音响放大器的设计

1、电子技术（综合）课程设计题目名称： 音响放大器的设计班 级：电气1302班学 号：姓 名：指导教师：吴建国日 期： 2015.6.27音响放大器的设计1 .设计任务和要求：(1)具有对话筒与录音机输出信号进行扩音、音调控制、卡拉 ok伴唱等功能。(2)主要技术指标：额定功率 po 1 w (了3%);负载阻抗 r=8q ;截止频率 fl =40hz, fh = 10khz;音调控制特性：1khz处增益为0db; 100hz处和10khz处 有±12db的调节范围；a"=心20db;话筒放大级输入灵敏度5 mv ;录音机的输 出信号电压为100 mv ；输入阻抗r »

2、;20qo (为了保证设计内容的多样性，技术指标 部分可另取值)。(3)主要器件：vcc=+9v ;话筒(低阻20q)电子混响模块一个；集成功放la4102 一只；集成运放lm324 一只(或na741 3只)；8c / 2w负载电阻rl一只；8c / 4w扬 声器一只。题目分析或内容摘要：这个音响放大器的设计过程为：首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技 术指标要求分配电压增益，然后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。只需给定电子混响器电路模块，需要设计的电路为话筒放大器，混合前置放大器， 音调控制器及功率放大器。根据题意吧且输入信号为5mv时输出功率的最大值为w,

3、 因此电路系统的总电压增益 人迂=jp丽/ui=566(55db),由于实际电路中会有损耗， 故取auz =600(55 6db),各级增益分配如图4所示。功放级增益 44由集成功放块决定， 取入4=100(40db),音调控制级在fo=lkhz时，增益应为1(0db),但实际电路有可能产 生衰减，取au3=0.8 ( 2db)0话放级与混合级一般采用运算放大器，但会受到增益带宽积的限制，各级增益不宜太大，取 au1=7. 5(17. 5db), au2 =l(odb)。2 .设计方案甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器图1前置放大电路框图它有吸引人的音

4、质。甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管 子始终工作在线性曲线内，晶体管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交 越失真等问题。甲类放大器始终保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬间升降能 迅速反映。因而输出功率发生急剧变化时，电源电流变化微乎其微。由这种强大的驱动 者来推动扬声器就能轻而易举的获得高保真的重放效果。为了能得到好的音质，在设计时, 我采用了前后级分离。前置低放和末级功放完全分离，甚至分开供电。电路的方框图如图 1所示。3电路组态与频响的关系经过一期的学习，我们学了各种放大电路及其组合形式。由于所选器件和组合形式的不 同，不可避免地要造成诸如输入阻抗

5、、频响、失真、信噪比等方面性能的指标差异，并 且最终以音质方面的差异体现出来。3.1组态与频响的关系选择电路时，我们希望其频响应尽量平坦宽阔，在整个音频范围内平衡度好。电路的转换速率和失真也相对低。通过第五章的学习，我们了解到晶体管cbe、ccb和co的反馈或分流效应，造成输入、输出信号中的高频分量减少，其中以 ccb的影响最大。高频信号经该电容反馈主生的“密勒效应”，相当于在放大器输出端并接了一个容量等于 cm(密勒电容)的电容。cm和ccb的关系是：cm=(1+kv)ccb(1)可以认为cm是影响放大器高频响应的主要因素。而耦合电容的容抗主要影响放大器低 频频响。这些因素与电路组态有关。3

6、.2共射-共基差分的频响3.2.1 共射-共基电路通过学习我们知道共基放大器由于基极交流接地， 集 电极电容ccb的反馈条件被破坏，ccb转化为co(共 基接地时晶体管的输出电容)。其影响比cm自然小 得多，而集电极与发射极之间的寄生电容基电路有很 好的高频响应。在音频放大电路中，共一般极小，管 子内部反馈的影响也小得多。所以共基电路不单独作 用，而是与共射或场效应管共源放大器直接耦合组成 共射-共基或共源-共基放大器。共射-共基差分电路如r 3lr 51 kr p1图2寸3共基差分1 .t1vbq 1qk 1 7 0 k 1 7 0v1.5k一 oouttt24 0r 5ui图2所示。这种放

7、大器取两种放大器之长而避其短，不仅有很好的高频响应和较高的增益，而且使共射管有恒定的uce。因t1有很高的输出阻抗，t3有很低的输入阻抗，所以t3可将 t1的电流变化转化成电压的变化。如图2示，这就为t1提供了恒定的uce。uce恒定, 可明显改善t1的b值线性度，避免了上下半周放大量不一致而导致的失真。所以共射 - 共基电路是一款性能优良的放大器。3.2.2共源-共基电路众所周知，场效应管具有输入阻抗高，动态范围大，噪声系数小且与工作电流基本无关 的特点。所以由场效应管和三极管组成的共源-共基差放电路在现代高保真放大器中应 用更为广泛。共源-共基差放电路3所示。3.3互补对称放大器的失真互补

8、对称放大器是用不同极性的放大器件 （n型或p型）构成的高保真放大器中最常用 的放大器。其结构有互补对称双管放大器和互补对称差分放大器两种。信号由不同极性 的器件分别放大后在其输出端合成。由于它们工作在对称放大状态，具有类似差分的特 性抵消失真中的偶次谐波，获得较低的失真度。鉴于此，我在这里用了沃尔漫电路。形 式如图4所示。+vcc.5 k o utr4r 520k口r6r 2q 3q 41 1 or 7j77ja 97 0o ut q r 8r9r 1 0rp1 1 kq 1k 17 0t2c 22 4 0t田1 1 k q2k 1 70十1.5 ko ut o *a 9 70 q o uta

9、ir 3ti.5 k 丁2 0k1.5 k -vcc共射-共基电路有诸多优点，在信噪比方面的表现 也不逊色。4功放优化设计4.1 dc化无大环路负反馈功放电路为消除非线性失真和抑制零飘，一般晶体管功放 的输出端与输入级之间加有大环路负反馈。研究表明，由于功放输出端信号会因为晶体管极 问电容的充电过程而被延迟，使输出信号相位滞 后于输入信号。加环路负反馈后产生 tim失真。图4沃尔漫电路虽然晶体管的极间电容很小，相移的影响主要表 现在高频段。但对波形前沿很陡的音频信号仍然 产生明显的影响。要避免tim失真，减少电路相移量的方法为治本之策。在功放电路中，输出级晶体管的极间电容最大，可达几百皮法上千

10、皮法。若使反馈环路 避开输出级，反馈信号的相移将会明显减少。tim失真也可明显改善。于是设计时可将反馈信号的提取点移至电压驱动级的输出端，使输出级不介入环路负反馈（即所谓无大 环路负反馈）。这样就缩短了反馈路经。使反馈信号的相移量尽可能小，同时又保留了 负反馈给电路带来的好处。输出级介入反馈，还可以防止感性负载（即扬声器）反向感 应电动势带入输入级，引起交叉调制失真。综合分析主电路部分如图5所示，音频信号经r1缓冲进入q1和q2组成的双差分输入电路。c10.1 ur4r5f.5 k=0k1.5 kp1r11t3a9709701170t211kq2k172rn9102240r62240r16t/

11、r1768pc10- outc1sr21 kr12c5c.4u%38414 n1d669d3q6j77c8 0.1 ur20470 outt8d667t9r80.1 u|1.5 k 120k .1.5 kr1300c 0.1 u7.5v d2-d66768pc9图5前置低放电路图和r2对输入信号中的图频干扰起到旁路的作用。r2作为输入电阻.q1、t1, q2、t2,q3、t3和q4、t4构成共射共基电路（也称沃尔漫电路）这种电路最显著的特点是 具有失真低、频响宽、增益高、线性好。r4、r6、rp1、r7、r9构成分压电路给t1、t2、t3、t4的基极提供 12v基极偏压。这样，q1q4四只结型

12、场效应管的漏极工作 电压只有11.3v （12-0.7）左右，保证了结型场效应管安全可靠地工作，这是因为结型场效应管的工作电压较低，不能直接工作在较高的电压下。rp1（b作输出级输出中点电位的调节）为输入电路静态电流的调节电阻，设计时输入级静态电流设定在1.4ma左右。 这样，r3、r8上产生2.1v压降作为下一级电路的偏置电压。电压放大级同样是由t5、t6、t7、t8构成共射一共基电路。d1、r16、d2为t6、t8 的基极供基准工作电压。调节 rp3将该级的电流设定在4.8ma左右，r36上电压降为 1.45v。正负半周的信号经t9 t13共射放大电路后由其集电极进入 t10、t12组成的

13、共 基电路，并从两 管的集电极输出，经 r37、r38缓冲送入q5、q6组成的末级电路。t7、 r17、 d3、rp3构成恒压电路，调节 rp3可以改变q5, q6两管栅极电位差，从而改变末级静态工作电流。c6、c7及输入级的c2、c3为高频退耦电容，减少了电源的调频内阻过大引起自激的可能。 关于末级管q 5、q6电流到底设计在多大，以前有 人作过探讨，结论是静态电流大于 80ma后，胆味才更浓郁。为了获得10w左右的功 率，本设计中将q5、q6的静态电流设计在80ma左右。如果想得到更大一点的功率， 我们可以改变末级功放的电源电压，把场效应管的漏极电流调到100ma左右。这样，不仅有大的功率

14、，而且有胆机的味道。场效应管属电压控制器件，栅极输入阻抗高，静 态电流调大时，会产生寄生振荡，解决的办法是在 q5、q6栅栅一漏之间并联c10、c9 来消除。r18、r21为末级管的源级电阻，当该级电流为 100ma时，其上的压降为2v 左右。r11、r12、r13、c4、c5组成电压反馈网络，这种反馈的特点是：通频带、转换速率 等指标最优（在该电路中）。r11、r13将整机的闭环电压放大倍数定在 10倍左右，这 也是前级电路常规的放大倍数设定方法。至于相位补偿电容c5的使用，有一个原则是能小则小，能不用则不用。c5的使用影响整机的转换速率，使整机的动态变软（c5在 这里可以不用，不会产生自激

15、）。电路特点：静态下没有噪音，噪声系数低，背景干净， 动态范围大，电路简单且易于集成，稳定性高。音频放大电路中均采用了高音频专用管， 使整机提高了信噪比。提高了转换速率且减少开关失真。推动管采用了 2sk214和2sj77 并将推动管的工作点调至最佳工作状态。有了优秀的功放电路，还得选择优质的元件来组装。功放的音质帮能有保证。正所谓“宝 马配金鞍”吧！胡乱地东拼西凑，忽略了对元件品质的要求，再优秀的线路相信也不一 定能出靓声。本功放对各部分元件的品质要求较高。总的来说，本机播放的音乐定位准确、平稳、乐器质感逼真、自然、动态范围宽，瞬态 响应讯速灵敏，干净利落。5.1音源切换电路tu r sw

16、-6 w ay图7切换开关i k2 bk5 b1k* 6t apera1/r-.lbj .k3 bk巨3 rca61g-lk4 baux23 rca21 0 k10 0k * 4125634|/t apeur-lur-r图6音源切换电路con6音源切换电路如图6所示。采 用小型继电器，最大限度地缩 短了小信号的传输路线，这也 是中高当功放电路常用的形式。通过固定在面板上的五挡切换开关， 控制五路继电器。所用继电器为直流通道12v, 直流电阻 700欧左右。继电器的+ 12v电压由稳压电源正端取出经集成稳压ic1(lm7812)稳压，供五路继电器和其它附属电路使用。图7是一个音源选择开关，它可以

17、固定在面板上。电源电路图8是该电路的电源电路。集成稳压电源 7812为音源选择电路提供12v电源。主电源 部分为前置放大电路提供土 31.5v的电压。5.3末级功放电路下面介绍末级功放的设计要求。在设计末级功放时，我们可以根据以下条件来选择。电源电压与晶体管的选择应根据：t2c 1 2(c 1 1ic 1图8电源电路0.1 f厂0.1 u1 0 0 u /2 5vlm 7 8 121 n 4 0 0 4+ 12 v+31. 5vc 1 c 11.8 kt41.8 kb 6 4 9 at11 00 0u/ 3 5v*c 9 4 5x1d 63 3v.a 7 3 3t3图8 电源电路图c- c 5

18、d 7=0. 1u* 2jc 6c 1 40.1 uic9c 1 50.1 u-3 1. 5 vvcc=(2)来确定。为了留有余量，实际电压值应比计算值高出35v。对输出管的要求:b 为 4080, ft > 20m , brceo>2vcc(3)icm >vcc/rlpcm=2 (0.05vcc2/rl) +vccic(4)(5)我们可以根据以上的公式来确定三极管的型号。如图 9所示，这是二级推挽射极接地功图9末级功放电路 末放。10w这个末级功放工作在甲类状态。三极管的 型号已在图9中标明。表1所示是它的一 些主要参数。当前面的低放管 q5、q6的 漏极电流& &

19、#177; 80ma时，图9所示功放输 出功率po:po=2*0.7*8(6)表1末级功放管的主要参数表三极管型号特征频率ftc-e间的击穿电压 brceoc最大充许电流icmc最大耗散功率pcm2sc5200ft30mbrceo>160vicm >15apcm>150w2sa1943ft30mbrceo >-160vicm >-15apcm>150w甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器, 在当今众多性能优良的放大器中，它仍有吸引人的音质。甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真， 且甲类放大器管子始终工作在线性曲

20、线内，晶体管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类 放大器始终保持大电流的工作状态。所以对猝发性声音瞬间升降能讯速反映。因而输出 功率发生急剧变化时，电源电流变化微乎其微。由这种强大的驱动者来推动扬声器就能 轻而易举的获得高保真的重放效果。5.4扬声器保护电路扬声器保护电路如图10所 示是一个三极管式正、负 向直流电压检测电路。对 其原理作简要说明。t3为正向直流电压检测器，t1、t4为负向直流电压检测器。正常时，t3基极电位为 0v, t1t4均截止，k1的常闭触点不动。当t3基极电位± 0.7v时，t1的集电极电 位约0.2v。t2饱和导通，k1吸合，断

21、开扬声器起到保护作用。ongsc ah95c 4to1lo20-kqw67a6b5 r1ml1为自制电感，仔心v57左7663dqb6d成 而 胎 脱7a6b76r6图路电总彳图，顺绕、反绕均可2.1 音响放大器的基本组成如图2.1。各部分电路的作用如下:扬声器图2.1音响放大器的组成图2.1.1 话筒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20kf）亦有低输出阻抗的话 筒（如20q, 20012等），所以话筒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。2.1.2 电子混响器电子混响器的作用是用电路模拟声音的多次反射，产

22、生混响效果，使声音听起来具有 一定的深度感和空间立体感。在“卡拉 ok”（不需乐队，利用磁带伴奏歌唱）伴唱机中，都带有电子混响器。电子混响器的组成如图 2.1.2a所示，其中bbd器件称为模拟延时 集成电路，内部由场效应管构成多级电子开关和高精度存贮器。在外加时钟脉冲作用下， 这些电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行取样、保持并向后级传递，从而使 bbd的输出信号相对于输人信号延迟了一段时间。bbd的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延迟时间越长。bbd配有专用的时钟电路，如 mn3102时钟电路与mn3200系列的bbd器件配套。电子混响器的电路如图 3 45所示，其中两级二阶（mfb）低通

23、滤 波器a,、a:滤去4khz（语音）以上的高频成分，反相器 a3用于隔离混响器的输出与输 入级间的相互影响。rpl控制混响器的输入电压，rp2控制mn3207的输出平衡以减小 失真，rp3控制延时时间，rp4控制混响器的输出电压。其实验电路如图 2.1.2b。2.1.3 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进行混合放大。其电路如图2.1.3所示一个反向加法uo = _ -fri rr2u2 (21)j式中 u1 话筒放大器输出电压;图2.1.3混合前置放大器电路，输出与输入电压间的关系为u2录音机输出电压。7输入了r箫n长丁器 as?卜厂摘出时

24、钟脓冲产生器 缓冲级 1 -图2.1.2a电子混响器的组成图图212b电子混响延时器实验电路3 .主要技术指标的测试方法3.1 额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值（如丫 <5%）时的最大功率称为额定功率，即pot（3.1）rl式中rl 额定负载阻抗；uo（有效值）- rl两端的最大不失真电压。测量po的条件：信号发生器输出频率f1=lkhz ,输出电压ui=20mv ,音调控制器的两个电位器rpl、rp2置于中间位置，音量控制电位器 rp3置于最大值，双踪示波器观 测ui及uo的波形，失真度测量仪监测 uo的波形失真。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

25、扬声器），输入端接ui,逐渐增大输入电压 ui,直到uo的波形刚好不出现削波失真（或t<3%）,此时对应的输出电压为最大输出电压， 由式（4.1）即可算出额定功率po,请注意，最大输出电压测量后应迅速减小ui,否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。3.2 频率响应放大器的电压增益相对于中音频率fo（1khz）的电压增益下降3db时所对应的低音频率，和高音频率 八 称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：话筒放大器的输入端接ui=20mv,输出端接音调控制器，使信号发生器的输出频率fi从20hz50khz变化（保持ui=20mv不变）

26、，测出负载电阻rl上对应的输出电压uo,用半对数坐标纸绘出频率响应曲线， 并在曲线上3.3 音调控制特性ui（=100mv）从音调控制级输入端耦合电容加入，uo从输出端耦合电容引出。先测lkhz 处的电压增益au（ = 0db）,再分别测低频特性和高频特性。测低频特性：将 rp1的滑臂 分别置于最左端和最右端时，频率从 20hzlkhz变化，记下对应的电压增益。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（150）khz变化，记下 对应的电压增益。最后绘制音调特性曲线，并标注 fl1、fx、fl2、f0（1khz卜fh1、3 0 317 20fh 2等频率对应的电压增益。a

27、v /db20 17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0db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。频率； 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；f0 （等于1khz）表示中音频率，要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求增益 av0=0db 。音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成rpir2设电容c1=c2>>c3,在中、低音频区，c3可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音 频区，c1、c2可视为短路，作为

28、高通滤波器。3.4 输入阻抗从音响放大器输入端（如话筒放大器输入端）看进去的阻抗称为输入阻抗 rio如果接高阻 话筒，ri应远大于20kq 。接电唱机，ri应远大于500kq 。 ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。3.5 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。测量条件与额 定功率的测量相同，测量方法是，使ui从零开始逐渐增大直到uo达到额定功率值时对 应的电压值，此时对应的ui值即为输入灵敏度。3.6 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 un。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

29、示波器观测输出负载rl的电压波形，用交流电压表测量其有效值。3.7 整机效率p “=x100%(37)巳式中po输出的额定功率；pc输出额定功率时所消耗的电源功率。设计一音响放大器，要求具有电子混响延时，音调输出控制、卡拉 ok伴唱，对话筒 与放音机的输出信号进行扩音。4 . 4设计内容这个音响放大器的设计过程为：首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后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。 只需给定电子混响器电路模块，需要设计的电路为话筒放大器，混合前置放大器，音调 控制器及功率放大器。根据题意要求，输入信号为5mv时输出功率的最大值为 w 因

30、此电路系统的总电压增益aug = <popl /ui=566(55db),由于实际电路中会有损耗，故取aug =600(55 6db),各级增益分配如图4所示。功放级增益au4由集成功放块决定，取au4=100(40db),音调控制级在fo=lkhz时，增益应为1(0db),但实际电路有可能产生衰减，取au3=0.8 (2db)。话放级与混合级一般采用运算放大器，但会受到增益带宽积的限制，各级增益不宜太大， 取 au1=7. 5(17. 5db), au2 =l(odb)。音调级功放级右 iporn 4 3v0.8倍 q 30倍-2db295db话故级混航.5晒 一41142ml 仆 1

31、25mvq&5倍r3倍p18 5db9.5dbay6l2 ffi(56db)图4整机电路的级数图4.1 功率放大器设计由于采用集成功率放大器，电路设计变得十分简单，只要查阅手册便可得到功放块外围电路的元件值，如图4.1所示其功放级的电压增益 au4为aui1=rii / rf =100如果输出波形出现高频自激（叠加毛刺），可以在脚与（14）脚之间加0. 15仙f的电容4.2 音调控制器（含音量控制）设计音调控制器的电路如图 4.2所示。运算放大器选用单电源供电的四运放lm324,其中rp33称为音量控制电位器，具滑臂在最上端时，音响放大器输出最大功率。转折频率九2及口fl2=flx -

32、 2x/6=400hz九尸 fl2/10=40hz fh1= 3 . 2x/6=2.5khzfh2=10 fh1=25 khzr31、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。一般取几千欧至几百千欧。现取rp3,=470kq, rs, r31=r32 =47kq, wjaul =(rp31+r3z)/r31=1+rp31/r31=11(20. 8db) 可得fl1=1/2tt rp3lc32贝uc32=1=0.008 仙 f2二 rp31fli取标称值 0. 01 仙 f,即 c31=c32=o. 0l p fra =

33、 rb = rc=3 r1 =3 r2 =3 r4auh =( ra+r3)/r3>20dbr34=r31=r32=47kq ra=3r4=141kq可得fh2=1/2 二 r3c3r33=ra/10=14. 1kq 取标称值 13kq则 c33=490pf 取标称值 510pf2 二 r33 fh 2取 rp32=rp31=470kq , rp33=10kq ,级间耦合与隔直电容 c34=c35=10 叱 f。o+9v图4.1功率放大器的实验电路图r31rp31r3247k'1470k'.147k'.14 c31_ 0.01 jftc320.01fvi100午nu宓10k j17 lm324+ 9v4a10111k8c35rp3310kc41vo图4.2音调控制