音响放大器设计

电子线路课程设计电子线路课程设计 18 周 一周周 一周 音响放大器音响放大器设计设计 三 三 设计设计 设计要求 设计一音响放大器 要求具有音调输出控制 卡拉 OK 伴唱 对话筒与录音机的输出信号进行 扩音 已知条件已知条件 VCC 9V 话筒 低阻 20 的输出电压为 5mV 录音机的输出信号电压为 3V 电子混响 延时模块 1 个 集成功放 LA4102 1 只 8 2W 负载电阻 RL 1 只 8 4W 扬声器 1 只 集成运放 LM324 1 只 或 A741 3 只 主要技术指标主要技术指标 额定功率 Po 1W 20 学习要求 了解集成功率放大器内部电路工作原理 掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测 试方法 掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统 的装调技术 音响放大器的基本音响放大器的基本组组成成 1 话话音放大器音放大器 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 所以话音放大器 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 输出阻抗 2 1 R R A F VF Ri R1 R1一般取几十千欧 一般取几十千欧 耦合电容耦合电容 C1 C3可根据交流放可根据交流放 大器的下限频率大器的下限频率 fL来确定 一般取来确定 一般取 LLf R2 1 10 3 C3 C1 反馈支路的隔直电容反馈支路的隔直电容 C2一般取几微法 一般取几微法 2 混合前置放大器混合前置放大器 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 音信号混合放大 音响放大器的性能主要由音响放大器的性能主要由音音调调控制器控制器与与功功 率放大器率放大器决定 下面决定 下面详细详细介介绍这绍这两两级电级电路的路的 工作原理及其工作原理及其设计设计方法 方法 3 音 音调调控制器主要是控制 控制器主要是控制 调节调节音响放音响放 大器的幅大器的幅频频特性特性 音音调调控制器的控制器的电电路可由低通路可由低通滤滤波器与高波器与高 通通滤滤波器构成波器构成 设电容设电容C C1 1 C C2 2 C C3 3 在 在中 低音频区中 低音频区 C C3 3可可 视为开路 作为视为开路 作为低通滤波器低通滤波器 在 在中 高音中 高音 频区频区 C C1 1 C C2 2可视为短路 作为可视为短路 作为高通滤波器高通滤波器 当当 f f0时时 当 RP1的滑臂在最左 端低频时 对应于提 升最大的情况 分析表明 图 a 所示电路是一个一阶有源低通 滤波器 其增益函数的表达式为 1 2 1 21 i o j1 j1 j R RRP V V A 式中 2 1 1 21L1211 CRPfCRP 或 2 22121L2221212 CRRPRRPfCRRPRRP 或 当 f f0时时 音调控制器的高频等效电路如图所示 C C1 1 C C2 2可视为短路 作为可视为短路 作为高通滤波器高通滤波器 将 C1 C2视为短路 R4与 R1 R2组成星 形连接 将其转换成三角形连接后的电 路如图所示 若取R1 R2 R4 则 Ra Rb Rc 3R1 3R2 3R4 图 a 为 RP2的滑臂 在最左端时 对应于 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 所示电路为一阶有源高通滤波 器 其增益函数的表达式为 4 3 a b i o j1 j1 j R R V V A 式中 2 1 1 33aH133a3 CRRfCRR 或 33H2334 21 1CRfCR 或 当 f fH1 3 时 C3视为开路 此时电压 增益AV0 1 0dB 在 f fH1时 因 fH2 10fH1由 4 3 a b i o j1 j1 j R R V V A 得得 V0V3 2AA 此时电压增益AV3相对于AV0提升了 3dB 在 f fH2时 V0V4 2 10 AA 此时电压增益AV4相对于AV0提升了 17dB 当f fH2时 3视为短路 此时电压增益 AVH Ra R3 R3 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 实际应实际应用中用中 通常先提出对低频区fLx处和高频区fHx处的提 升量或衰减量x dB 再根据下式求转折频率 fL2 或fL1 和fH1 或fH2 即 6 LL2 2x x ff 6 HH1 2x x ff 4 功率放大器 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 2 集成功放的典型集成功放的典型应应用用 图 3 7 13 LA4100 接成 OTL 电路 2 集成功放的典型集成功放的典型应应用用 外部元件的作用外部元件的作用 1 LA4100 LA4102 集成音频功放 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 F1111VF 1RRRRA F CB为相位补偿电容 CB减小 带宽增加 可 消除高频自激 CB一般取几十皮法至几百皮法 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 CD为反馈电容 消除自激振荡 CD一般取几 百皮法 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 C3 C4可滤除纹波 一般取几十微法至 几百微法 C2为电源退耦滤波 可消除低频自激 音响放大器主要技音响放大器主要技术术指指标标及及测测 试试方法方法 额定功率额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值 如 5 时的最大功率称为额定功率 其表达式为 L 2 oo RVP 式中 RL为额定负载阻抗 Vo 有效值 为RL两端的最 大不失真电压 Vo常用来选定电源电压VCC occ 22VV 测量Po的条件如下 信号发生器的输出信号 音响放大器的输入 信号 的频率 fi 1kHz 电压 Vi 5mV 音调控 制器的两个电位器 RP1 RP2置于中间位置 音 量控制电位器置于最大值 用双踪示波器观测 vi及vo的波形 失真度测量仪监测vo的波形失 真 注意注意 在最大输出电压测量完成后应迅速减小在最大输出电压测量完成后应迅速减小V Vi i 否 否 则会因测量时间太久而损坏功率放大器 则会因测量时间太久而损坏功率放大器 测量Po的步骤是 功率放大器的输出端接额定负载电阻RL 代 替扬声器 逐渐增大输入电压Vi 直到vo的波 形刚好不出现削波失真 或 3 此时对应的 输出电压为最大输出电压 由式 3 7 22 即可 算出额定功率Po 音调控制特性音调控制特性 occ 22VV 输入信号vi 100mV 从音调控制级输入端的耦 合电容加入 输出信号v0从输出端的耦合电容 引出 先测 1kHz 处的电压增益Av0 Av0 0dB 再分别测低频特性和高频特性 同样 测高频特性是将 RP2的滑臂分别置于最 左端和最右端 频率从 1kHz 至 50kHz 变化 记下对应的电压增益 最后绘制音调控制特性曲线 并标注与 fL1 fx fL2 f0 1kHz fH1 fHx fH2等频率对应 的电压增益 频率响应频率响应 放大器的电压增益相对于中音频fo 1kHz 的电 压增益下降 3dB 时对应低音频截止频率fL和高 音频截止频率fH 称fL fH为放大器的频率响 应 测量条件同上 调节 RP3使输出电压约为最 大输出电压的 50 测量步骤是 音响放大器的输入端接vi 等于 5mV RP1 和 RP2置于最左端 使信号发生器的输出频率 fi从 20Hz 至 50kHz 变化 保持vi 5mV 不变 测出负载电阻 RL上对应的输出电压Vo 用半对 数坐标纸绘出频率响应曲线 并在曲线上标注 fL与fH值 输入阻抗输入阻抗 将从音响放大器输入端 话音放大器输入端 看 进去的阻抗称为输入阻抗Ri 如果接高阻话筒 则Ri应远大于 20k 接 电唱机 Ri应远大于 500k Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法 相同 输入灵敏度输入灵敏度 使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压 有效值 称为输入灵敏度Vs 测量条件与额定功率的测量相同 测量方法 是 使Vi从零开始逐渐增大 直到Vo达到额定 功率值时所对应的电压值 此时对应的Vi值即 为输入灵敏度 噪声电压噪声电压 音响放大器的输入为零时 输出负载 RL上的电 压称为噪声电压VN 测量条件同上 测量方法是 使输入端对地 短路 音量电位器为最大值 用示波器观测输 出负载 RL两端的电压波形 用交流毫伏表测量 其有效值 整机效率整机效率 100 Co PP 式中 Po为输出的额定功率 PC为输出额定功 率时所消耗的电源功率 三 三 设计设计 设计要求 设计一音响放大器 要求具有音调输出控制 卡拉 OK 伴唱 对话筒与录音机的输出信号进行 扩音 已知条件已知条件 VCC 9V 话筒 低阻 20 的输出电压为 5mV 录音机的输出信号电压为 100mV 电子 混响延时模块 1 个 集成功放 LA4102 1 只 8 2W 负载电阻 RL 1 只 8 4W 扬声器 1 只 集成运放 LM324 1 只 或 A741 3 只 主要技术指标主要技术指标 额定功率 Po 1W 20 设计过设计过程程 确定整机电路的级数 根据各级的功能及技术指标要求分配电压增 益 分别计算各级电路参数 通常从功放级开始 向前级逐级计算 根据技术指标要求 音响放大器的输入为 5mV 时 输出功率大于 1W 则输出电压 Vo 2 8V 总电压增益 Av Vo Vi 560 倍 55dB 1 功率放大器功率放大器设计设计 功放级的电压增益 R R11 11 20K 20K33 F114V RRA 1 功率放大器功率放大器设计设计 如果出现高频自激 输出波形上叠加有毛刺 可以在 13 脚与 14 脚之间加 0 15 F 的电容 或 减小CD的值 vi 9V C42 220 F C43 220 F C44 100 F C41 9 6 4 7 F 14 10 12 13 1 220 F CH LA4102 CC 470 F 25V RL 8 560pF 51pF CB 3 4 5 RF 600 CF 33 F A4 CD 2 音音调调控制器控制器 含音量控制含音量控制 设计设计 已知fLx 100Hz fHx 10kHz x 12dB 由式 3 7 16 3 7 17 得到转折频率 fL2及fH1 fL2 fLx 2x 6 400Hz 则fL1 fL2 10 40Hz fH1 fHx 2x 6 2 5kHz 则fH2 10fH1 25kHz 由式 3 7 5 得AVL RP31 R32 R31 20dB 其 中 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 取几千欧姆至几百千欧姆 现取 RP31 470k R31 R32 47k 则 dB 8 2011 313231VL RRRPA 由式 3 7 3 得uF fRP C0 008 2 1 L131 32 取标称值 0 01 F 即C31 C32 0 01 F 由式 3 7 9 得 R34 R31 R32 47k 则 Ra 3R4 141k 由式 3 7 15 得 R33 Ra 10 14 1k 取标称值 13k 由式 3 7 12 得 pF490 2 1 H233 33 fR C 取标称值 470pF 取RP32 RP31 470k RP33 10k 级间耦合 与隔直电容C34 C35 10 F 3 话话音放大器与混合前置放大器音放大器与混合前置放大器设计设计 图 3 7 18 所示电路由话音放大与混合前置放大 两级电路组成 其中 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音 放大器电路 其放大倍数 dB 5 185 81 1112Vl RRA 取RP32 RP31 470k RP33 10k 级间耦合与隔直电容C34 C35 10 F 四 四 电电路安装与路安装与调试调试技技术术 1 合理布局 分合理布局 分级级装装调调 音响放大器是一个小型电路系统 安装前要对 整机线路进行合理布局 一般按照电路的顺序 一级一级地布线 功放级应远离输入级 每一 级的地线尽量接在一起 连线尽可能短 否则 很容易产生自激 安装前应检查元器件的质量 安装时特别要注 意功放块 运算放大器 电解电容等主要器件 的引脚和极性 不能接错 从输入级开始向后 级安装 也可以从功放级开始向前逐级安装 安装一级调试一级 安装两级要进行级联调试 直到整机安装与调试完成 3 电电路路调试调试技技术术 电路的调试过程一般是先分级调试 再级 联调试 最后进行整机调试与性能指标测 试 分级调试又分为静态调试与动态调试 静态调试时 将输入端对地短路 用万用表测该级输出端对地的直 流电压 话放级 混合级 音调级都是由运算放大器组成的 其静 态输出直流电压均为VCC 2 功放级的输出 OTL 电路 也为VCC 2 且输出电容 CC两端充电电压也应为VCC 2 动态调试是指输入端接入规定的信号 用示波器观测 该级输出波形 并测量各项性能指标是否满足题目要 求 如果相差很大 应检查电路是否接错 元器件数 值是否合乎要求 否则是不会出现很大偏差的 单级电路调试时的技术指标较容易达到 但进 行级联时 由于级间相互影响 可能使单级的 技术指标发生很大变化 甚至两级不能进行级 联 产生的主要原因 一是布线不太合理 形成级间交叉耦合 应考虑重新布线 二是级联后各级电流都要流经电源内阻 内阻压降对 某一级可能形成正反馈 应接 RC 去耦滤波电路 R一 般取几十欧姆 C一般用几百微法大电容与 0 1 F 小 电容相并联 由于功放级输出信号较大 对前级容易产生影 响 引起自激 集成块内部电路多极点引起的 正反馈易产生高频自激 常见高频自激现象如 图 3 7 19 所示 2 可以加强外部电路的负反馈予以抵消 如功放级 脚与 之间接入 几百皮法的电容 形成电压并联负反馈 可消除叠加的高频毛刺 常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左 右摆动 或输出波形上下抖动 产生的主要原因是输出信号通过电源及地线 产生了正反馈 可以通过接入 RC 去耦滤波电路 消除 为满足整机电路指标要求 可以适当修改单元 电路的技术指标 图 3 7 20 为设计举例整机实 验电路图 与单元电路设计值相比较 有些参 数进行了较大的修改 3 整机功能整机功能试试听听 用 8 4W 的扬声器代替负载电阻 RL 可进行 以下功能试听 话音扩音 将低阻话筒接话音放大器的输入端 应注意 扬声器 输出的方向与话筒输入的方向相反 否则扬声器的输出声音经话筒 输入后 会产生自激啸叫 讲话时 扬声器传出的声音应清晰 改 变音量电位器 可控制声音大小 电子混响效果 将电子混响器模块按图 3 7 20 接入 用手轻拍话 筒一次 扬声器发出多次重复的声音 微调时钟频率 可以改变混 响延时时间 以改善混响效果 音乐欣赏 将录音机输出的音乐信号 接入混合前置放大器 改 变音调控制级的高低音调控制电位器 扬声器的输出音调发生明显 变化 卡拉 OK 伴唱 录音机输出卡拉 OK 磁带歌曲 手握话筒伴随歌 曲歌唱 适当控制话音放大器与录音机输出的音量电位器 可以控 制歌唱音量与音乐音量之间的比例 调节混响延时时间可修饰 改 善唱歌的声音 整机整机电电路路图图 C12 R11 10k 1 F 10k 2 3 9V R12 75k A1 4 11 1 C11 10 F 话筒 C13 C14 RP11 10k 10 F 1 4 LM324 10 F 电子混响器 R31 47k RP31 470k R32 47k C31 0 01 F C32 0 01 F 9V R34 47k 9 10 R22 9V 30k 6 10k 5 10k A2 7 C 24 10 F 1 4 LM324 R21 10k R23 30k C21 10 F C23 10 F 录音机 C22 10 F RP21 10k RP32 470k R33 13k A3 10k 1 4 LM324 C35 10 F RP33 10k 10 F C41 9 6 RF 600 CF 33 F CB 5 4 3 12 10 14 CD 51pF RL 8 CC 470 F 25V 13 1 CH 220 F C43 220 F C44 100 FC42 100 F LA4102 470pF C33 560pF 10k 9V 10k 4 11 8 4 11 设计设计任任务务 P123 功能要求 具有话筒扩音 音调控制 音量 控制等功能 已知条件 集成功率放大器 LA4102 1 只 高 阻话筒 20k 1 个 其输出信号为 5mV 集成 运算放大器 mA741 2 只 10 2W 负载电阻 1 只 8 4W 扬声器 1 只 电源电压 VCC 6V 12 112 1 音频功率放大电路的设计音频功率放大电路的设计 一 一 设计任务设计任务 设计一个音频功率放大电路 二 二 设计要求设计要求 1 负载电阻 RL 8 2 额定输出功率 Po 10 W 3 带宽 fBW 50 Hz 15kHz 4 失真度 r 1 5 音调控制 低音 100 Hz 12dB 高音 10 kHz 12dB 6 输入阻抗 Ri 500 k 7 整机效率 50 三 方案讨论三 方案讨论 音频功率放大电路 也即音响系统放大器 用于对音频信号的处理和放大 随着集成 电路技术的快速发展 音响系统中的放大电路也已经有以集成电路取代分立元件电路的趋 势 当今的功率集成电路 从输出功率几瓦到几百瓦已经形成了系列产品 各种音响专用 集成电路 其性能价格比明显优于分立元件 由于集成电路工作可靠 外围电路简单 安 装 调试工作量减少等优点 受到专业人员的青睐 因此 在本实验的总体方案设计中应 尽量采用集成电路来实现 作为音响系统中的放大设备 它接受的信号源有多种形式 通常有话筒输出 唱机输 出 录音输出和调谐器输出 它们的输出信号差异很大 调谐器的输出电压可达数百毫伏 而有些话筒输出仅为 1 2mV 对于唱片输出 由于录制工艺要求和减少录制噪声的影响 所以美国唱片工业协会 RIAA 规定了统一的录制频率特性 故在设计唱片放大器时 为 使各频段信号回复到原来的面貌 要对放大器的频率特性作相应处理 即所谓 均衡 这 样的放大器称作均衡放大器 为了满足听众对频响的要求和弥补扬声器系统的频率响应不足 设置了音调控制放大 器 希望其调节特性能达到国际通用标准 为了充分地推动扬声器 通常音响系统中的功 率放大器能输出数十瓦以上功率 而高级音响系统的功放最大输出功率可达几百瓦以上 对功率放大器的要求是输出足够大功率 效率高 非线性失真少 输出与负载相匹配等 集成功率放大器通常有 OTL 和 OCL 两种电路结构形式 OTL 功放的优点是只需单电源供电 缺点是输出要通过大电容与负载耦合 因此低频响应较差 OCL 功放的优点是输出与负载 可直接耦合 频响特性较好 但需要用双电源供电 根据教学内容及其设计要求 本实验将不包括话筒放大器和均衡放大器等内容 而只 涉及音调控制放大与功率放大 如图 12 1 所示 四 单元电路分析四 单元电路分析 1 音调控制放大器 音调控制放大器的作用是实现对低音和高音的提升和衰减 以弥补扬声器等因素造成 的频率响应不足 技术指标通常为 低音 100 Hz 12dB 高音 10 kHz 12dB 由 此可画出音调控制放大器的控制特性如图 12 2 所示 目前的高级音响设备大多已采用 多 频段频率均衡 电路来达到更好地校正频响效果 常用的音调控制电路有衰减式音调控制电路和反馈式音调控制电路两类 由于后者失 真较小 所以应用较广 本系统采用反馈式音调控制电路 如图 12 3 所示 反馈式音调控制放大电路是由一个音调控制网络和运算放大器 A 所组成的负反馈放大 器 其中 RW1和 RW2是分别调节低音和高音的两个电位器 调节这两个电位器可以调整该电 路的负反馈系数 从而改变放大器的幅频特性 以达到音调控制的效果 为了叙述方便 若选取 R1 R2 R3 R RW1 RW2 9R RW2 R4 C1 C2 C3 C4 且 C1 C3 则可获得如图 12 4 所示的全频段高低音提升和衰减曲线 当低音调节电位 器 RW1滑向 A 点时 实现低音提升 当 RW1滑向 B 点时 实现低音衰减 其中 2111 11 11 2 CRCR f WW LL 221111 22 1 1 2 CRRCRR f WW LL 低音最大提升量 1 12 max R RR A W vL 低音最大衰减量 11 2 min W vL RR R A 当高音调节电位器 RW2滑向 C 点时 实现高音提升 当 RW2滑向 D 点时 实现高音衰减 其中 4434 11 3 1 3 1 2 CRRCRR fH H 4434 22 11 2 CRCR fH H 高音最大提升量 4 4 max 3 R RR AvH 高音最大衰减量 4 4 min 3RR R AvH 在21 LL ff 和 21 HH ff 之间 曲线是按 6dB oct 斜率变化 假设给出低频段 LX f 处和高频段HX f 处的提升量 且 21LLXL fff 21HHXH fff 则有 dB dB LXL ff 6 2 2 提升量 dB dB HHX ff 6 1 2 提升量 有关上述公式的推导 请参阅相关参考资料 2 功率放大电路 对于功率放大电路 除了输出功率应满足技术指标外 还要求电路的效率高 非线性 失真小 以及输入端与音调控制放大器相匹配 输出端与音箱负载相匹配 否则将会影响 放音效果 与负载匹配主要指三个方面 即阻抗匹配 功率匹配和阻尼系数匹配 功放电 路的选用和设计也是很有讲究的 例如应尽量采用无瞬态互调失真的晶体管放大电路或集 成电路 最好采用全对称型的互补电路并且有良好的开环技术指标 补偿电路不宜采用过 大的滞后电容 大环路的反馈量不应太大 以及一些必要的保护电路 当前的集成功放电 路已经几乎把这些要求都考虑在内了 目前各大公司的音响系统集成功率放大电路芯片 都已形成了自己的系列产品 输出 功率从零点几瓦到 100 瓦以上 频带宽度一般在 40 Hz 15 kHz 谐波失真小于 1 0 3 内部具有完善的保护电路 开环增益为 50 dB 90 dB 这些产品的外围电路大多 已定型 只有少量