语音放大器实验报告

电子信息工程学院 实实 验验 报报 告告 语语 音音 放放 大大 器器 小组成员 姓名姓名学号学号 孙耀中08211176 王彦斌08211177 宋洋08211175 2010 年 6 月 12 日 一 实验目的一 实验目的 1 掌握分立或集成运算放大器的工作原理及其应用 2 掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法 3 了解语音识别知识 4 通过实验培养学生的市场素质 工艺素质 自主学习的能力 分析问题 解决问题的能力以及团队精神 5 通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验 掌握模拟 电子电路的设计与调试方法 二二 设计任务与要求设计任务与要求 一 设计任务 1 已知条件 语音放大电路由 前置放大器 有源带通滤波器 功率放大器 扬声器 几部分构成 2 性能指标 各基本单元电路的设计条件分别为 1 前置放大器 输入信号 Uid 10mV 输入阻抗 Ri 100k 2 有源带通滤波器 带通频率范围 300Hz 3kHz 增益 Au 1 3 功率放大器 最大不失真输出功率 Pom 1W 负载阻抗 RL 8 4 输出功率连续可调 静态噪声 50mV 二 要求 1 选取单元电路及元件 根据设计要求和已知条件 确定前置放大电路 有源带通滤波电路 功率放大 电路的方案 计算和选取单元电路的元件参数 2 置放大电路的组装与调试 测量前置放大电路的差模电压增益 AUd 共模电压增益 AUc 共模抑制比 KCMR 带宽 BW1 输入电压 Ri等各项技术指标 并与设计要求值行比较 3 有源带通滤波电路的组装与调试 测量有源带通滤波电路的差模电压增益 AUd 带通 BW1 并与设计要求进行比 较 4 功率放大电路的组装与调试 测量功率放大电路的最大不失真输出功率 Po max 电源供给功率 PDC 输出效 率 直流输出电压 静态电源电流等技术指标 5 整体电路的联调与试听 6 应用 EWB 软件对电路进行仿真分析 三 实验仪器三 实验仪器 LM324LM324 芯片中集成 4 个运算放大器 TDA2030 TDA2030 TDA2030A 是德律风根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 1 所示 按引脚的形状引可分为 H 型和 V 型 该集成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 并具有内部保护电路 意大利SGS 公司 美国 RCA 公司 日本日立公司 NEC 公司等均有同类产品生产 虽然其内部电路略有差异 但引出脚位置及功能均相同 可以互换 电阻 电阻 4 7 7 5 1 k 5 6 k 10 k 12 k 100 k 191 k 200 k 变阻器 电容 电容 0 01uF 0 1uF 100uF 喇叭 喇叭 8 2w 其他 其他 音频输入插头 音频插座 驻极体麦克风 电路板 管脚座两个 导线焊锡若干 四 原理框图及实验原理图四 原理框图及实验原理图 1 实验总体电路 麦克 前置放大电路 RC 有源滤波器 功率放大电路 喇叭 实验电路图 2 各部分说明 实验设计的电路图 Ui Uo C1 R1 R5 R3 R2 RW1 R4 A1 A2 0 01 F 1K 10K 510 10K 100K 1K 带通滤波器带通滤波器 Ui Uo C1 C4 C3 R1 R2 C2 R6R5 R4 R3 R8 R7 A1 A2 0 01 F0 01 F 10nF10nF 100K 10K 510 510 4 7K 4 7K 10K 100K 功率放大器的电路图见课件 电路简易说明 前置放大电路由 2 个同向放大电路组成 如上所示 该电路具有输入阻抗 高 电压增益容易调节 输出不包含共模信号等优点 本电路主要起放大电压 幅度作用 宽带通滤波器 在满足 LPF 的通带截止频率高于 HPF 的条件下 把相同元 件压控电压源滤波器的 LPF 和 HPF 串接起来可以实现 BUTTERWORTH 通带响应 用 该方法构成的带通滤波器的通带较宽 通带截止频率易于调整 因此多用做测量 信号噪声比的音频带通滤波器 功率放大电路主要起放大电流的作用 其中 TDA2822 为集成功放器件 其 工作在甲乙类状态 静态电流在在 10mV 50mV 因此静态功耗很小 但动态功 耗很大 且随输出的变化而变化 五 设计思路五 设计思路 依照原理框图 输入端可采用麦克风和音频线路输入两种形式 声音通过 麦克风 或音频线路 输入前置放大电路 进行一次放大后输入二阶有源带通 滤波电路 对通频带 300Hz 3000Hz 以外的信号进行滤波 以消除杂音 最 后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路 进行功率放大后将声音通过扬 声器输出 六 单元电路设计与分析 含仿真图 六 单元电路设计与分析 含仿真图 1 前置放大电路 前置放大电路 前置放大电路采用集成运放 LM324N 构成两级放大电路 为增强对输入信 号的保持性 故两级放大电路均采用同相放大电路组态 放大电路的增益可以 通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的比值来调节 即 放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要 放大器本身的共模抑制 特性也同等重要 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 实验 中 实际设计放大倍数 20 至 400 倍 可通过电位器调节 id U i 输入信号 10mV 输入阻抗 R 100k 2UUU AAA 1总 Input Output 前置放大电路电路图 仿真图 仿真图 2 RC 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路 在滤波电路设计时采用 LM324N 设计了具有巴沃特特性的二阶有源带通滤 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 本实验设计 带宽 2 7kHz 300Hz 3000Hz 理论能够抑制低于 300Hz 和高于 3000 Hz 的 信号 电路图如下图所示 实际与前级放大电路使用同一 LM324N 的其余两 个运放 前级放大电路仿真波形图 160101 P P kVmVkHz 滑动变阻器为 输入 频率365 U A 仿真图 仿真图 Input Output RC 二阶有源带通滤波电路 RC 二阶有源带通波电路仿真波形图 11 6 P P VVkHz 输入 频率 1 985 0 9931 1 999 o U i UV A UV RC 二阶有源带通波电路仿真波形图 上截频 13 P P VVkHz 输入 频率 1 414 0 707 1 999 o i UV UV 0 707 RC 二阶有源带通波电路仿真波形图 下截频 1300 P P VVHz 输入 频率 1 421 0 7105 2 000 o i UV UV 0 707 3 功率放大电路 功率放大电路 功率放大的主要作用是向负载提供所需的功率 在信号不失真的前提下 要求输出功率尽可能大 转换效率尽可能高 我们在设计时采用了 TDA2030 作 为功率放大芯片 TDA2030 该集成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 并具有内部保护电路 利 用 TDA2030 作为功率放大芯片的电路特点如下 1 外接元件非常少 2 输出功率大 Po 18W RL 4 3 采用超小型封装 TO 220 可提高组装密度 4 开机冲击极小 5 内含各种保护电路 因此工作安全可靠 主要保护电路有 短路保护 热保护 地线偶然开路 电源极性反接 Vsmax 12V 以及负载泄放电 压反冲等 6 TDA2030A 能在最低 6V 最高 22V 的电压下工作在 19V 8 阻 抗时能够输出 16W 的有效功率 THD 0 1 无疑 用它来做电脑有源音 箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了 引引脚脚情情况况 1 脚是正相输入端 2 脚是反向输入端 3 脚是负电源输入端 4 脚是功率输出端 5 脚是正电源输入端 注注意意事事项项 1 TDA2030A 具有负载泄放电压反冲保护电路 如果电源电压峰值电压 40V 的话 那么在 5 脚与电源之间必须插入 LC 滤波器 二极管限压 5 脚 因为任何原因产生了高压 一般是喇叭的线圈电感作用 使电压等于电源的 电压 以保证 5 脚上的脉冲串维持在规定的幅度内 2 热保护 限热保护有以下优点 能够容易承受输出的过载 甚至是 长时间的 或者环境温度超过时均起保护作用 3 与普通电路相比较 散热片可以有更小的安全系数 万一结温超过 时 也不会对器件有所损害 如果发生这种情况 Po 当然还有 Ptot 和 Io 就被减少 4 印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦 因为这些线 路有大的电流通过 5 装配时散热片与之间不需要绝缘 引线长度应尽可能短 焊接温度 不得超过 260 12 秒 6 虽然 TDA2030A 所需的元件很少 但所选的元件必须是品质有保障 的元件 TDA2030TDA2030 和和 TDA2040TDA2040 和和 TDA2050TDA2050 的详细参数的详细参数 TDA2030 Vs Supply voltage 18 36 V Vi Input voltage Vs Vi Differential input voltage 15 V Io Output peak current internally limited 3 5 A Ptot Power dissipation at Tcase 90 C 20 W Tstg Tj Stoprage and junction temperature 40 to 150 C Po Output power d 0 5 Gv 30 dB f 40 to 15 000 Hz RL 4 14W RL 8 9W TDA2040 Vs Supply Voltage 20 V Vi Input Voltage Vs Vi Differential Input Voltage 15 V Io Output Peak Current internally limited 4 A Ptot Power Dissipation at Tcase 75 C 25 W Tstg Tj Storage and Junction Temperature 40 to 150 C Po Output Power d 0 5 Tcase 60 C f 1kHz RL 4 22W RL 8 12W TDA2050 VS Supply Voltage 25 V Vi Input Voltage VS Vi Differential Input Voltage 15 V IO Output Peak Current internally limited 5 A Ptot Power Dissipation TCASE 75 C 25 W Tstg Tj Storage and Junction Temperature 40 to 150 C PO RMS Output Power d 0 5 RL 4 28W RL 8 18W 从以上的数值上看 TDA2030 的稳定输出功率为 1350mW 失真度 THD 为 0 2 总输入噪声 3 V 功率带宽 120kHz 静态电流最大 9mA 因此 它是一款小功率低失真度低噪声宽带低功耗功率放大器 经过市场调查 TDA2822 的价格低廉 而且由于它是小功率芯片 还不用外加散热片 而 TDA2030 的失真度 THD 为 0 5 总输入噪声 10 V 功率带宽 14 96kHz 40Hz 至 15kHz 静态电流最小 40mA 从这几个性能方面 TDA2030 都存在一定优势 从设计要求来讲 运用其他功率放大器设计的语音 放大电路基本都可以达到输入电阻高 通频带 300Hz 到 3kHz 最大不失真输出 功率 1W 且输出功率连续可调的要求 但我们所采用的 TDA2030 功率放大器 与它们具有静态工作电流小 交越失真小 通带宽的优点 因此对实验条件的 适应性强 有利于整体电路的调试 因此 无论从符合题目要求上 还是从性能以及成本上 TDA2030 功率放 大器都应该是我们的首选 因此 我们选择了 TDA2030 作为功率放大器 七 实验结果及分析七 实验结果及分析 电路设计完成后 经 NI Multisim10 仿真验证原理无误 我们按照电路图 进行了实物焊接 焊接后的电路布局美观 功能完备 通过麦克风作为信号输 入 话音被明显放大 而且清晰可辨 通过前级放大电路中的滑动变阻器可改 变输出音量的大小 用音频线路输入插头接在 MP3 上 可将歌曲声音清晰放出 通过前级放大电路中的滑动变阻器可改变输出音量的大小 经测量 成品电路 达到了各项设计要求 输入阻抗为运算放大器的正负输入端之间的电阻 可视 为无穷大 约为 500 k RC 二阶有源带通滤波器增益近似为 1 通频带基本 处在 300Hz 到 3kHz 范围内 最大不失真输出功率为 1 35W 1W 且输出功率可 以通过改变功率放大器的电源电压调节 连续可调 功率放大器静态工作电流 为 6 8mA 各项指标都满足了设计要求 八 调试过程中的问题及解决方法八 调试过程中的问题及解决方法 由于仿真时所使用的 NI Mutisim10 仿真软件的元件库中没有我们需要的 TDA2030 功率放大器 因此我们无法对其构成的功率放大电路进行仿真 这对 这一问题 我们首先查阅了相关的元件手册和 PDF 文档 对 TDA2030 的性能 参数进行分析 通过书中提供的计算方法 确定了其他各项电路参数 设计出 了初步的电路图 然后 我们按照电路图先利用面包板连接了功率放大级 利 用示波器和函数发生器进行测试 依照实验结果并结合芯片