语音放大器实验报告

电子信息工程学院实验报告语音放大器一实验目的（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UID10MV；输入阻抗RI100K。（2）有源带通滤波器带通频率范围300HZ3KHZ；增益AU1。（3）功率放大器最大不失真输出功率POM1W；负载阻抗RL8。（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LM324芯片中集成4个运算放大器TDA2030TDA2030A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47、51K、56K、10K、12K、100K、191K、200K变阻器电容001UF、01UF、100UF喇叭8、2W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UIUO_C1R1R5R3R2RW1R4A1A2001F1K10K51010K100K1K带通滤波器UIUO_C1C4C3R1R2C2R6R5R4R3R8R7A1A2001F001F10NF10NF100K10K51051047K47K10K100K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10MV50MV，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（300HZ3000HZ）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）（1）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。IDUI输入信号10MV，输入阻抗R10K。2UA1总INPUTOUTPUT前置放大电路电路图仿真图（2）RC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27KHZ（300HZ3000HZ），理论能够抑制低于300HZ和高于3000HZ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16010PKVMKHZ滑动变阻器为，输入，频率365UA仿真图INPUTOUTPUTRC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16PVKHZ输入，频率9850931OUIARC二阶有源带通波电路仿真波形图（上截频）13PVKHZ输入，频率4079OIURC二阶有源带通波电路仿真波形图（下截频）130PVHZ输入，频率42750OIU7（3）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，PO18WRL4。3采用超小型封装（TO220）,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（VSMAX12V）以及负载泄放电压反冲等。6TDA2030A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，THD01。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。引脚情况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。注意事项1TDA2030A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。TDA2030和TDA2040和TDA2050的详细参数TDA2030VSSUPPLYVOLTAGE1836VVIINPUTVOLTAGEVSVIDIFFERENTIALINPUTVOLTAGE15VIOOUTPUTPEAKCURRENTINTERNALLYLIMITED35APTOTPOWERDISSIPATIONATTCASE90C20WTSTG,TJSTOPRAGEANDJUNCTIONTEMPERATURE40TO150CPOOUTPUTPOWERD05GV30DBF40TO15,000HZRL414WRL89WTDA2040VSSUPPLYVOLTAGE20VVIINPUTVOLTAGEVSVIDIFFERENTIALINPUTVOLTAGE15VIOOUTPUTPEAKCURRENTINTERNALLYLIMITED4APTOTPOWERDISSIPATIONATTCASE75C25WTSTG,TJSTORAGEANDJUNCTIONTEMPERATURE40TO150CPOOUTPUTPOWERD05,TCASE60CF1KHZRL422WRL812WTDA2050VSSUPPLYVOLTAGE25VVIINPUTVOLTAGEVSVIDIFFERENTIALINPUTVOLTAGE15VIOOUTPUTPEAKCURRENTINTERNALLYLIMITED5APTOTPOWERDISSIPATIONTCASE75C25WTSTG,TJSTORAGEANDJUNCTIONTEMPERATURE40TO150CPORMSOUTPUTPOWERD05RL428WRL818W从以上的数值上看，TDA2030的稳定输出功率为1350MW，失真度（THD）为02，总输入噪声3V，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05，总输入噪声10V，功率带宽1496KHZ（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、实验结果及分析电路设计完成后，经NIMULTISIM10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500K）；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135W1W，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68MA，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由于仿真时所使用的NIMUTISIM10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相关参数，更改部分电路参数后，设计出了最终的功率放大电路。在按照原理设计出前级放大电路和二阶有源带通滤波电路后购买元件时，我们发现在设计图中采用的部分电阻和电容为非标准值，在市场中不容易买到。针对这一问题，我们没有去寻找特殊值的电阻，而是根据要求重新设计电路参数，尽可能使用标准值元件或用近似的标准值元件替代，经过仿真调试，设计出了最终的实验电路。九、元件清单LM324芯片中集成4个运算放大器2个TDA2030TDA2030A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。