音响放大器课程设计

1、华北科技学院课程设计音响放大器设计目 录第1章.设计任务要求.2第2章.设计方案.3第3章.设计原理说明.53.1 音响放大器.53.2混响前置放大器.63.3音调控制器. .63.4功率放大器.12第4章.PCB制作. .15 4.1 PCB制作的操作说明.154.2 PCB制作的操作步骤. .15第5章.调整与测试. .165.1话筒放大器与混合前置放大器调试.165.2 音调控制器的调试.175.3 功率放大器调试. .20第6章.心得体会. . .23参考文献. . . .25附录. . . . .26附录1：元件清单. . . . .26附录2：电路原理总图. . . . .27附录

2、3：PCB图. . . . . .28第1章. 设计任务要求1.1设计要求音响放大器为四个模块：话音放大模块、音调控制器模块、前置放大模块和功率放大模块。1.2主要技术指标(1)负载阻抗 ；(2) 额定功率 ()；(3) 频率响应 fL=40Hz,fH=10kHz;(4) 音调控制特性 1kHz处的增益为0dB； 低音（100Hz）±12dB； 高音（10kHz）±12dB; (5) 输入阻抗 20k；给定条件：电源电压VCC=+9V，话筒低阻（20）的输出信号电压为5mV，录音机输出信号电压为100mV。1.3功能要求具有话筒扩音、音调控制 、音量控制、卡拉ok伴唱等功能

3、。 第2章.设计方案2.1 方案设计与论证本设计由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器五部分组成。此设计方案具有使用元件少，电路简单明了等特点。其工作原理如下：当语音信号由话筒输出后，进入语音放大器放大，放大后的信号连同录音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调控制器，然后进入功率放大器进行功率放大后，由扬声器输出声音。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，因此本设计采用晶体管件设计放大器。还可以配合来自声源特别是数码声源的音质而设计和使用。它不会使声音降级。此外它还具有效率高，电力损失小等优点。2.2

4、总体设计方案话音放大级录音机混合前置放大级音调控制器功率放大器扬声器 话筒话音放大级录音机混合前置放大级音调控制器功率放大器扬声器 话筒图2-2总体方案图2.3 音响放大器各部分的作用1. 话筒放大器：由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，所以话筒放大器的作用是不失真的放大声音信号，其输入阻抗应该远大于话筒的输出阻抗。2. 音调控制放大器：音调控制放大器的作用是实现对低音和高音的提升和衰减，以弥补扬声器等因素造成的频率响应不足2。3. 功率放大器：给音响放大器的负载提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真度尽可能小，效率尽可能打。功率放大器有常见的单电源供电

5、的TTL电路和正负双电源供电的OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。第3章.设计原理说明3.1语音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20k 亦有低输出阻抗的话筒，（如20 ，200 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。如图3.1.1 AvF=1+Rf/R2 （3.1.1）Ri=R1 (R1一般取几十千欧)耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取 C1 = C3 = (310）1/ 2pRLfL （3.1.2） 反馈支路的隔直电容C2一般

6、取几微法。图3.1.1语音放大器原理图3.2混响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。其电路如图所示3.2.2，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：V_0=-(R_F V_1)/R_1 +(R_F V_2)/R_2 （3.2.1） 上式中 ， V1为话筒放大器输电压 ，V2为录音机输出电压。图3.2.2混合前置放大器3.3音调控制器1.音调控制器主要是控制、调节放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图3.3.1所示，图中f0(等于1kHz)表示中音频率，要求Av0=0dB; fL1 表示低音频转折（或截止）频率，一般为几十赫兹；

7、fL2（等于10 fL1）表示低音频区的中音频转折频率; fH1表示高音频区的中音频转折频率；fH2（等于10fH1 ）表示高音频转折率，一般为几十千赫兹。 图3.3.1音调控制器理想的控制曲线由图可见，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0 dB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。由运算放大器构成的音调控制器，如图3.3.2所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录音响放大器中应用较多。下面分析该电路的： 设电容C1 = C2 >>C3 , 在中低音频区,C3 可以视为开路,在中高音频区,C1,C2 可视为短路。 ( 1)

8、.当f<f0 时，音调控制器的低频等效电路如图3.3.3所示。其中，图（a）为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图（a）所示电路是一个一介有源低通滤波器，其增益函数的表达式为： A（jw）= - × （3.3.1）式中 ，w1=1/（RP1C2）或 fl1=1/(2pRP1C2)，w2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或fl2 =(R1+R2)/(2RP1R2C2)(2).当f<fl1时，C2可以视为开路，运算放大器的反向输入端为虚地，R4 的 影响可以忽略，此时电压增益为：AVL =（RP1+R2）/R （3.3.2）图3.3.2音调控制电路图图3.

9、3.3低频等效电路（a）低频提升( 3) .在f=fll时，因为fl2=10fl1故可由式（3.3.1）得Av1= - 模 Av1=（RP1+R2）/R1此时电压增益Av1相对下降3dB。在f=fl2时，由式（3.3.1）得： Av2= - 。模 Av2 = - =0.14Avl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。音调控制器低频时的幅频特性曲线如图3.3.1中左半部分的实线所示。图3.3.3音调控制器的低频等效电路（b） 低频衰减(1)当f>f0时，音调控制器的高频等效电路如图3.3.4所示。图3.3.4音调控制器

10、的高频等效电路由于此时可将C1，C2视为短路，R4与R1，R2组成星型连接，转换成三角形连接后的电路如图3.3.5所示，其电阻的关系为： Ra=R1 +R4+( R1R4 /R2) Rb =R4 +R2 +（R4R2 /R） （3.3.3） Rc=R1 +R2 +（R2R1/R4）若取R1=R2=R4 ，则式（3.3.3）为： Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4图取的高频等效电路如图3.3.6所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最在最左端时，对于高频提升最大的情况：图（b）为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。图3.3.5电路等效如 图3.3.6高频等效电路（a）为高频提升

11、；（b）为高频衰减分析表明，图（a）所示电路为一价有源高通波器，其增益函数的表达式为A（jw）= （3.3.4）式中w=1/(Ra+R3)C3或fH1=1/ 2（Ra+R3）C3w4=1/(R3 .C3) 或fH2 =1/(2R3C3)与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。(2).f<fH1 时，C3视为开路，此时电压增益Av0=1(0dB)。在f=fH1 时 Av3=Avo此时电压增益相对于AV3相对于AV0提升了3d B。在f=f H2时AV4=10/AV0此时电压增益AV4相对于AV0提升17d B(3).当f > f H2时，C3 视为短路，此时电压增益 AV

12、H=（Ra+R3）/R3同理可以得出图（B）所示电路的相应的表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器高频时的幅频特性曲线3.3.1中右半部分实线所示。实际应用中 ，通过先提出对低频区（或）和(或()即 =. =/ 3.4功率放大器功率放大器(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,效率尽可能高,功率放大器的常见电路形式有OTL（单电源供电的互补推挽电路）电路和OCL（乙类双电源互补对称功率放大电路）电路,有用集成运算放大器(简称运放)和晶体管组成的功率放大器,也有专用集成电路功率放大器。

13、3.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图3.4.1所示，其中，运放为驱动级，晶体管T1T4级成复合式晶体管互补对称电路图3.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器3.4.2电路工作原理三极管T1、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。T3、T4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一只决定，即为PNP型。R4、R5、RP2及二极管D1、D2所组成的支路是两对复合管的基极偏置电路，静态是支路电流I0可由下式计算： I0=(2Vcc-2VD)/(R4+R5+RP2) （3.4.1）(3.4.1)式中，VD为二极管的正向压降

14、。为减小静态功耗和克服交越失真，静态时T1、T3应工作在微导通状态，即满足下列关系：VAB/VD1+VD2/BE1+VBE3 称此状态为有甲乙类状态。二极管D1、D2与三极管T1、T3应为相同类型的半导体材料，如图D1、D2为硅二极管2CP10，则T1、T3也应为三极管。RP2用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，一般采用几百欧姆或1KW电位器（最好采用精密可调电位器）。安装电路时首先应使RP2的阻值为零，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因RP2的阻值较大而使复合管损坏。R6、R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆至几百欧姆

15、，R8、R9为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为几欧姆。R10、R11称为平衡电阻使T1、T3的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。R12、C3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管T2、T4。R12、C3的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。一般R12为几十欧姆，C3为几千皮法至0.1mF。功放在交流信号输入时的工作过程如下：当音频信号Vi为正半周时，运放的输出电压Vc上升，VB亦上升，结果T3、T4截止，T1、T2导通，负载RL中只有正向电流iL，且

16、随Vi增加而增加。反之，当Vi为负半周时，负载RL中只有负向电流iL且随Vi的负向增加而增加。只有当Vi变化一周时负载RL才可获得一个完整的交流信号。静态工作点设置：设电路参数完全对称。静态时功放的输出端O点对地的电位应为零，即VO=0，常称O点为“交流零点”。电阻R1接地，一方面决定了同相放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为零，即V+=0。由于运放的反相端经R3、RP1接交流零点，所以V-=0。故静态时运放的输出Vc=0。调节RP1电位器可改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由I0决定，I0过小会使晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，I0过大会增加静态

17、功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取I0=1mA3mA，以使T2、T4工作电甲乙类状态。第4章.PCB制作4.1PCB制作的操作说明开始引入网络表生成网络表PCB系统设置修改封装与布局设置PCB规则存盘打印结束自动布线设计与绘之原理图手工调整布线图4.1 PCB生成流程图4.2 PCB制作的操作步骤据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制。对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。a. 据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单“create Netlist”即可；b. 网络表有也是原理图与印制电路板的接口；c. 规划电路板的结构，即确定电路

18、板的框架，设置系统参数；d. 引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；e. 引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线；f. 修改封装与布局，这是自动布线的前提；g. Protel 99 SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。基于形状的对角线自动布线技术；h. 自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；i. 存盘并打印；j. 结束。第5章.调整与测试实践表明，新安装完成的电路板，往往难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素，此外，电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。通过电

19、路板的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查出电路安装中的错误，然后采取措施加以改进和纠正，就可使之达到预定的技术要求。5.1话筒放大器与混合前置放大器调试1.  设计电路由话筒放大与混合前置放大两级电路组成。其中第一部分U1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路，其放大倍数Av1为                     Av1

20、=1+ Rf1/R2=6（15.6dB） （5.1.1）混合前置放大器的电路由运放U2组成，这是一个反向加法器电路，电压V02应按照之前原理中进行计算。话筒放大器的输出V01=Av1V11=30mV，所以取R9=Rf2。录音机输出插孔的信号V12一般为100mV，已经远大于V02的要求，所以对V12要进行适当衰减，否则输出会产生失真。取R6=10k，R9=Rf2=10k。2. 话放级与混合级原理图如5.1图5.1话放级与混合级原理图5.2 音调控制器的调试  音调控制器的电路如图6.2.1所示。运算放大器选用单电源供电的四运放LM324，其中R17称为音量控制电位器，其滑臂

21、在最上端时，音箱放大器输出最大功率。  根据低频区fLx=100Hz与高频区fHx=10kHz处提升量或衰减量x=12dB与转折频率关系得到转折率fL2及fH1：       则       则         当ffL1时C9可视开路则 AvL=（R11+R12）/R1020dBR10、R12、R11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

22、小，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧几百千欧。现取R11=470k，R10=R12=40.7k则   AvL=（R11+R12）/R10=1+R11/ R10=11（20.8dB）根据式                             fL1

23、=1/2R11C12                 得；      取标称值0.01F，即C9=C8 =0.01F。根据：Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3所以对等效电路    R13= 42.9k ，Ra=3R13=141k因为  AvH=（Ra+R14）/R1420dB所以    

24、       R14=Ra/10=14.1k        取标称值13K因为           所以   取标称值510pF 取    R11=R15=470k，R17=10k，级间耦合与隔直电容C7=C11=10F图5.2音调控制电路1、低音衰减与提升：将高音提升与衰减电位器R15滑

25、动端调到居中位置（即可变电阻器R15的百分比为50%），低音提升和衰减电位器R11滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器R11的百分比为100%）. 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R17，使电路输出电压达到最大值，记录此时R17的数值和输出电压的幅值。R17= 0 K Vom= 698.0mV 持R17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C8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，

26、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 低音提升和衰减电位器R11滑动端调到最右边（低音衰减最大位置，即可变电阻器R11的百分比为0%），重复（3）的步骤。（由于此时C9被短路，当f增大时，Vo将增大。） F=40HZ时，低音的最大衰减量= -16.933dB2、高音提升和衰减将低音提升与衰减电位器R11滑动端调到居中位置（即可变电阻器R11的百分比为50%），高音提升和衰减电位器R15滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器R15的百分比为100%）. 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R17

27、，使电路输出电压达到最大值，记录此时R17的数值和输出电压的幅值。R17= 0 K Vom= 463mV 持R17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C8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R15滑动端调到最右边（高音衰减最大位置，既可变电阻器R15的百分比为0%），重复（3）的步骤。（由于此时C9被短路当f减少时，Vo将增大

28、。） F=10KHZ时，高音的最大衰减量= -12.78dB 5.3 功率放大器调试功率放大器(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，功率尽可能的高。有用集成运算放大器(简称运放)和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器。（1）.集成运放与晶体管组成的功率放大器由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图5.3.1所示。其中，运放为驱动级。晶体管Q1Q4组成复合式晶体管互补对称电路。图5.3 集成运放与晶体管组成的功率放大电路由分析电路可得功率放大器的参数确定如下: R18=4

29、7K R20=1K R19=10K R23=11K R28=11K R25=240K R27=240K R30=R29=1K R24=100 R26=100 LS=8C14=10F C13=10F C15=0.1F功放在交流信号输入时的工作工程如下：当音频信号Vi为正半周时，运放的输出电压VC上升，VB亦上升，结果Q3、Q4截止，Q1、Q2导通，负载LS中只有正向电流IL,且随Vi增加而增加。反之，当Vi为负半周时，负载LS中只有负向电流IL且随Vi的负向增加而增加。只有当Vi变化一周时负载LS才可获。第6章心得体会第一次做课程设计，在确定自己应做的课题后，首先做的是大量搜索自己需要的资料。音

30、响放大器，单从名义上来说，应是一个好有意思的制作，因为它的意义很现实。根据设计要求和设计材料，我们需设计的音响放大器在所有音响类别里，是一个比较简单的设计，它由话音放大器、混合前置放大器、音调控制器各功率放大器这四部分组成。但通过一番对音响放大器的了解，即便现在设计的是一个比较简单的音放，但相比其它几个课程还是要复杂一些，但至始到终肯定了这个课程坚持到底。要写一个课程设计，首先就必需对它的理论作充分的了解。平常学习不扎实，甚至有时总觉得很多的东西学了没什么作用，至少现阶段没什么用，在做课程设计感觉就自己学的东西甚少。平常做电子实验也不在少数，但课程设计与在实验室做实验是两个截然不同的状况，其中后者是别人已设计好的思路，只需在做实验之前搞懂实验原理，再根据已编写的实验步骤一步一步做下来便可；而课程设计从一开端全靠自己去弄清自己需要干什么，该怎样去做。课程设计看似简单，当自己着手去做时，其实要比想象中复杂。课程设计除了要熟练掌握音响放大器的理论知识，还要明确自己的设计模式。对于毫无设计经验的人而言，最先想到的自然是通过网络渠道，搜索别人的设计方案。设计方案本没有一个固定的模式，设计要求中列写一个大致纲要，如果一致与纲要完全相同，稍感没有新意，又想创新。如此是一个很多虑的想法，既消耗时间，又不能满足自己的想法，因