语音放大器的设计

1、山 东 大 学课程设计题 目 语音放大器的设计与制作 信息科学与工程 院（系） 电子信息工程 专业课程名称 电子线路课程设计 语音放大器的设计与制作一 设计任务设计一个语音放大器及音量显示装置，要求具有音调输出控制功能，并能够对话筒或放音机的输出信号进行扩音，并自制稳压电源 。组成框图如下：二 主要技术指标（1）功率放大器设计指标（A）额定功率（B）负载阻抗 ；（C）频率响应（D）音调控制特性 1kHz处增益为0dB，100Hz处和10kHz处有的调节范围，；（E）话筒的输出电压为5mV，放音机等其它信息源的输出电压为100mV。（F）输入阻抗（2）音量显示装置要求分为六级显示，由五个发光二极

2、管实现，五个管均不亮时输出电平最低，五个管全亮时输出电平最高。（3）稳压电源自行设计并制作稳压电源。三 主要元器件及简介运放LM324；功率放大器TDA2030，三端稳压器、二极管、喇叭（8/4W），音频输入接口、微音器、电阻、电容若干。1. 运放LM324LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0 V或高达32 V的电源电压，静态电流是MC1741的五分之一左右（每个放大器）。共模输入范围包括负电源，因此在众多应用中无需外部偏置元器件。输出电压范围也包括负电源电压。主要特性：短路

3、保护输出 真正的差分输入级 单电源供电：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A） 低输入偏置电流：100 nA最大值（LM324A） 每个封装有4个放大器 内部补偿 共模范围扩展至负电源 行业标准的引脚分配 输入端的ESD钳位提高了可靠性，且不影响器件工作 提供无铅封装使用LM324作为电路的放大器能够满足实验要求2. TDA2030TDA2030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、谐波失真和交越失真小等特点。并设有短路和

4、过热保护电路等，多用于高级收录机及高传真立体声扩音装置。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。电路特点： 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、过热、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）、负载泄放电压反冲等。四 电路的分析与设计本电路的最终功能是将驻机式话筒的信号或手机的音乐信号放大并通过喇叭播放出来前面已经介绍过TDA

5、的最大输出功率可达18W，本电路要求输出功率在5W左右（喇叭功率允许的情况下）。假设手机输出信号的有效值为100mV，驻机式话筒的输出信号有效值为5mV，要是输出信号为5W，由Pomax=Uomax22Rl (1)可得最大输出电压约为9V，考虑到TDA的特性，取电源为±12V。下面考虑各级放大倍数。话筒输出输出信号为5mV，为了能够与手机音乐信号共同使用同一个前置放大器，应该将这个信号调整到音乐信号的同一数量级，所以微弱信号放大器的放大倍数为 Au1=1005=20 (2)在不考虑音调调节电路放大倍数的条件下，前置放大器和功放的放大倍数为：Au2Au4=90.1×2= (3

6、)在这里，不放取Au2=5.7，Au4=11。下面详细介绍各级电路的设计与仿真结果：1. 微弱信号放大器微弱信号放大器的放大倍数为20倍，由于信号来自话筒，为了更好的获取信号，应该将放大器的输入阻抗设计的尽可能大，这里不放采用两级电路实现微弱信号的放大，第一级为跟随器，提供一个大的输入阻抗；第二级为一个20倍的同相放大器，电路如下所示：上图中，U1A构成前置跟随器，C2为级间耦合电容，用于滤除信号中的直流分量，第二级是一个放大倍数为R3/R2+1=21的同相放大器，R2，R3构成反馈回路，R4为平衡电阻。当微音器是峰值7mV的正弦波是输入输出信号波形如下图所示：由波形图可得，放大倍数大约为20

7、倍，符合要求。2. 前置信号放大器前置信号放大器用于放大手机输出音乐或微弱信号放大器输出的信号，前面分析已经得到放大倍数为5.7倍，电路图如下图所示：图中C4，C8为耦合电容，用于滤除信号中的直流分量，R5,R6构成反馈回路，决定电路的放大倍数为R5/R4+1=5.7；R8为平衡电阻；R9为音量调节电阻，通过调节电位器的抽头位置，可以改变输出信号的大小。给该电路输入一个有效值为100mV的正弦波时，信号波形如下所示：由图可得，放大倍数约为5.7倍，符合设计要求。3. 音调调节电路常用的音调控制电路有三种：第一种是衰减式RC音调控制电路，这种电路的优点是调节范围较宽，但却容易产生失真；第二种是反

8、馈型音调控制电路，这种电路的调节范围小一些，但失真也小；第三种是图示式频率均衡器，这种电路较为复杂，一般用在高档收录机和音响设计中。为了使电路简单且失真小，多数音调控制电路都采用第二种形式，即反馈型音调控制电路。其原理电路如图4.2.1所示。它的增益为 4.2.1 图4.2.1 反馈型音调控制电路原理图根据信号不同，图中的、的阻抗也各不相同，所以增益将随着信号频率的改变而改变。如果、所包含的RC元件不同，就可以组成四种不同形式的电路，如图4.2.2所示。图4.2.2 四种等效形式的反馈型音调控制电路 图（a）所示电路中，电压增益的表达式为 ， 4.2.2 由式4.2.2知，若C的取值较大，则只

9、在频率低时起作用，因为当信号频率在低频区时，越低，则越大，增益越高。所以可以得到低音提升。 图（b）所示电路中，电压增益的表达式为 ， 4.2.3 由式4.2.3知，若C的取值较小，则只在频率高时起作用，因为当信号频率在高频区时，越高，则越小，增益越低。所以得到了高音衰减。图（c）所示电路中，电压增益的表达式为 ， 4.2.4由式4.2.4知，若C的取值较小，则只在频率高时起作用，因为当信号频率在高频区时，越高，则越小，增益越大。所以得到了高音提升。 图（d）所示电路中，电压增益的表达式为 ， 4.2.5 由式4.2.5知，若C的取值较大，则只在频率低时起作用，因为当信号频率在低频区时，越低，

10、则越大，增益越低。所以可以得到低音衰减。若将上述四种电路综合起来，可以得到反馈型音调控制电路如图4.2.3所示。 图4.2.3 反馈型音调控制电路设计方法根据要求，本设计的频率特性为高、低音提升，中音衰减，其特性曲线与图4.2.10的上半部分类似。（1）在信号低频区(1)确定转折频率电路的带宽在之间，已知和处的提升和衰减量，根据式4.2.17和4.2.18可求得 ， ， Ø 确定和的值 因为运放的输入阻抗很高，一般，所以和选用100k的电位器。Ø 根据式4.4.7和4.4.8可以求得 Ø 根据式4.4.13可以求得 取 Ø 耦合电容的计算由于在低频时音调

11、电路的输入阻抗近似为，所以要求耦合电容满足： 需要说明的是，在高频、低频提升和衰减的幅频特性曲线（图4.4.10）中，为中音频频率，要求增益；为低音转折频率，一般为几十赫兹，为中音转折频率； 为中音转折频率，为高音转折频率，一般为几十千赫兹。根据要求可以设计出如下图所示的电路：该电路的波特图如下所示：基本符合要求。4 功放电路查阅TDA2030的手册可得到如下图所示的典型电路图：本设计采用双电源供电，根据前面的分析，功放具有11倍的放大倍数，电路如下图所示：图中C14为耦合电容，用于滤除直流分量，C3，C13，C11，C12为电源退耦电容，防止功放自激；D1，D2两个二极管是保护二极管，当电源

12、接反是可防止功放被烧坏；R23，R27构成反馈回路，并决定放大倍数为：5.1/0.47=11,；R25,C15构成极点补偿电路；R26代表阻抗为8欧姆的喇叭。给电路一个信号时，电路能将信号放大：由信号波形可以看出信号在幅值为9V伏时没有出现失真，因此能够达到要求。5. 音量显示电路音量显示电路的基本原理是先采集瞬时音量的大小，然后根据采集信号的大小控制led的状态，实现音量显示的功能，原理与AD转换器类似，参照并行比较AD转换器原理可以设计出以下电路：图中运放UA6构成一个跟随器，跟随器的输入电阻极大，从功放输出端采集信号时不会影响喇叭放音；D3，C1,R7构成峰值保持电路；R28R32分压，

13、产生比较器的参考电压；U8，U9构成比较器根据输入电压与参考电压的大小关系决定是否点亮led；led直接与运放的输出端连接，由于LM324内部有输出限流电路，所以即使LED两端电压较高，也不会被烧坏。6. 电源电路本设计中使用正负12V的电源，输出功率不大于5W，三端稳压器L7812，L7912的输出电流可达1A，因此使用它们足以为电路供电。利用L7812和L7912构成的正负12V双电源的典型电路如下图所示：由于稳压管本身有一定压降，并留出一定裕量，采用220V/36V的交流变压器变压；D1为整流桥，用来实现交流电的全波整流；C1，C2为滤波电容；为防止由输入引线较长而带来的电感效应所产生的

14、自激振荡以及减小波纹，在稳压芯片的输入端并联两个小电容（104）；为进一步减小输出脉动和低频干扰，在稳压芯片的输出端并联一个较大的电解电容；为减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰，在稳压芯片的输出端并联一个较小的电容；当输入端意外短路时，给输出端电容一个放电通路，防止电容两端电压作用于芯片调整管的be节，造成调整管be节击穿而损坏，可在稳压芯片的输出输入之间接一个二极管；D4，D5构成电源指示电路，电源工作时，LED被点亮。7. 整体电路图（不包含电源部分）五、实验步骤 （测试结果分析，调试过程）1电路设计步骤 （1）确定整体方案根据设计要求，确定各单元电路的方案， 采用集成电路器件设计，

15、根据公式计算电路的元件参数。（2）系统总原理图各单元电路图和整体电路图（见上）。 2安装焊接调试按照电路原理图焊接电路板，一级一级地焊。焊接时应注意安全，同时要保证焊接的质量。最后引出五根导线（分别作为+12V、-12V、地线、喇叭的接口（喇叭为了方便友引出一根地线）。（1）前置放大器的组装与调试1.静态调试：调零和消除自激振荡。2.动态调试：测量电路的带宽、输入电阻等指标。（2）有源滤波器的组装与调试1.静态调试：调零和消除自激振荡。2.动态调试：测量电路的带宽、电压增益等指标。（3）功率放大电路的组装与调试静态调试：不接输入，观察输出有无振荡来进行静态调试。3系统联调（1）前置输入对地短路，测量输出噪声电压。（2）输入频率为1KHz的正弦信号，改变Ui幅值，用示波器观察Uo的波形，记录输出最大不失真幅值及所对应ui的变化范围。（3）测量上限截止频率、下限截止频率和电压放大倍数等指标。4试听系统的联调与各项指标测试完毕之后，输入mp3音乐信号，用扬声器代替RL，从扬声器中即可传出美妙的音乐声。接入麦克后，输出语音。 从效果看，应该是音质清楚、无杂音、音量大，电路运行稳定为最佳设计。5实验中所遇到的问题及解决方案 我们第一次遇到的问题是有关电路设计，我们首先在multism中进行了仿真，但是不管怎么调试，输出的语音信号都会失真，通过查阅一些资料，我们加了一