有源音箱论文设计

福建信息职业技术学院福建信息职业技术学院 毕业论文 设计 论文题目 有源音箱的设计与制作 系 别 电子工程系 专 业 通信技术 班 级 通信 0811 班 学 号 0801021107 学生姓名 俞 花 指导老师 谭巧老师 目录目录 1 前言 1 1 1 本设计的意义 1 1 2 有源音箱的认识 1 2 有源音箱的设计 2 2 1 有源音箱的组成 2 2 2 有源音箱的工作原理 3 2 3 有源音箱的功率放大器 6 2 3 1 功率放大器简介 6 2 3 2 功率放大器在有源音箱中的作用 7 2 3 3 功率放大器的主要技术指标与要求 7 2 3 4 功率放大器的类型 7 2 3 5 集成功率放大器 10 3 1PCB 板的设计 12 3 1 1 设计步骤 12 3 1 2 PCB 板图设计中应该注意的要点 13 4 电路故障及解决方法 14 结束语 15 致谢 15 参考文献 16 前言 1 有源音箱 摘要摘要 本文介绍了有源音箱的设计及制作过程 有源音箱主要由功放组件和电源变压 器组成 功率放大器是电子电路中一个十分重要的部分 它在整个音箱系统中起到了 组 织 协调 的枢纽作用 将音频信号放大足以推动扬声器工作 目前集成功放则凭其制作 简单 成本低廉 重放音质尚可等特点替代分立元件成为主流 此次我就是采用双声道集 成芯片 TEA2025 来设计高保真音频功率放大器 TEA2025 双声道功率放大集成电路具有声 道分离度高 电源接通时冲击噪声小 外接元件少 最大电压增益可由外接电阻调节等特 点 该功放设计避免了分立元件组合电路布线复杂 输出信号失真大的缺点 关键词 关键词 有源音箱 功率放大器 集成功放 TEA2025 1 1 前言前言 1 11 1 本设计的意义本设计的意义 音乐是让生活多姿多彩 音箱又是提高音乐享受的必要工具 随着电视技 术 音响技术 数字技术的不断发展 以及人们的生活水平的不断提高 市场 中音响器材也是琳琅满目 给音乐爱好者带来更多的选择 而有源音箱将功放 设置在音箱内部 比功放要少一个机壳 成本得以大幅度的降低 再加上其音 箱连接简单 使用方便 得到众多消费者的青睐 应用自己学过的专业知识 亲手设计制作一个有源音箱使用起来更是具有实际意义 高音清爽 低音震撼 给人带来更多美的享受 1 21 2 有源音箱的认识有源音箱的认识 所谓的有源音箱就是指将功放做在音箱内部 可直接与音源连接并正常工 作的音箱 这些功放专门用于推动音箱的喇叭 功放具有较高的输入阻抗 一 般几十千欧姆 和较低的输出阻抗 零点几欧姆 可以在音源和音箱之间起到 缓冲的作用 还将解码器也集成到音箱内部 可以直接接受数字信号 这就是 数字有源音箱 虽然从字面上看 有源音箱可以认为是必须插电源的音箱 但 严格地说这个 源 应理解为功放 而不是指电源 因为有不少需要插电源却 仍外部功放推动的音箱 这些音箱显然不属于有源音箱 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 2 图 1 有源音箱产品样 2 2 有源音箱的设计有源音箱的设计 2 12 1 有源音箱的组成有源音箱的组成 有源音箱由电源电路 音频输入 音量音调控制电路和高低音功放电路组 成 音频输入信号经过前置放大器 此时在前置放大器的中通过调节双联电位 器进行音量的控制 以及通过阻容元件电路的选频滤波作用来放大 分离出后 级功放所需幅度的高 低音信号 从音量音调控制出来的高音信号通过电容耦 合到高音部分功放电路 高音信号通过高音功放电路的处理 放大到足够大从 而推动扬声器发音 同理 低音信号耦合到低音功放电路进行功率放大来推动 喇叭工作 电源电路采用我们学过的直流稳压电路将交流转化成直流为功放等 电路模块提供电能 从而完成整个有源音箱的工作任务 如图 2 所示 音频输入音频输入 低音部分功放低音部分功放 电路电路 音量音调音量音调 控制电路控制电路 电源电路电源电路 高音部分功放高音部分功放 电路电路 喇喇 叭叭 扬扬 声声 器器 图 2 有源音箱电路组成框图 音箱有源的设计 3 图 3 有源音箱总电路图 2 22 2 有源音箱的工作原理有源音箱的工作原理 1 电源电路 在图 4 中可以知由二极管构成的整流电路将由变压器转换来的 9V 交流电 压变换成单向脉动直流电压 由于这种电压含有很大的脉动成分 纹波 故 C1 C2 构成的滤波电路将其电压变平滑 大电容 C2 消除纹波电流 使电路不 产生消波失真并满足电路动态要求 并联个小电容 C1 是为了减小电源内阻 消 除自带 纹波 稳定波形 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 4 图 4 电源电路 2 2 音频输入 如图 5 所示 左右声道通过电阻 电容耦合到音量控制电路 R10 C10 并 联电路提升高频电路 C11 作为耦合电容 图 5 音频输入电路 3 音量控制 我们知道由于从音频送出的信号很微弱 在功放前就需要前置放大器即音 量音调控制电路将信号放大到功放所需的幅度 在图 6 音量音调控制电路中中 左右声道主要通过双联电位器 RP1A RP1B 的调节其音量 并且分离出高音信 号与低音信号 高音信号通过瓷片电容滤波耦合到高音功放 低音则通过电容 福建信息职业技术学院毕业论文 C3 耦 有源音箱的设计 5 合到低音功放 如图 6 所示 图 6 音量音调控制电路 4 功率电路 低音功率放大模块 从电路图中可以看到左右声道通过相应的电阻电容 R2 RP3 混合成低音信号再通过 C3 C5 电容将高音直接接地滤除 允许低音通过 并耦合到低音功放中 TEA2025 集成块 它具有很高的声音分离度 在电源接 通时其冲击噪声小 该集成块接成一个 BTL 电路 BTL 功放可解决了当电源电压 较低时输出功率受限的问题 他能满足低电路的大功率输出 在其他条件相同 的情况下它的输出功率是 OCL OTL 的 4 倍 我们可以发现在低音信号输入端 10 角前有个由 R31 C30 并联组成的选频滤波电路尽可能的提升低频部分 隔断高 频 该电路中还用到 C37 C33100UF 的自举电容可减少失真 在低音中 TEA2025 的 1 角通过电容 C38 与 6 角相连 提供负反馈从而稳定频带 而在高 频功放电路中 1 角就可以直接悬空 低音信号经低放放大后就可以驱动喇叭工 作 福建信息职业技术学院毕业论文 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 6 图 7 低音功率放大电路 高音功率放大模块 高音部分 左右声道 则是用到小的瓷片电容进行滤 波提取 在高放中同样加入选频网络 我们可以发现低音采用到的电阻 R31 是 100K 而高音中则用 12K 的 R13 这是根据 F 1 2 RC 当 C 一样 R 与 F 成反比 6 角 11 角的 C23 R24 与 C13 R14 都是作为电压串联负反馈 稳定电压增 益 拓宽通频带 3 2 14 15 角的电容电阻作为相位补偿 消除高频自激 同样 放大后的高音信号就可以驱动扬声器发声因为低音是两路信号合成 电压是高 音的 2 倍 故其输出功率是高音功放输出功率的四倍 图 8 高音功放电路 2 32 3 有源音箱的功率放大器有源音箱的功率放大器 2 3 12 3 1 功率放大器简介功率放大器简介 功率放大器简称功放 在音频系统中 很多情况下由于主机的额定输出功 率不能胜任带动整个音箱系统的任务 故常在主机与播放器之间放置一个功放 来补充这个功率缺口 比如 我们曾制作过的的收音机 还有平时使用 MP3 等 在高频中 我们知道高频功放是用于发射机的末级 主要是将高频已调信号进 行功率放大 以满足发送功率的要求 然后经过天线将其辐射到空间 保证在 一定区域 有源音箱得设计 7 内接收机可以接受到满意的信号电平 并且不干扰相邻信道间的通信 高频功 率放大器的应用也是相当的广泛 在我们学过的通信系统发送装置中就常用到 该组件 2 3 22 3 2 功率放大器在有源音箱中的作用功率放大器在有源音箱中的作用 功率放大单元的在音箱中的任务是对运放部分送来的音频信号进行更进一 步的功率放大 然后产生强劲的脉动音频电压推动扬声器工作 在本音箱计中 采用双声道集成功放芯片 TEA2025 设计高保真音频功率放大器 该功放的设计 避免了分立元件组合电路布线复杂 输出信号失真大的缺点 TEA2025 双声道 功率放大集成电路 该电路具有声道分离度高 电源接通时冲击噪声小 外接 元件少 最大电压增益可由外接电阻调节等特点 2 3 32 3 3 功率放大器的主要技术指标与要求功率放大器的主要技术指标与要求 1 输出功率 即电路送给负载的功率 最大输出功率 Pom 1 2UomIom 在 允许失真限度内 尽可能提高效率的向负载提供足够大的功率 因此 功率放 大电路的电路形式 工作状态 分析方法等都与小信号放大电路有所不同 对 功率放大电路的基本要求是输出功率要大 输出功率 P0 U0 xI0 要获得大的输 出功率 不仅要求输出电压高 而且要求输出电流要大 2 效率 功率放大电路的信号较大 电源消耗能量较多 故要考虑到效 率问题 提高效率降低电能消耗外 还有其他的意义 提高效率就是要增大输 出功率的比例 降低管耗 降低管耗 一则可是功放管结温降低 有利于功放 的稳定工作 二则可较经济地选用 Pcm 小功放管 另一方面 效率高 有利于 降低功放电源的容量和成本 3 频率响应 反应功率放大器对音频信号分量的放大能力 4 非线性失真 功放电路工作在大信号状态 不可避免地会产生非线性 的失真 但我们要保证音箱的音质 所以要采取措施 将非线性失真最小化 除此之外还有对功放的散热保护 本次功放设计用到的 TEA2025 是大功率 的集成片 由于工作在大电流和高压下 会有较大的管耗 并转化为热量 使 用时其表面将会在瞬间产生高热量 会对集成芯片造成损害 为了使其损害降 到最低的限度 在功率放大的音响电路中 要用到散热片 起到保护的效果 2 2 3 43 4 功率放大器的类型功率放大器的类型 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 8 1 按输出管的偏置和工作状态分 根据三极管在放大信号的信号工作状态和三极管静态电流大小划分 功率 放大器电路主要有 3 种放大器类型 一是甲类放大器 二是乙类放大器 三是 甲乙类放大器等 音箱的系统内由于不允许存在非线性失真 所以只用甲类放 大器 或是甲乙类放大器 1 甲类 甲类放大器就是给放大管加入合适的偏置电流 这样用一只三 极管同时放大信号的正负半周 在功率放大器电路中 功放输出级中的信号幅 度已经很大 如果仍然让信号的正负半周同时用一只三极管来放大 这种电路 称之为甲类放大器 功放管在整个信号周期全导通 导通角为 360 其功放 管静态工作电流设的比较高 要设在放大区的中间 如图 9 a 所示 当功放工 作在甲类状态时 只要功放管不进入饱和区或截止区 非线性失真最小 但由 于甲类功放静态工作点设置在负载线的中央 静态功耗很大 对音响功放电路 来说 无声音时 无输入信号 功耗很管耗很大 不合理 这也是甲类功放电 路的致命缺点效率低 最大效率在理想情况下只有 50 2 乙类 所谓的乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流 且用两只 性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周 正 负半周再在放大器 的负载上将正 负半周信号合成一个完整的周期信号 乙类状态的最大优点是 静态功耗为零 两个功放管拼接的乙类功放电路最大效率在理想情况下课达到 4 78 5 但是功放管工作在此类状态时 输出地信号只有一半 如图 9 C 所 示 也就是说乙类放大器没有给功率输出加入静态偏置电流 因而产生交越失 真 这种失真是非线性失真的一种 对声音的音质破坏严重 所以 乙类放大 器电路是不能用于音频放大器电路中的 3 甲乙类 为了克服交越失真 必须使输入信号避开三极管的截止区 可以给三极管加入很小的静态偏置电流 以使输入信号 骑 在很小的静态偏 置电流上 这样可以避开了三极管的截止区 使输出信号不失真吗 甲乙类放 大器电路的主要特点如下所述 A 这种放大器同乙类放大器电路一样 也是用两只三极管分别放大输入信 号的正 负半周 但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流 以使三极管刚 福建信息职业技术学院毕业论文 刚进 有源音箱的设计 9 入放大区 B 由于给三极管所加的静态偏置电流很小 所以在没有输入信号时放大 器对直流电源的消耗比较小 比起甲类放大器小的多 这样具有乙类放大器的 省电优点 同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区 对信号不存在失真 又具有甲类放大器无非线性失真的优点 所以 甲乙类放大器具有甲类和乙类 放大器的优点 同时克服可这两种放大器的缺点 正是由于甲乙类放大器无交 越失真 又具有输出功率大和省电的优点 所以被广泛地应用在音频功率放大 器电路中 当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时 就成 了乙类放大器 将产生交越失真 图 9 功放电路工作状态 还有一种功放是采用了两个不同极性的三极管构成一级放大器电路 两只 三极管分别放大输入信号的正半周和负半周 即用一只三极管放大信号的正半 周 用另一只三极管放大信号的负半周 两只三极管输出地半周信号在放大器 负载上合并后得到一个完整周期的输出信号 我们在模拟电子中接触到的推挽 放大器电路 就是采用两种不同极性的三极管 一只三极管工作在导通 放大 时 另一只三极管处于截止状态 当输入信号变化到另一半周后 原先导通 福建信息职业技术学院毕业论文 放大的三极管 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 10 进入截止 而原先截止的三极管进入导通 放大状态 两只三极管在不断地交 替导通放大和截止变化 2 按输出极与扬声器的链接方式 功率放大器电路的另一种划分主要是由功放级输出电路形式来决定 常见 的的音频功率放大器主要有下列几种 1 变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子放大器中 2 变压器耦合推挽功放电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中 3 A OTL 功率放大器电路作为单电源无输出变压器互补对称功率放大电路 要用于一些功率较小的放大器中 它的电路仍属于乙类互补对称功放 B OCL 功率放大器是一种常用的放大器电路 常用于一些输出功率要求 大的功率放大器中 它的电路是双电源无输出电容互补对称电路 C BTL 电路 该功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合 也就是此次有源音箱功放电路所使用的 BTL 电路可以作为双电源电路 也可 以作为单电源应用 在作为单电源时无输出电容 BTL 电路需要两组输入信号 ui 和 ui 在分立元件电路中可由差动放大电路或单管 c e 分割式倒相电路获 得 在集成功放电路中 典型的应用电路是将 ui 输入到其中一组互补对称电路 同相输入端 输出后取一部分输入到另一组互补对称电路的反相输入端 OTL 和OCL功放的电路的不足之处就是当电源电压 Vcc 与负载电阻 Rl 一定的情况 下 输出地功率尚不够大 特别想持此所设计的便携式的有源音箱的功放电路 中电源电压较低 输出功率受到限制 BTL 功放电路在电源电压同等的情况下 输出地功率增大到 OTL OCL 输出功率的 4 倍 因此我们采用 BTL 连接方式 的集成块 TEA2025 2 3 52 3 5 集成功率放大器集成功率放大器 随着线性技术的不断发展和集成功放性能不断提升 集成功率放大器越来 越多的应用到电子产品中 集成功率放大器由集成功率放大器电路和一些外部 阻容元件构成 集成功放与分立元件功放相比 具有体积小 重量轻 调试简 单 效率高 失真小 使用方便等优点 集成功率放大电路的电路形式有很多 有单纯电源供电的 OTL 功放电路 双电供电的 OCL 互补对称功放电路 还有 就是本次设计采用到的 BTL 桥式推挽功放电路 福建信息职业技术学院毕业论文 集成功率放大电路的主要性能指标有输出最大功率 电源电压范围 电压 增 有源音箱的设计 11 益 频带宽度 输出阻抗 输入偏置电流 总谐波失真等 在实用电路中 往 往要求放大电路与其他放大电路本质上没有根本的区别 只是功放既不是单纯 的追求输出高电压 也不是输出大电流 而是追求在电源电压确定情况下 输 出尽可能大的功率 电源转换效率高 非线性失真要小 功放管的散热性能要 好 2 3 5 集成功率放大器 TEA2025 功能简介 TEA2025 芯片是欧洲生产的双声道功率放大集成电路 该电路具有声道分 离度高 电源接通时冲击噪声小 外接元件少 最大电压增益可由外接电阻调 节等特点 有以下几点的的参数参考 1 在 tmax 25 时电源电压 Vcc 15v 输出峰值电流 Io 1 5A TEA2025 集成电路工作电源电压范围 3 12V 典型工作电压 6 9v RL 8 Ta 25 2 静态电流 ICQ 最大值为 47dB 最小值 43dB 典型值为 45dB BTL 时最大值为 5dB 最小值为 49dB 典型值为 51dB 3 输出功率 P0 当 THD 10 F 1KHz 时 双声道时典型值为 1 3w BTL 时典型值为 4 7w 4 谐波失真 THD 当 F 1KHz Po 250mw RL 4 时 双声道的最大值 为 1 5 典型值为 0 3 BTL 时的典型值为 0 5 管脚功能管脚功能 1 BTL 辅助输出 双声 道是悬空 9 接地线端 2 功放电路 2 信号输出 端 10 功放电路 1 信号输 入端 3 功放电路 2 自举端 11 功放电路 1 负反馈 元件端 4 接地线 1 12 接地 3 5 接地 13 接地 4 6 功放电路 2 负反馈元 件端 14 功放电路 1 自举端 7 功放电路 2 信号输入 端 15 功放电路 1 信号输 出端 8 纹波滤波连接端 16 工作电压输入端 图 10 TEA2025 集成块管脚作用图 3 3 有源音箱的制作有源音箱的制作 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 12 3 13 1 PCBPCB 板的设计板的设计 3 1 13 1 1 设计步骤设计步骤 1 制作原理图 在原理图的编辑中要注意元件标号的唯一性 根据实际 需要设置好元件的封装形式 以保证印制电路板设计的准确性 2 产生网络表 在原理图编译通过后 进行保存就可以生成相应的网络 表 3 制作物理边框 我们在 PCB 设计过程中会发现由原理图生成网络图时 过来的元件分散的杂乱无序 给我们的放置元件带来很大的不便 故要制作一 个物理边框来约束这些元件 为接下来的元件布局 走线提供一个平台 4 元件的布局 布局是印制电路板中最耗费精力的工作 一般要遵循先 难后易 先大后小 在有源音箱功放板 PCB 布局时要注意的是集成块 TEA2025 位置安放 该功放集成电路的去耦电容应尽量靠近芯片的电源脚以高频最近为 原则 使之与电源和地之间形成回路最短 旁路电容应均匀分布在集成块周边 要按信号的走向布局 以每个功能电路的核心元件为中心 围绕它进行布局 尽量缩短元件之间的引线和连接 布局要便于信号的流通 对发热元件要布置 在散热的地方 在功放集成块上安放散热片如图 12 所示 并与其他元件隔开一 定的距离 布局尽量紧凑 减小 PCB 尺寸 减少生产成本 5 布线 有源音箱的布线非常关键 特别是地线的连接与走向 要一 电源电路为媒介 将大电流与小电流区分开 还有高音低音的地线也要分离开 来 大信号线的间距要加大 导线要粗 如图 11 所示 红色的线是代表地线 地线不能设计成闭合的回路 在低音部分采用单点接地 在高音电路部分采用 就近接地 而且采用大面积接地方式 6 调节完善 布完线 要对个别原件 走线做些调整以及敷铜的处理 7 检查核对 在调整完善 PCB 板后再认真的检测一遍 确保板的网络关 系与原理图一致 以便后续工作的正常进行 8 PCB 板生成电路板 有源音箱的制作 13 图 11 有源音箱功放电路的 PCB 图 图 12 功放样板图 3 1 23 1 2 PCBPCB 板图设计中应该注意的要点 板图设计中应该注意的要点 1 布线的方向 从焊接面看 元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致 布线的方向最好与电路图走线方向相一致 因产生过程中通常需要在焊接面进 行各种参数的检测 故这样做便于生产中的检查 调试和检修 2 各元件排列 分布要合理和均匀 力求整齐 美观 结构严谨的工艺要 求 3 电阻 二极管的放置方式 平放和竖放 4 走线力求简单明了 5 特别是在功放 PCB 的设计时 为了防止大电流和小电流混合后引发电 路自而带来的信号干扰 在设计功放板时应有意识地将大电流和小电流部分的 地线隔离开 同时在元件布局时还要考虑大电流和小电流模块之间的物理隔离 从而减小干扰 如果将大 小电流部分的地线混接在一起 那么音频输入的那部 分就会受到大电流的冲击而引入噪声 不仅仅是要遵循电池抗干扰 PCB 设计 福建信息职业技术学院毕业论文 还要遵 福建信息职业技术学院毕业实习 论文 14 6 循连线精简原则 安全载流原则 3 23 2 电路板的焊接电路板的焊接 焊接是一项比较机械化地工作 但又是故障的频发点 焊接前应仔细对照 电路原理图和 PCB 装配图 在正确的位置中插入相应的元器件 插入元件时应 遵循先小后大原则 以便于焊接 焊接时 电烙铁应呈 45 角先预热焊盘 而 后送入焊锡 熔化适量焊料后移开焊锡 待焊锡流动完全覆盖焊接点时 应沿 着管脚迅速移开电烙铁 冷却后可将多余的管脚剪掉 焊接的时间不宜过长 焊锡也不宜过多 整体的焊接外形应呈三角锥状为宜 焊接时还应当细心谨慎 避免出现因虚焊 漏焊和连焊所带来不必要的电路故障 4 4 电路故障及解决方法电路故障及解决方法 在本次有源音箱设计中出现的主要故障就是接入扬声器后没声音 我就对 着原理图用万用表进行检测 结果发现是一条信号线短路掉了 就用小刀将其 铜刮掉 检修完后再一次试音就行了 我记得我们班在有源音箱实训时有一组 同学的电路板的低音部分在没有信号输入时 还能听到扬声器发出的 噗噗 声该故障属于音箱的低频自振 这是由于直流电源是多级放大器电路公共电 源 各级信号电流在电源内阻上产生压降会互耦成正反馈 看了下他的板发现 板的布线不是特别的合理 还有就是焊接这块也做得不够好 在有源音箱制作时我们还会常常碰到以下两种故障 1 无工作电压 检查交流输入时候正常 若有交流输入 则检查整流 部分元件是否损坏 或是保险丝已熔断 如果保险丝已经熔断或是整流桥已经 击穿 又可能后级电路有元件已损坏 应该检测保护二极管及稳压管二极管是 否击穿 功放集成块和运放集成块是否损坏 在故障发生前注意观察是否有元 件冒烟 烧焦等现象 或是用手触摸或是处于低压工作区地元件发热 如果还 不能排除故障 就采取更换替代的方法 2 自激 自激振荡 高频自振 低频自振 是音箱常见的故障 如果自 激振荡的频率是在音频范围内 我们便可以在扬声器中听到振荡叫声 这种现 象可能通过导线之间的信号耦合或电源内阻有害的耦合引起的 一般产生低频 自激是由于电源内阻过大 电源滤波电容开路或是失效引起的 如果振荡频率 不再范围内 此时好像 无声 如果发现散热器发热量过大 即使输出功率很 福建信息职业技术学院毕业论文 小或是 有源音箱的制作 15 静态情况下 怀疑有自激现象 可以用万用表交流档测量功放的输出电压 用 示波器可以观察到波形 如果测得电压偏高 或是观察到异常的高频波可断定 是高频自激 还有的故障常常是因为布线的不规则所引起的 故在 PCB 布线时 要遵守 电源线要短而粗 地线的走势 电源线与信号线处理都要合理 必要 的添加退耦电容 还有就是输