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毕业设计论文

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电气电子毕业设计206湖南工学院音响放大器的设计,毕业设计论文

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湖 南 工 学 院 （筹） 课程设计任务书 课 程： 模拟电子技术 课程设计题目： 音响放大器的设计 适 用 班 级： 电信 0504班 时 间 ： 20062007学年第一学期 指 导 教 师： 曹才 开 nts前 言 新旧世纪的的交替 ,不是一个简单的更迭 ,而是事物不断发展 ,循序渐进的过程。新世纪带来的是新的起点，新的追求，新的开拓。近几年来 ,计算机技术进入了前所未有的快速发展时期 ,随着电子信息技术的发展关于音响放大器在电子技术基础中所出的位置越来越来重要，它不仅是电子信息类专业的一个重要部分，而且在其它类专业工程中也是不可缺少的。放大器电路作为子系统的应用，发展更是迅速， 已 成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其现实生活中的运用也是非常普遍和广泛。 在音响放大器的 设计 过程中，控制其电路的 核心部分 是几个放 大器的设计，其中主要包括：话音放大器，混合前置放大器，音调控制器，功率放大器等。电子技术的发展 促使 话音放大器被广泛的应用到一系列放音设备中，混合前置放大器 也成为 数字电子电路 设计和制作过程中不可缺少的 部分，例如在信号放大器的设计和无线电遥控电路的设计过程中 该部件 都是不可缺少的 ，功率放大器更是设计电子电路的核心 。功率放大器的运用使电子产品的成本大大减少，并且设计简单，易于操作，可靠性好的优点。 对音响放大器 设计 的 目的是为了更好的掌握集成功率放大器 内部电路工作原理，学会其外围电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌握音响放大器的设计与电子线路系统的装试和调试技术。本次设计分为四的主要步骤：一 ：构思和设计话音放大器，混合前置放大器，音调控制级和功率放大级。二：根据设计要求和选择的电路通过计算选择元器件和参数，并准确无误的设计好要设计的电路原理图。三：在万能板或在面包板上根据设计电路原理进行元器件的电路安装和精细的调试。四：在安装好的电路板上进行输出功率的测试。 在此 次课程设计的编写过程中得到了曹老师的大力支持和指导。以及参考了 多种 电子设计资料如 电子线 路设计实验测试 （第二版） ，模电课程设计与实验指导等。在编写此次课程设计的过程中由于时间的仓促和本人的水平有限，在设计和制作的过程中难免出现缺点和不足之处，还敬请各位老师的批评和指正。 nts湖 南 工 学 院 （筹） 模拟电子技术课程设计说明书 课题名称： 音响放大器的设计 系 部： 电气与信息工程系 专 业： 电子信息技术 班 级： 0504班 设 计 人： 唐光辉 学 号： 402050435 指导老师： 曹才开 时 间： 2006年月 12月 nts nts 1 1 话音放大器 的设计 1.1 话音放大器电路 由于人发出的声音频率在 340Hz 3400Hz 之间，声波在传播中会产生反射、折射、绕射和干涉等现象，达到花筒的信号比人刚刚成声带中发出来的声音要小，同时话筒是一种换能器，它将声能转化为电能，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），则要对话音进行放大。由于声音在空气中传播就会产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在话音放大器中设计一个低通滤波器。话音放大器的作 用是不失真地放大信号（最高频率可以达到 10KHz）。话筒的频率特性、性噪比和灵敏度直接影响着重现声音的音质。同时要求输入阻抗远大于话筒的输出阻抗。 因此确定 话音放大器电路如图 1.1 1.2 话音放大器电路仿真图 话音放大器电路仿真图如图 1.2 nts 2 2混合前置放大器的设计 2 1 混合 前置放大器的主要功能 任何功率放大器总是要将节目源输入的信号进行放大，然后输出给扬声器。节目源的种类有多种多样，如：传声器、收音头、电唱机、录音机（放音磁头）、线路传输以及新近出现的 CD 唱机等。这类节目源设备的输 出信号电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏，甚至 1 2 伏。而功率放大器的输入灵敏度是一定的，如果我们在前面设计的例子中为 50mV。这些节目源信号如果从同一输入接口输入放大器，或者由于输入电平过低，使功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；或者由于输入电平过高，使放大器的输出信号产生严重过载失真，失去高保真放大的意义。因此，必须设置前置放大器，对输入放大器的各种输入信号进行处理；或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的是输入灵敏度相匹配。 在各种音源信号中，除了电平差别外，他们的频率特性有的 也不同，如电唱机输出信号的频率特性曲线呈上翘形，磁带放音的频率特性曲线也呈上翘形，即低音呈衰减，高音被提升，但他们的衰减和提升的程度又各不相同。这样，在输入功率放大器之前，必须进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态。 综上所述，前置放大器的主要功能为： (1)对输入功率放大器的各种音源信号进行加工处理，或放大，或衰减，nts 3 使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配，使功率放大器充分发挥其放大和保真的功能。 (2)进行阻抗变换，使各种音源信号的输出阻抗能与功率放大的输入阻抗相匹配，实现信号的高效传输。 (3)进行频率均衡处理，使电唱机和磁带机输出信号的频率特性恢复成平坦的状态。 2.对前置放大器的技术要求 对前置放大器的技术要求，就是必须要和功率放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求，同样也适用于前置放大器，而且对前置放大器还应略高一些。否则就不能成为一个高保真“系统”，也就是说，构成高保真系统的每一个单元都必须是一个高保真单元。 3混合前置放大器参数计算 混合前置放大器电路由运放组成，为反相输入加法器电路 混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐号与电子混响后的声音信号进行混合放大。其电路如图 2.1所示，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压的关系为 V0=（ RfV1/R1+RfV2/R2） （ 2.1） 式中 V1 话筒放大器输电压； V2 录音机输出电压。 2.2 混合前置放大器电路 1 图 2.2为话放级与混合前置放大器的电路图 nts 4 图 2.2话放级与混合前置放大器的电路图 2 图 2.3为混合前置放大器的输 出 波形 nts 5 3 音调控 制器的设计 3.1 音调控制曲线 分析 音调控制器是控制、调 节音响放大器输出频率高低的电路，其控制曲 线如图 3.1中 所示。 图中 kHzfo 1 中音频率，要求增益 dBAuo 0 ； kHzfL 11 低音转折频率，一般为几十赫兹 ； 12 10 LL ff 中音频转折频率； kHzfH 11 中音频转折频率； 12 10 HH ff 高音频转折频率，一般为几十千 赫 兹 。 从图中可见，音调控制器只对低音频或高音频进行提升或衰减，中音频增益保持不变，音调控制器由低通滤波器和高通滤波器共同组成。 2.音调控制器参数计算 。 根据题意， 125Hz和 20kHz处有 12dB 调节范 围， 还已知了 dBxk H zfHzf HxLx 12,8,125 ，代入式中 得 HzHzff xLxL 5 0 021 2 52 6/126/2 则 Hzff LL 5010/21 又 kHzf L 201 dBx 12 代入 下 式得 nts 6 k H zk H zff xLxH 22/202/ 6/1261 则 k H zff HH 2010 12 因此 dBRRRPAuL 20313231 31R 、 32R 、 31RP 不能取得太大，否则运放漂移电流影响不能忽 略不计。同时也不能太 小，否则流过电流将超出运放输出能力。一般取几千欧至几百千欧。取 31RP =470k , 31R = 32R =47k ，取值正确与否代入上式 进行验算。 )8.20(1147 47470313231 dBRRRPAuL 满足设计要求。 由于 )2/(1 32311 CRPf L 则可求得32CFfRPC L 008.0)2/(1 13132 取标称值 0.01 F， FCC 01.03231 可得 421 333 RRRRRR cba kRRR 47323134 kRR a 1413 4 因此 10/)( 33 RRRA auH kRR a 1.1410/3 取标称值 kR 133 。 由于 )2/(1 33332 CRf H 则可求 得33CpFfRC H 490)2/(1 23333 取标称值 pFC 51033 。 32RP 与 31RP 等值取 470k ，级间耦合与隔直电容 4124 CC ，取 10 F。 采用集成运放构成音调控制器。 nts 7 3 2 音调控制电路及仿真图 1音调控制电路 如图 3.2所示。 图 3.2 音调控制器电路 2音调控制电路仿真图如图 3.3 nts 8 3.3 音调控制器的低频电路 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 ff0时，音调控制器的高频等效电路如图 3.3.4所示。 nts 10 由于此时可将 C1， C2 视为短路， R4 与 R1， R2 组成星型连接，将其转换成三角形连接后的电路如图 3.3.5所示。电阻的关系为 Ra=R1 +R4+( R1R4 /R2) Rb =R4 +R2 +（ R4R2 /R） Rc=R1 +R2 +（ R2R1/R4） 若取 R1=R2=R4 ，则有 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 图取的高频等效电路如图 3.3.7 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。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 A（ j） =43/)(1 /)(10 jjRaRbViV 式中 3=1/(Ra+R3)C3或 fH1=1/ 2（ Ra+R3） C3 4=1/(R3 .C3) 或 fH2 =1/(2R3C3) 与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。 当 f f H2时， C3 视为短路，此时电压增益 nts 11 AVH=（ 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 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 LXf （或 1Lf ）和 2Lf (或 ( 2Hf ) 即 2lf=lxf. 6/2x 1Hf = hxf / 6/2x4功率放大器的设计 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nts 12 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。 4.1 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 4.1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。 4.2 功率放大器 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： I0=(2Vcc-2VD)/(R4+R5+RP2) 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： VABVD1+VD2VBE1+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nts 13 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 0.1F。 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。 4.3 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RP1电位器可改变功放的负反馈深度 。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。 由设计要求可知 ， Av=2 131 R RPRViP oR LViVo 若取 R2=0.1K,则 R3+RP1=34.5K。现取 R3=10K， RP1=47K。 因为功放级前级是音调控制电位器（设 4.7k），则取 R1=47k以保证功放级的输入阻抗远大于前级的输出阻抗。 若取静态电流 I0=1mA，因静态是 Vc=0，由 已知 可得 I04 7.0624 R VVRPR VDV cc （设 RP20） 则 R4=5.3k 取标称值 5.1k 其它元件参数的取值如图 4.1 所示。 nts 14 功率放大器的仿真波形如图 4.2所 示 4.4 功率放大器原理图 功率放大器原理图 如 图 4.4 图 4.4 功率放大器原理图 1 外部元件的设定说明及选用： RF、 CF与内部电阻 R11组成交 流负反馈支路，控制功放级的电压增益 AVF，即 AVF=1+R11/RF R11/RF=33 nts 15 CB 为相位补偿电容。 CB 减小，带宽增加，可消除高频自激。 CB 般取几十皮法至几百皮法，现取 CB =51pF。 CC为 OTL 电路的输出端电容，两端的充电电压等于 VCC/2， CC一般取耐压值远大于 VCC/2 的几百微法的电容。现取 CC=470 F。 CD为反馈电容，消除自激振荡， CD一般取几百皮法，现取 CD=560pF。 CH 为自举电容，使复合管 T12、 T13 的导通电流不随输出电压的升高而减小，取 CH=220 F。 C3、 C4可滤除纹波，一般取几十微法到几百微法，现取 C3=220 FC4=100 F。 C2为电源退耦滤波，可消除低频自激，取 C2=220 F。 5音响放大器的 测试方法 1.额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值（如 高教出版社 nts目 录 1 话音放大器的设计 1 1.1 话音放大器电路 1 1.2 话音放大器电路仿真图 1 2 混合前 置放大器的设 2 2.1 混合前置放大器的主要功能 2 2.2 混合前置放大器电路 3 3 音调控制器的设计 5 3.1 音调控制曲线分析 5 3.2 音调控制电路及仿真图 7 3.3 音调控制器的低频电路 8 3.4 音调控制器的高频电路 9 4 功率放大器的设计 11 4.1 集成运放与晶体管 组成的功率放大器 12 4.2 功率放大器电路工作原理 12 4.3 静态工作点设置 13 4.4 功率放大器原理图 14 5 音响放大器的测试方法 15 6 电路设计的根据及晶体管的选择 16 6.1 电路确定 16 6.2 选择晶体管或集成运放 17 7 电路安装与调试技术 17 8 电路测试结果及数据处理