语音放大电路设计

1、语音放大电路设计一、设计的目的1. 通过对语音放大器的设计，掌握低频小信号放大电路的工作原理和设计方法。2. 进一步理解集成运算放大器和集成功放的工作原理，掌握有源滤波器和功放电路的设计过程。3. 了解一般电子电路的设计过程和装配与调试方法。4. 了解语音信号的有关知识。二、系统的主要技术指标1. 话筒放大器输入信号：输入阻抗：共模抑制比：2. 语音滤波器（带通滤波器）带通频率范围：300Hz3kHz3. 功率放大器额定输出功率：负载阻抗：电源电压：频率响应：三、预习要求1. 复习集成预算放大器、有源滤波电路及功率放大电路的相关知识，了解静态与动态的调试方法。2. 根据设计任务与要求，确定各级

2、的电压放大倍数和各单元电路的设计方案，并确定电路中各元件的参数值。3. 根据实验要求和测试内容自拟实验方法和调试步骤。调试注意：1） 在进行直流微弱信号运算时，要注意运算放大器的调零。2） 必要时进行相位补偿，避免自激震荡。3） 由于电路的闭环输出电阻极小，所以测量输出电阻时所加载电阻不能太小，以免损坏运算放大器。四、语音放大器方案首先根据设计要求确定整个语音放大电路的级数，再根据各单元电路的功能及技术指标分配各级的电压增益，然后确定各级电路的元件参数。由于话筒输出的信号一般左右，因此根据设计要求，当语音放大器的输入信号为、输出功率为时，系统的总电压放大倍数。考虑到电路损耗的情况，取。所以系统

3、各级电压放大倍数分配：话筒放大器7.5，语音滤波器2.5，功率放大器32。设计方案如下： 图1 语音信号放大器框图五、语音放大器设计1. 话筒放大器由于话筒输出信号一般只有左右，而共模噪声可能高达几伏，故放大器输入漂移和噪声的因数以及放大器本身的共模抑制比都是在设计中要考虑的重要因素。因此话筒放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移、能与高阻话筒配接的小信号前置放大器电路。由于受到运放增益带宽的限制，该级增益不易太大，一般取。电路如图2所示，其中组成同相放大器，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，其放大倍数为 （1）图2 话筒放大器电路R为均压电阻， C2为耦合电

4、容。2. 语音滤波器声音时通过空气传播的一种连续的波，称为声波。声音的传播携带了大量信息，是人类传播信息的一种重要媒体。一般把频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20kHz的声波称为超声波，这两类声音人耳是听不到的。人耳可以听到的声音时频率在20Hz 20kHz之间的声波，称为音频信号。人的发音器官发出的声音频率在80Hz3.4kHz之间，但人说话的信号频率通常在300Hz3kHz之间，人们把这种频率范围的信号称为语音信号。语音滤波器实际上是二阶有源带通滤波器，因此根据语音信号的特点和要求所设计的带通滤波器的频率范围应在300Hz3kHz之间。带通滤波器能够通过规定范围内的频率，这个频率

5、范围就是电路的带宽。将低通滤波器电路和高通滤波器电路串联起来就构成带通滤波器，条件是低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率，两者覆盖的带通就形成了带通响应。滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率的频率点上。带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q越高，电路的Q值可用如下公式求出：，由上公式可知，高Q值的滤波器带宽较窄，但输出电压较大；低Q值的滤波器有较宽的带宽，但输出电压较小。在设计带通滤波器之前，首先讨论典型的二阶有源滤波器。 （1）二阶有源LPF 基本原理 典型二阶有源低通滤波器如图3所示，为抑制尖峰脉冲，在反馈回路可增加电容 ，的容量一般为22pF51pF。若滤波器

6、每节RC回路衰减6dB/倍频程，每级滤波器衰减12dB/倍频程。其传递函数的关系式为： （2）图 3 二阶有源LPF 式（2）中,分别表示如下： 通带增益 固有频率 (3) 品质因数 设计方法设, ,则 (4) 由式（4）得知，fn、Q可分别有R、C值和运放增益Auf的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法对要求特性保持一定而在较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性较高的元件。在图3中，Q值按照近似特性可有如下分类： 为巴特沃思特性 为贝塞尔特性 为切比雪夫特性设计实例 要求设计如图3所示的具体巴特沃思特性（）的二阶有源LPF，已知fn=1KHZ.。取, ,由式（4）可得：

7、（2） 二阶有源HPF 基本原理 HPF与LPF几乎具有完全的对偶性，把图3中的R1、R2和C1、C2位置互换就构成如图4所示的二阶有源HPF。二者的参数表达式与特性也有对偶性，二阶HPF的传递函数为： (5)式中： (6) 设计方法HPF中R、C参数的设计方法也与LPF相似。设C1=C2=C,R1=R2=R,根据所要求的，,可得 (7)图4 二阶有源HPF错误！未找到引用源。设计实例 设计如图4所示的具有巴特沃思特性的二阶有源HPF（），n=1kHz。计算R、C的参数值。选取，求得Auf=1.58，C1=C2=C=1000pF。错误！未找到引用源。二阶有源带通滤波器错误！未找到引用源。基本原

8、理带通滤波器（BPF）能通过规定范围的频率，这个频率范围就是电路的带宽BW，滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率的频率点上。错误！未找到引用源。参考电路BPF的电路形式较多，下面列举一、二供参考。(a) 文氏桥式带通滤波器大家所熟悉的RC桥式振荡电路其实质就是一个选择性很好的有源带通滤波器电路。该电路在满足R1=R2=R，C1=C2=C的条件下，Q值与中心频率分别为： (8) 式中,而带通电压增益为 (9)（b）宽带带通滤波器在满足LPF的带通截止频率高于HPF的带通截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串接起来可以实现Butteworth通带响应，如图5所示。用该方法

9、构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用于测量信号噪声比（S/N）的音频带通滤波器，如在电话通令系统中，采用图5所示滤波器，能抑制低于300Hz和高与3000Hz的信号，整个通带增益为8dB，运算放大器为741。 图 5 宽带BPF3. 功率放大电路图6 功率放大电路功率放大电路的作用是将前级电路送来的微弱电信号进行放大，从而推动扬声器完成电（信号）声（信号）的转换过程。要求功率放大电路的输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。功率放大电路的电路形式很多，本设计采用电路简单、工作稳定的集成功率放大器LM386。它的电源电压范围非常宽，在412V之间，最高可使用

10、到15V。LM386的消耗静态电流为4mA，它的典型输入阻抗为50。若在1脚、8脚之间接一较大电容，电路的增益可达200倍。若将1脚、8脚开路，则放大器的负反馈最强，电路的增益为20倍。因此，在1脚、8脚之间接电位器和电容，调节电位器，则集成功放的电压增益可在20200之间任意调整。电路中的输入信号经电容接入同相输入端3脚，反向输入端2脚接地，故构成单端输入方式。由于采用单电源工作，故须将输出端（5脚）通过大容量电容220输出，以构成OTL电路。10和0.047构成扬声器补偿网络，可吸收扬声器的反电动势，用以抵消扬声器线圈电感在高频时产生的不良影响，改变功率放大电路的高频特性和防止高频自激。4

11、脚为接地端，6脚以及所接的电容为正电源端和电源滤波电容，滤波电容可降低电源高频阻抗，防止电路高频自激，其目的是使LM386工作稳定。7脚接旁路电容，大容量电容220还可以隔直耦合输出。 静态时输出电容上电压为VCC/2，LM386的最大不失真输出电压的峰-峰值大约为电源电压VCC，RL为负载，最大输出功率表达式为： （10）此时的输入电压有效值的表达式为： （11）AU的计算方法可参考文献3。4语音放大器总体电路 图7 语音放大器总体电路六、语音放大器调试在实验电路板上组装所设计的电路，检查无误后通电源进行调试。在调试时要注意先进行基本单元电路的调试，然后再系统联调。也可以对单元电路采取边组装

12、边调试的方法，最后系统联调。1.话筒放大器1) 静态调试：调零和消除自激震荡。2) 动态调试：在输入端输入信号（输入正弦信号、幅值与频率自选），测量输出电压，并观察和记录输出电压与输入电压的波形（幅值、相位关系），算出放大倍数。3) 测量幅频特性，求出上、下限截止频率。2.语音滤波器1) 静态调试：调零和消除自激震荡。2) 测量幅频特性。计算出带通滤波电路的带宽。3) 在通带范围内，输入端输入信号（输入正弦信号、幅值与频率自选），测量输出电压，算出通带电压放大倍数（通带增益）。3.功率放大电路1) 令功率放大电路输入为零（将输入端短路），用示波器观察输出端有无自激，若有自激，应采用措施消除自激

13、。2) 在功率放大电路输入端加入1kHz的正弦信号电压，逐渐加大输入电压的幅度，使输出信号达到最大不失真输出，用毫伏表测出输出电压，并记录此时间输入电压的幅度。计算出、和，填入自拟的表中。4.系统联调经过以上对各级放大电路的局部调试之后，可以逐步扩大到整个系统的联调。1) 令输入信号（前置级输入对地短路），测量LM386输出端5脚直流输出电压应为。2) 输入的正弦信号，改变幅度，用示波器观察输出电压波形的变化情况，记录输出电压最大不失真幅度所对应的输入电压的变化幅度。3) 输入为一定值的正弦信号（在不失真范围内取值），改变输入信号的频率，观察的幅值变化情况，记录下降到0.707之内的频率变化范围。4) 计算总电压放大倍数。5) 模拟试听效果。去掉信号源，改接话筒或收音机的耳机输出口，用喇叭代替RL，听到音质清楚的声音或音乐。七、设计报告（1） 整理各项实验数据，填入自拟的表格中。（2） 画出有源带通滤波器的幅频特性曲线，画出各级输入、输出电压的波形（标出 幅值、相位关系），分析实验结果，得出结论。（3） 将实验测量值分别与理论值进行比较，分析误差原因。（4） 整体测量结果和视听结果，分析是否满足设计要求。（5） 整理在整个调试过程中和试听中所遇到的问题以及解决的办法。八、主要元器件集成运算放大器 uA741 3片