模拟电子线路课程设计音响电路.doc

扩音机电路目录第一章概述- 5 -第二章扩音机电路的详细设计- 6 -第三章扩音机电路的电路实现和实测- 13 -第四章 存在故障与问题分析- 16 -第五章 总结与结论- 18 -参考文献- 19 -附录- 20 -第一章 概述1.1 课程设计的题目音响电路（扩音机电路）1.2 课程设计的课题概述随着电子技术的飞速发展，话筒扩声电路应用越来越广泛，它的种类也越来越繁多。功放集成电路是一种大规模的集成电路。使用功放集成电路，通过简单的外接电路即可获得语音或是各种模拟的声响。经过功率晶体管把放大的信号.通过扬声器放出声音。其工作原理是把电气讯号转换为声音讯号的转换器。扬声器为电子产品之声音输出端的重要零组件，其应用范围广泛，可装置於各型耳机或头机内，如随身听、音响、无线电通讯、多媒体电脑、录音工程或电子字典，用来收听声音与音乐，也可装置於电话自动拨话器，用来打电话。功放集成电路价格便宜，电路结构简单，工作稳定可靠，耗电省，所以在简单的电子产品中广泛应用。功率放大器俗称“扩音机”，它的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音响放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。功放的作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。1.3 课程设计的设计指标1） 包含前置放大器、功率放大器和直流电源三部分；2） 直流电源为前置放大器、功率放大器提供必要的直流电压；3） 最大不失真输出功率P05W；4） 负载阻抗为：RL=8；5） 效率优于50%；6） 频响特性：20Hz30KHz；7） 输入灵敏度：150mV。第二章 简易音频功放的详细设计22.1 扩音机电路的基本组成和设计思路2.1.1方案一：电子管功放电路采用SRPP电路和阴极输出器的级联，两者之间直接耦合成的电子管前级电路。其功放集成电路内部结构方框图大致如图2-1所示：阴极输出级SRPP电路电子管前级电路信号ui声音信号uo图2-1电子管功放电路原理框图电子管的工作电压比晶体管高得多，前者为数百伏，后者仅需几伏。显然两者不能直接替换。第二，电子管依靠阴极受热后发射电子，屏极（阳极）加有高正电压，可以收集这些电子。如果屏极相对阴极加负电压则屏极排斥电子，没有电流产生，这就是电子管二极管的整流原理。所以，电子管要工作需要加热，这一般通过给靠近阴极的灯丝通电来实现，否则电子管不能工作。这也是电子管发热大的原因。第三，三极管工作原理是在阴极和屏极间用细金属丝网加了一个栅极，屏极加正高压时，栅极上加一个很小的负电压就能够减小屏极电流，达到控制屏极电流的目的。所以于NPN型晶体管放大电路需要在基极加正向偏置不同，电子管正常工作时栅极和阴极之间的电压是负电压（负栅压）。在这个电子管前置电路中阴极电流会产生几伏的压降。由于栅极通过电阻接地，栅极就自然产生了相对于阴极的负栅压。这种偏置方法还有自动稳定的作用。例如某外界原因导致阴极电流（就是屏极电流，栅极电流为零）变大，则栅压自动变负，阴极电流又自动变小。但是高档的电子管放大器不是这样偏置的，因为这样偏置不精确。它的特点是特高频相应好,当晶体管确定时，分布电容就定了，那么要提高上限频率，只能增大负载电阻。选用普通电阻自然不能增大太多，否则电路工作点就不对了。2.1.2 方案二：扩声电路采用运算集成电路和音频功率放大集成电路设计一个对话筒输出信号具有放大能力的扩声电路。其电路方框图如图2-2所示：图2-2扩声电路原理框图前置放大主要完成对小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带要宽，噪声要小；音量控制主要实现对输入信号高、低音的提升和衰减。2.1.3 方案选择扩声电路和方案一比起来,它不需要加热，不需要加那么高的电压，它具有安全的特性。方案二制作简单音乐集成电路价格便宜，电路结构简单，满足工作稳定可靠，耗电省的要求。由于以我们目前的能力未能对音调电控制路做出调试，所以我们省去了音调电路部分，由此，确定该设计采用方案二（省去音调电路部分）实现。其电路方框图如图2-3所示：交流220V直流电源 图2-3扩声电路原理框图（省去音调控制电路部分）2.2 扩音机电路的电路设计2.2.1 直流电源电路功率放大器的设计要求是最大输出功率。由公式可得：可得。考虑到输出功率管Q1与Q2的饱和压降和发射极R21与R22的压降，电源电压常取VCC=（1.21.5）UOm。将已知参数带入上式，电源电压选取12V。所以直流电源电路要求输出12V。直流电源电路原理图如图2-4：图2-4 直流电源电路原理图1、直流电源电路的参数设置(1)为了得到更加精确电压输出，我们采用可调电源的做法，所以稳压器首选芯片LM337T和LM317T;(2)滤波电容选择：经过整流滤波之后，输出直流电压vi2与变压器降压后的输入电压vi1的关系约为vi2=(1.11.2)vi1,所以滤波电容C可以用下式来估算：C=Ict/Pip-p, Ic为电容的放电电流，t为电容的放电时间，t=T/2=0.01s;Pip-p为稳压器输入端波电压峰峰值,实验要求一般不大于5mv, 经过计算，可选择2200uf的电容(3)电位器大小选择：通过电位器的变化来改变输出电压的大小，R与RP组成电压输出调节电路，且输出电压Vo= 1.25（1+RP/R）；(4)输出电压调整：Uo=Uo+Urp=(R+RP)Io=(R+RP)Uo/R=(1+RP/R)Uo, 若选取最小电压输出为1.25V，R通常取200欧，同时为了达到实验需要，输出电压要求有12V输出，当输出为12V时，则RP=(Uo/Uo-1)*R=(12/1.25-1)*200=1720欧, 所以电位器选择2K比较合适。2.2.2 前置放大器由于话筒提供发信号非常弱，故一般在音调控制器前面要加一个前置放大器。该前置放大器的下限频率要小于音频控制器的低音转折频率，上限频率要大于音频控制器的高音转折频率。考虑到所设计电路对频率响应及零输入（及输入短路）时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器TL081。在这里，因为我们已省去了音调控制电路部分，所以我们并没有把前置放大器部分独立做出来，而是把它并在了功率放大器电路当中，同样起到了前置放大的作用。其原理图如图2-5：图2-5 前置放大器电路原理图该电路的具体参数计算放在功率放大器电路设计的部分。2.2.3 功率放大器功率输出级电路结构有许多种，选择由分立元器件组成的功率放大器或单片集成功率放大器均可。为了巩固在电子线路课程中所学的理论知识，这里选用集成运算放大器组成的典型OCT功率放大器，其电路如图3-11所示，其中由运算放大器组成输入电压放大驱动级，由晶体管VT1，VT3，Q1，Q2组成的复合管为功率输出级。三级管VT1与Q1都为NPN管，仍组成NPN型的复合管。VT3与Q2为不同类型的晶体管，所组成的复合管导电极性由第1只脚决定，为PNP型复合管。功率放大电路原理图如图2-6：图2-6 功率放大电路原理图1、确定电源电压功率放大器的设计要求是最大输出功率。由公式可得：可得。考虑到输出功率管Q1与Q2的饱和压降和发射极R21与R22的压降，电源电压常取VCC=（1.21.5）UOm。将已知参数带入上式，电源电压选取12V。2、功率放大器的参数设置（1）输出晶体管的选择。输出功率管Q1与Q2选择同类型的NPN型大功率管。其承受的最大反向电压为UCEmax=2VCC。每只晶体管的最大集电极电流为ICmaxVCC/RL=1.5A，每只晶体管的最大集电极功耗为：PCmax=0.2POmax=1.6W。所以 ，在选择功率三极管时，除应使两管的值尽量对称外，其极限参数还应满足系列关系：VBRCEO2VCC，ICMICmax，PCMPCmax，PCMPCmax。根据上式关系，选择功率三极管为TIP122。（2）复合管的选择。VT1与VT3分别与Q1与Q2组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC，考虑到R18与R20的分流作用和晶体管的损失，晶体管VT1与VT3的集电极功耗：PCmax=（1.1-1.5）PC2max/2而实际选择VT1，VT3参数要大于最大值。另外为了复合出互补类型的三极管，一定要使VT1，VT3互补,其要求尽VT3称性好。可选用VT1为9013，VT3选用9015。（3）电阻R17R12的估算。R18与R20用来减小复合管的穿透电流，其值过小会影响复合管的稳定性，太大又会影响输出功率，一般取R18=R20=（510）Ri2。Ri2为VT2管的输入端等效电阻，其大小可用公式Ri2=rbe+（1+2）R21来计算，大功率管的rbe约为10，为20倍。输出功率管的发射极电阻R21与R22起到电流的负反馈作用，使电路的工作更加稳定，从而减少非线性失真。一般取R21=R22=（0.050.1）RL。由于VT1与VT3管的类型不同，接法也不一样，因此两只管子的输入阻抗不一样，这样加到VT1与VT3管基极输入端的信号将不对称。为此，增加R17与R19作为平衡电阻，使两只管子的输入阻抗相等。一般选择R17=R19=R18Ri2。根据以上条件，选择电路元器件值为：R21=R22=1，R18=R20=270，R17=R19=30。（4）确定静态偏置电路为了克服交越失真，由R15，R16，RP3和二节管VD1，VD2共同组成两对复合管的偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态。R15与R16的阻值要根据输出级输出信号的幅度和前级运算放大器的最大允许输出电流来考虑。静态时功率放大器的输出端对地的电位为0（VT1与VT3应处于微导通状态），即U0=0V。运算放大器的输出电位UO30V。若取电流IO=1mA，RRP3=0（RP3用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，可采用1k左右的精密电位器，其初始值应调在零阻值，当调整输出级静态工作电流或者输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值）。则所以R15=11.3K,取R15=11K。为了保证对称,电阻R16=11K。取RRP3=1K。电路中的VD1与VD2选为1N4148。（5）反馈电阻R13与R14的确定在这里放大器选用TL081，功率放大器的电压增益可表示为：取R14=1K,则R13+RRP4=19K。为了使功率放大器增益可调，取R13=15K，RRP4=4.7K。电阻R12是运算放大器的偏置电阻，电容C9是输入耦合电容，其大小决定了扩声电路的下限频率。取R12=100K，C9=100uF。并联在扬声器的R23与C11消振网络，可以改善扬声器的高频响应。这里取R23=27，C11=0.1uF。一般取C10=4.7uF。2.2.4 总体电路将直流电源电路和功率放大器电路连接起来。总体电路的原理图如图2-7所示：图2-7 总体电路图的原理图第三章 扩音机电路的电路实现和调试33.1 扩音机电路的实际完成的电路直流电源电路的实际完成的电路如图3-1：图3-1 直流电源电路的实际完成的电路功率放大器电路的实际完成的电路如图3-2：图3-2 功率放大器电路的实际完成的电路总体电路的实际完成的电路如图3-3所示：图3-3 总体电路的实际完成的电路3.2 扩音机电路的总体功能由直流电源电路输出12V电压共功率放大器使用。在功率放大器电路的信号输入端接入正弦信号或者在音频接口接入音频信号，功放电路能把这些信号进行放大，从而驱动接在电路输出端的扬声器发出声音。3.3 直流电源电路的调试与测试把直流电源电路连上稳压器，即输入直流电压，用万用表测量输入端J1的1、3脚电压，看是否输入正常，然后用万用表测量J2的1、2脚，调节可调电阻R3，使J2的1、2脚输出为+12V，再测量J2的5、6脚，调节可调电阻R4，使J2的5、6脚输出为-12V。最后分别测量J2的1、2脚和5、6脚，看它们是否分别同时输出是+12V和-12V。3.4 功率放大器的最大不失真输出功率的调试与测试静态调试：首先将输入电容C9输入端对地短路，然后接通电源，用万用表测试U0，调节电位器RP3，使输出电位近似为零。动态调试：在输入端接入400mV，1000Hz的正弦信号，用示波器观察输出波形的失真情况，调整电位器RP3使输出波形交越失真最小。调节电位器RP4使输出电压的峰值不小于11V，以满足输出功率的要求。3.5 功率放大器的频率响应的调试与测试将信号发生器接到功率放大器的信号输入端，接上电源，喇叭发出蜂鸣声。将信号发生器的频率逐渐减小，直至喇叭无声，记为此时的频率为f1；然后再把信号发生器的频率逐渐增加，喇叭恢复蜂鸣声后，直至喇叭再次无声，记此时的频率为f2。功率放大器的频率响应范围为f1f2。3.6 调试结果3.6.1 直流电源电路的调试结果负电压最小只能达到-13V，正电压可以调到+12V，接近我们理想要的正负12V电压输出。3.6.2 功率放大器电路的调试结果1、静态调试：当输入电容C9对地短路时，接入电源，调节RP3，测得输出电压最小的幅度为0.008V, 接近理想的理论值0V；2、动态调试：1）当接入信号发生器的信号时，调节频率约在200Hz17KHz之间，喇叭有蜂鸣声发出，在其它频率范围，喇叭均无声；2）当用音频线把MP3与功放块连接起来，输入音频信号时，MP3播放音乐，喇叭播放相应的音乐，并且音质较好，声音清晰。3.7 所实现功能的评价由直流电源电路的调试结果显示，我们的离标准的12V的输出要求还有一些差距，我们的只能调节到输出约为-13V和+12V，两端输出电压的绝对值相差了近1V，所以对电路的可调功能还有待完善。我们的功率放大器能对信号发生器的信号和音频信号进行放大，且放大作用较好，放大倍数达到了28（Vi=0.5V，Vo=14V，则Ao=Vo/Vi=28）；功率放大器的输出幅度也是可调的，从而可以改变放大倍数；当接入音频信号时，喇叭放出的音质较好，且声音清晰，说明信号的失真不大，达到了较好的信号放大效果。为了使信号的失真程度不大，我们的电路还设计了对失真程度可调，但调节现象并不明显，所以对这个功能的设计我们还要进一步的改进。第四章 存在故障分析与进一步改进12344.1 存在故障分析4.1.1 直流电源电路发生的故障分析及排除故障故障：在进行直流电源电路的调试的过程中，一接上电源，负电压调节芯片LM337T比正电压调节芯片LM317T发热更快更大，且不久后闻到烧焦的味道，与LM337T相连的200欧电阻R2被烧坏。且调节R3和R4，电源不能输出预期的正负12V电压。故障分析及排除：200欧的R2在通电后不就就被烧坏，说明其阻值不够大，不能承受流过其的过大电流。将200欧的R2换为同型号的500欧的电阻。仔细检查电路原理图和电路焊接后，发现变压器的中间抽头未接地，还有电位器R3虚焊。将变压器的中间抽头正确接地和R3重新焊接好后，接上电源，电路工作正常，并能调节输出-13V和+12V电压，接近预期的输出电压。4.1.2 功率放大器电路发生的故障分析及排除故障故障：接上正负12V的电源，并接入信号发生器的正弦信号后，喇叭无声，且输出波形失真较大，调节RP3和RP4后，输出波形并没有变化，喇叭也依然无声。故障分析及排除：经过多次调试和检查电路，最后发现电路原理图中的R13和R14的接法错误，把R13和R14分别接在了TL081芯片的2、3脚，而正确接法应是R13和R14同接在TL081的2脚上。为了减少信号输出时的杂音，我们在TL081的2脚和3脚上分别接入了一个10uF的电解电容，起到了减小TL081芯片的自激振荡。修改电路后，电路运行正常，喇叭发出蜂鸣声，输出波形接近正弦波，且输出幅度可调。4.2 进一步改进的可能和方法由于我们的扩音机电路中并未设有独立的前置放大器部分，当在输入音频信号时，对歌曲的低音部分失真较大，所以我们可以在功率放大器前加入一个独立的前置放大器来提高频带宽度，使电路更完善。考虑到所设计电路对频率响应及零输入（及输入短路）时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353。它是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声集成器件。其输入阻抗高为104M，输入偏置电流仅有5010-12A，单位增益频率为4MHZ，转换速率为13V/us，用做音频前置放大器十分理想，其外引线图如图4-1所示图4-1LF353外引线图前置放大电路由LF353组成的两极放大电路完成，如图4-2所示。第一级放大电路的Au1=10，即1+R3/R2=10，取R2=10K，R3=100K。取Au2=10（考虑增益余量），同样R5=10K，R6=100。电阻R1、R2为放大电路偏置电阻，取R1=R4=100K。耦合电容C1与C2取10uF，C4与C11取100uF，以保证扩声电路的低频响应。图4-2前置放大器其他元器件的参数选择为：C3=100pF，R7=22K。电路电源为12V。加入了独立的前置放大器后，对更小信号响应就更好了。参考文献1杨素行, 模拟电子技术基础简明教程(第三版), 高等教育出版社, 2006. 2 陈晓文电子线路课程设计, 电子工业出版