新看课本才能回忆起来，这就要求我们要“学而时习之”，不断提高、完善自己。总之，此次实习收获很大，在此感谢王老师的指导与支持，由于特殊原因给他造成诸多不便，以求谅解。8 附录电路设计完成之后，画PCB板用的软件是Altium designer6.9（protel的升级版），完成了整个电路板的设计，并进行了3D模拟。在生成PCB，进行布线时，有自动和手动两种方法，自动布线，快速，简单但是毕竟没有人脑灵活，布线不尽人意，往往好多电路要手动重新不线，有时候反而不如用手动布线，所以，我选择了用手动布线，这样布线能够做到布线均匀，合理，能够实现满意的布线结果。布线过程中，电源线一般要比较粗，我选择的电源线宽是50mil，其他信号线选择的是30mil，相对来说，布线越粗，系统的稳定性就越好。线间距选择的是30mil，原则上来说，线间距越大，