模电课设音响放大器讲解

1、音响放大器的设计与仿真实现一、实验方案1.1电子混响采用MN3200系列电子混响延时器MN3200系列芯片在市场上易购得且价格便宜，尽管需要的元件多些。相比之下， 方案一的实践操作性更好，选择方案一更为合理。1.2主要部分的设计方案方案选择方案一：话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级各用一个UA741，功率放大级用LA4102。方案二：话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个LM324功率放大级用LA4102。比较选择：由于多级放大各级信号会互相产生干扰， 合理布线，把级与级间的距 离拉大是减小信号干扰的好方法，此时方案一是个不错的选择，但每一级各用一 个UA741电路元件增多

2、，电路板面积就会增大，不但不美观也不经济。方案二 中LM324是四运放集成电路，电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用， 价格低廉、放大效果好，话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一 个LM324电路元件少，占用电路板面积小，不仅美观而且经济。二、单元电路的设计与参数计算2.1话音放大电路的设计由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kQ （亦有低输 出阻抗的话筒如20Q, 200Q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。电路原理图，电压放大倍数Av仅由外接电阻R11和R12决定：Av=1+R1

3、2/R11按要求该级的放大倍数 Av =8.5，器电路原理图如图2.1所示75kQ图2.12.2混合前置放大级Av = (V1R22/R21+V 2R22/R23)R2C2 1话筒 V1R2 110u F 10KC2 3“ 门录音机Ui1_R2 3430K10u FUo根据整机增益分配可知，要使话筒与录音机输出经混响级后的输出基本相等，要求 R22/R21=3, R22/R23=1,所以选择 R22=30K R21=10K R23=30K耦合 电容C21、C22, C23采用10uF的极性电容。2.3音调控制器音调主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图2.3.1中折 线所示2

4、0dB/10 倍频A v /dB20172017图中，fL1表示低音频转折频率，一般为几十赫兹；fL2（等于10fL1）表示低音频 区的中音频转折频率；f0 （等于1kHz）表示中音频率，要求增益 AV0=0dB fH1表示高音频区的中音频转折频率；fH2（等于10fH1）表示高音频转折频率，一般 为几十千赫兹由图可见，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频 的增益保持OdB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构 成。由运放构成的音调控制器，如图2.3.2所示。这种电路调节方便，元器件少, 在一般收音机、音响放大器中应用较多。下面对该电路原理进行分析。图2.

5、3.2中RP1是为低音调节，RP2为高音调节，通过运放LM324的负反馈， 实现高音和低音最大正负20dB调节。设电容 3= C2C，在中、低音频频区， C3视为开路，在中、高音频区，C1、C2视为短路。（1）当f f0时，音调控制器的低频等效电路如图 2.3.3所示。其中，图（a） 所示的为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况；图（b）所示的为 RP1的滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图（ a）所示的 电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为AjV0RPi R2 1 (j )/ 2Ri1 (j )/(2. 3. 1)式中，3 1=1/ ( RP1C2,

6、s 2= ( RP1+R2 / (RP1R2C)(b)(a)当fvfL1时，C2可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R4的影响可以忽略，此时电压增益A VLRP 1 R 2/ R 1(2.3.2)在 f=fL1 时，因为 fL2 =10fL1A V1( RP 1,故可由式2.3.2得R 2 ) / 2 R 1(233 )此时电压增益相对AVL下降 3dB。在f=fL2时,由式(1 1)得AV2RP1 R 21 jR1110 j模(234 )RP r2 V2R1100.14avl此时电压增益相对 AVL下降17dB。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,

7、最大衰减量为|扛|二_生_1 lrah RpfR：(2)对于高频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器，等效电路如图2.3.4R 1R 2RPV。图 2.3.4C3R3图(c)为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况；图(d)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(c)所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为A(j )；：Rb1j/3(2.3.5)Ra1j/4式中，31/ RaR3C3或f H11/ 2n RaR3C341 / R3C3或f H21/2R 3C 3当fvfHI ( fH2时，C 3视为短路，此时 电压增益：AVH = (Ra+

8、R3)/R3。同理可以得出图(d)所示电路的相应表达式， 其增益相对于中频增益为衰减量。根据音响放大器的设计技术指标，要使 AVL=AVIH20dB,结合AVL的表达式 可知，R1、R2, RP1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，RP1 最大只能取 470K, R1、R2取 47K,则 AVL=(RP1+R2)/R 1=11(20.8dB), C=1/2n RP1fL1=0.008uF,取标称值 0.01uF，即卩 C31=C32=0.01uF 又R仁R2=R4=47,则 Ra=3R4=30k,R3

9、=Ra/10=13k.C3取 470pF,由于在低音时，音调 控制电路输入阻抗近似为 R1,所以级间耦合电容可取 C仁C2=10uF2.4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，效率尽可能咼。13R6100nu4tnnrTTK20亠2Rk45L k 巳150nu5R koI-T20R1O51nuR:3. .Ml Ml 卜 IM M 卜 Ml iM IM , IM Ml “ M Ml 54图 2.4.1功放的核心是LA4102,图2.4.1所示的为LA4102的内

10、部电路。图242RF 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 Avf1R11 /RfR11 / Rf（2姑）由其内部电路知R1仁20K按性能指标AVF=30咅，所以RF应取650Q。CB为相位补偿电容。CB般取几十皮法至CB减小,带宽增加，可消除高频自激。+12* F FC470 F/25VRl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，

11、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。综合有关资料可按电路图243中各元件的参数选择 各元件参数。2.5电子混响延时器电子混响延时器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起 来具有一定深度感和空间立体感。模拟混响延时电路的组成框图如下4-3图所示。其中电路BBD称为模拟延时器，器内部有由场效应管构成的多级电子开关和 高精度存储器。在外加时钟脉冲作用下，电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行采样、 保持并向后级传递，从而使 BBD的输出信号相对于输入信号延迟一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延时时间越长。BBD配要有专业专用的时钟电路，例如，M

12、N3102寸钟电路与MN320C系利的BBD配套。电子混响延时器产生电路其优点是，在一个音响电路中可以产生很好的音响 混合效果，使音响发出来的声音具有动听悦耳的效果。缺点，在这个过程中失真度相对而言会加高，同时在电路方面还要配带自己已经所定的延时时钟电路。在电路方面也比较复杂，在电路调试方面带来很多不好的地方。 所以本次设计中不 采用延时放大器。而是通过一个 RC低通滤波器来提高音量，经过一些简单的电 路来达到混响的效果。其框图如图 2.5.1所示。三、单元电路的仿真3.1话音放大电路的仿真按图3.1.1连接好电路，根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值，便 将其保存成电路文件。图 3.

13、1.13.1.1输出波形测试其仿真波形图如图3.1.1所示输入波形:输出波形:.(lDtvnii0 Sfl*nqi乐41门的阿吟気号IlmH4 (MtmvQOl图 3.1.13.1.2动态指标Av的测试在电路的输入端输入信号频率为1Khz的正弦波，调整输入信号的幅度，使输 出电压Vo不失真，讲测试结果填入下表，并与理论值比较表3-1语音放大器放大倍数的测试结果R/Rf /Vi /mvVo/mvRfAv1-R7Av Vo /Vi （实测）10k75k542.4638.58.49261084.9418.494120169.8778.49435结论：仿真实测值与理论值基本相符3.1.3幅频特性的测量

14、将频率特性测试仪接入电路，根据上，下限频率 fH，fL的定义，当电压放大倍数的幅值20log | AvI下降3dB时所对应的频率即为电路的上，下限频率，将从测试结果填入下表话筒放大器的频率上下限测试话筒放大器上，下限频率的测试结果频率fHfL测量值9557KHZ19.453Hz3.2混合前置放大器3.2.1电路设计按图3.2.1连接好电路，根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值, 便将其保存成电路文件。0131SV图3.2.1混合前置放大电路仿真图幅频特性的测量：特征频率特性测试仪接入电路，根据上，下限频率fh, fl的定义，当电压放大倍数的幅值下降3dB是所对应的频率几位电路的上，下限

15、频率，讲测试结果填入 表 3-2-2图3.2.2混合前置放大器的频率下限测试图3.2.3混合前置放大器的频率上限测试表3-2-2混合前置放大器上下限频率的测试fHfL测量值201.132KHZ2.412Hz3.3音调控制电路3.3.1电路设计按图3.3.1接好电路，根据设计确定电路中电阻和电容的具体数值，并将其保存成电路文件。EZ! 十 I卜图331音调控制电路仿真电路图（2）音调控制特性的测量：低音衰减与提升：将高音提升与衰减电位器PR2滑动端调到居中位置（即可变电阻器PR1的百分比 为50%，低音提升和衰减电位器 PR1滑头调到最左边（低音提升最大位置，即 可变电阻器PR1的百分比为100

16、% .调节信号发生器，使输出信号 f=40HZ,Vm=100mV调节电路中音量调节电位器 PR3使电路输出电压达到最大值，记录此时 PR3的数值和输出电压的幅值。PR3= 0 K _ Vom= 698.0mV 保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪接入电路，设置工作 频率的范围为40HZ-1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时C1 被短路，当F增大是，Vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处低 音部分的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。F=40HZ时，低音的最大提升量=17.004dB 将低音提升和衰减电位器 PR1滑动端调到最右边（低音衰减

17、最大位置，即可变 电阻器PR1的百分比为0%,重复（3）的步骤。（由于此时C2被短路，当f增 大时，Vo将增大。）F=40HZ时，低音的最大衰减量=-16.933dB图3.3.2音调控制器（低音提升最大位置）频率响应曲线图3.3.3音调控制器（低音衰减最大位置）频率响应曲线高音提升和衰减将低音提升与衰减电位器 PR1滑动端调到居中位置（即可变电阻器PR1的百分比 为50%，高音提升和衰减电位器PR2滑头调到最左边（低音提升最大位置，即 可变电阻器PR2的百分比为100% .调节信号发生器，使输出信号f=10KHZ,Vm=100mV调节电路中音量调节电位器 PR3使电路输出电压达到最大值，记录此

18、时 PR3的数值和输出电压的幅值。PR3= 0 KVom= 463mV 保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪介入电路，设置工作 频率的范围为10KHZ-1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时C2 被短路，当F减少时，Vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处高 音部分的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。F=10KHZ时，高音的最大提升量=13.274dB 将高音提升和衰减电位器 PR2滑动端调到最右边（高音衰减最大位置，既可变电阻器PR2的百分比为0%,重复（3）的步骤。（由于此时C2被短路当f减 少时，Vo将增大。）F=10KHZ时，高音的

19、最大衰减量=-12.78dB图3.3.4音调控制器（高音提升最大位置）频率响应曲线图3.3.5音调控制频率响应曲线3.4功放电路由于设计中采用集成功放实现功率放大， 但Multism10的元器件库中没有功 放集成块，所以，我们采用与LA4102工作原理相同的OTL功放，其电路如图3.4.1 所示。(1) 按上图连接电路，并将其保存为电路文件(2) 调试电路，是静态时 Vk=1/2Vcc在没有交流信号输入的情况下，调节可调电位器R2的大小，同时利用虚拟万 用表测试功放电路点K对敌直流电压，使其等于1/2VCC，记录此时所对应的 R2的大小。R2= 14k吐(3) 交越失真的观察在电路中将二极管D

20、1,D2端接，从输入Vi加入1KHZ的交流正弦信号，用示 波器观察输出电压Vo的波形，可以看到明显的交越失真。记录输出波形。图3.4.2交越失真波形(4) 最大不失真输出电压和输入灵敏度的测量在输入端Vi加入1Khz的交流信号，用示波器观察输出电压 Vo的波形，如输出 波形出现交越失真，调节电位器 R3.逐渐增大输入信号，测量最大不失真输出电 压Vom的大小，结果填入表3-4。图343最大不失真输出波形音响放大器输出额定功率所需的输入电压（有效值）称为输出灵敏度Vs。在输入端Vi加入1Khz的交流正弦信号，用示波器观察输出电压 Vo的波形。逐渐增 大输入信号，当输入电压达到最大不失真值 Vom时，此时所对应的输入电压的大 小（有效值），即为电路的输入灵敏度，将结果填入表 35.表3-4功放电路的输入灵敏度Vom( V)输入灵敏度Vs（ mV测量值4.336163.5电子混响延时器 其电路图如图3.5.1所示4TJ=$图 3.5.1四、元件清单元件序号型号主要参数数量备注Ra、Rb、R11，R21、1/4W, 10KQ各1个电阻R121/4W, 75KQ1电阻R22