陈明海音响放大器课程设计2

1、第一章.绪论1.1引言 伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。 本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器，践实所学知识掌握程度，并通过对所学知识来制造和改进相关产品，实际动手的过程中遇见了很多问题，但是在老师的指导和帮助下解决相应的问题。同时在与同组人的讨论学习过程中加强可团队意识的培养，加强了相互间协调合作的能力，从而高质、高效的完成本项任务。1.2 音频功率放大器概述 音响技术的发

2、展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。 60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如：“OT

3、L （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。在60年代初，发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。 第二章 系统方案设计2.1 设计目的 1、了解集成功率放大器内部电路工作原理2、掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法3、掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装

4、调技术2.2 设计要求和技术指标1） 技术指标：额定功率P0.3W，负载阻抗为10，频率响应范围为50Hz-20KHz，输入阻抗大于20K，放大倍数20dB。2） 设计要求：1.设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级；2.选定元器件和参数，并设计好电路原理图；3.在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调测；4.测试输出功率；5.测试输入阻抗； 第三章 方法设计与论证3.1放大电路设计方案一：采用A741运算放大器设计电路，A741通用高增益运算通用放大器,早些年最常用的运放之一.应用非常广泛, 双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压±22V,差分电压±30V,

5、输入电压±18V,允许功耗500mW。方案2：采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放，输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 方案选取：A741是 通用放大器,性能不是很好,满足一般需求，而LM324四运放大器具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点，本设计放

6、大倍数不高，LM324能达到f=10KHz的频响要求，故选用LM324四运放大器。3.2音频放大电路设计方案一：采用SL34集成功率放大器， SL34是低电压集成音频功放，功耗低、失真小，工作电压为6V，8负载时，输出功率在300mW以上。主要用于收音机及其它功放。 方案二：采用LA4102集成功率放大器，LA4102在低压运用时具有较好的性能， 增益可达40dB，效率高且非线性失真小，输入阻抗约12k。内部工作原理与OTL功放基本相同。LA4102集成块采用带散热片的14脚双列直插式塑料封装。方案选取：本方案采用LA4102，不采用sl34，,是因为LM34最大输出功率是300nW多,不合设

7、计要求的5.8W。3.3设计思路 音响放大器设计的框图如下4.2 3.4设计参考原理图： 第四章 单元电路设计与参数计数 4.1. 设计要求 根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时，输出功率大于1W，则输出电压Vo>=2.8V。总电压增益Av=Vo/Vi>560倍(55dB)。 实际电路中会有损耗，因此要留有充分余地,设各级电压增益分配如图1.1所示。AV4由集成功放级决定，此级增益不宜太大，一般为几十倍。音调控制级在f0=1KHZ时增益为1倍（0 dB），实际上会产生衰减，故取AV3=0.8倍（2 dB）。受到运算放大器增益带宽积限制，话放级与混合放大级若采用A741，其增

8、益也不宜太大。图1.1 各级电压增益分配4.2 功率放大器设计已知条件： RL=8， VI=100mV，+VCC=12V，VEE=12V。性能指标要求： PO=2W。参数设定：1. 选用LA4100LA4102集成功放芯片，其内部电路如图1.2所示。图1.2 LA4100LA4102集成功放的内部电路2. 功率放大电路如图1.3所示。图1.3功率放大器原理图3 外部元件的设定说明及选用：1） RF、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 AVF=1+R11/RF R11/RF=33 2）CB为相位补偿电容。CB 减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十

9、皮法几百皮法，现取CB =51pF。 3）CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于VCC/2，CC一般取耐压 值远大于VCC/2的几百微法的电容。现取CC=470F。 4）CD为反馈电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法，现取CD=560pF。 5）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， 取CH=220F。 6）C3、C4可滤除纹波，一般取几十微法到几百微法，现取C3=220F， C4=100F。 7）C2为电源退耦滤波，可消除低频自激，取C2=220F。4.3 音调控制器的设计1.由电路原理图可知音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想

10、的控制曲线如图1.4所示。图中，f0(等于1KHZ)表示中音频率，要求增益AV0=0DB；fL1表示低音频转折(或截止)频率，一般为几十赫兹；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)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。 由图可见,音调控制器只对底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。由运算放大器构成的音调控制器，如图1.5所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录机、音响放大器中应用较多。在图.中RP3称为音量控制电位器，其滑臂在最上

11、端时，音响放大器输出最大功率。图1.5 音调控制器2.音调控制器的低频电路图1.6 音响放大器低频等效电路设电容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). 当f<时，音调控制器的低频等效电路如图4.6所示。其中，图1.6为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图1.6所示电路是一个一介有源低通滤波器，其增益函数表达式为：A（jw）= ×式中 ，或，或2). 当f<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 3). 在f=时，因为fl2=

12、10fl1故可得Av1= -模此时电压增益Av1相对下降3dB4).在f=时，得模 此时电压增益相对下降17dB。同理可以得出图1.7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1.4中左半部分的实线所示。图1.7低频等效电路3. 音调控制器的高频电路当f>时，音调控制器的高频等效电路如图1.8所示。1.8音调控制器高频等效电路图1.9 1.8的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，将其转换成三角形连接后的电路如图1.9所示。电阻的关系为 若取，则有：高频等效电路如图1.10所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最在

13、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。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式中 或 或与分析低频等效电路的方法相同（略），得到下列公式。当f< 时，视为开路，此时电压增益Av0=1(0dB)。 在f= 时，此时电压增益相对于相对于提升了3d B。在时， 此时电压增益AV4相对于AV0提升17d B 当f > 时，C3 视为短路，此时电压增益 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1.4中右半部分实线所示。实际应用中 ，通过先提出对低

14、频区（或）和(或)即 （a） 高频提升 （b）高频衰减1.10 图1.9的高频等效电路4.4 话音放大器由于人发出的声音频率在340Hz3400Hz之间，声波在传播中会产生反射、折射、绕射和干涉等现象，达到话筒的信号比人刚刚成声带中发出来的声音要小，同时话筒是一种换能器，它将声能转化为电能，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），则要对话音进行放大。由于声音在空气中传播就会产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在话音放大器中设计一个低通滤波器。话音放大器的作用是不失真地放大信号（最高频率可以达

15、到10KHz）。话筒的频率特性、性噪比和灵敏度直接影响着重现声音的音质。同时要求输入阻抗远大于话筒的输出阻抗。但本次设计中，输入信号是由磁带放音机所提供。4.5 混合前置放大器1. 前置放大器的主要功能任何功率放大器总是要将节目源输入的信号进行放大，然后输出给扬声器。节目源的种类有多种多样，如：传声器、收音头、电唱机、录音机（放音磁头）、线路传输以及新近出现的CD唱机等。这类节目源设备的输出信号电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏，甚至12伏。而功率放大器的输入灵敏度是一定的，如果我们在前面设计的例子中为50mV。这些节目源信号如果从同一输入接口输入放大器，或者由于输入电平过低，使功率放大器输

16、出功率不足，不能充分发挥功放的作用；或者由于输入电平过高，使放大器的输出信号产生严重过载失真，失去高保真放大的意义。因此，必须设置前置放大器，对输入放大器的各种输入信号进行处理；或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的是输入灵敏度相匹配。在各种音源信号中，除了电平差别外，他们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号的频率特性曲线呈上翘形，磁带放音的频率特性曲线也呈上翘形，即低音呈衰减，高音被提升，但他们的衰减和提升的程度又各不相同。这样，在输入功率放大器之前，必须进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态。综上所述，前置放大器的主要功能为： (1) 对输入功率放大器的各种音源信

17、号进行加工处理，或放大，或衰减，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配，使功率放大器充分发挥其放大和保真的功能(2) 进行阻抗变换，使各种音源信号的输出阻抗能与功率放大的输入阻抗相匹配，实现信号的高效传输。(3) 进行频率均衡处理，使电唱机和磁带机输出信号的频率特性恢复成平坦的状态。2. 对前置放大器的技术要求对前置放大器的技术要求，就是必须要和功率放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求，同样也适用于前置放大器，而且对前置放大器还应略高一些。否则就不能成为一个高保真“系统”，也就是说，构成高保真系统的每一个单元都必须是一个高保真单元。3. 混合前置放大器参数计算混合前置放大器电路由运放A2组

18、成，为反相输入加法器电路。根据增益分配，混合级输出电压，而话筒放大器输出已达到的要求,只要放大三倍就能满足要求。而录音机插孔输出的信号一般为，已基本与第二级输出相符，不需要再进行放大。所以取。为使音量可调，电位器取。混合前置放大电路 第五章 主要技术指标及测试方法5.1额定功率音响放大器失真度小于某一数值（如<5%）时的最大功率称为额定功率，即 =UO2/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=1kHz,输出电压Ui=5mV,音调控制器的两个电位器RP1、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

19、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<3%），此时对应的输出电压为最大输出电压，由上式可算出额定功率Po，请注意，最大输出电压测量后应迅速减小，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。5.2 整机效率 式中，p0为输出的额定功率；PC为输出额定功率时所消耗的电源功率。 第六章 电路安装与调试6.1 电路安装合理布局，分级装调 音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，功方级应远离输

20、入级，每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易产生自激。安装前应检查元器件的质量，安装时应该特别注意功放块，运算放大器，电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装，安装一级调试一级，安装两级后进行级联调试。本实验安装与调试我们采取的是后一种方法。即从功放级向前安装与调试。6.2电路的调试实践表明，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。通过电路板的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查

21、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。电路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后进行整机调试与性能指标测试。分级调试有分为静态调试和动态调试。静态调试时，将输入端对地短路，用万用表测该级输出端对地的直流电压，话放级、混合级、音调级都是由运算放大器组成的，其静态输出直流电压均为VCC/2。功放级的输出(OTL电路)也为VCC/2，且输出电容CC两端充电电压也为VCC/2。动态调试是指输入端接规定的信号，用示波器观测该级输出波形，并测量各项性能指标是否满足题目要求，如果相差很大，应检查电路是否接错，元器件数值是否合乎要求，是否是不会出现很大偏差的。单级电

22、路调试时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大的变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因：一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应当考虑重新布线；二是级联后各级电流都要流经电源内阻，内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。R一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与0.1uF小电容相并联。由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多极点引起的正反馈易产生高频自激，常见高频自激现象如图6.1所示。可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级脚与脚之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除叠加的高频毛刺。常见的

23、低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动。产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。可以通过接入RC去耦滤波电路消除。为满足整机电路指标要求，可以适当修改单元电路的技术指标与单元电路设计植相比较，有些参数进行了较大的修改。图5.1 常见高频自激现象6. 整机功能试听用8欧/4瓦的扬声器代替负载电阻R，可能进行以下功能试听:(1). 话音扩音 将低阻话筒接话音放大器的输出端。应注意，扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输入后，会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音量的相位器，可控制声音大小。(2). 电子混响效果 将电子混

24、响器模块接入。用手轻拍话筒一次，扬声器发出多次重复的声音，微调时钟频率，可以改变混响延时时间，以改善混响效果。(3). 音乐欣赏 将录音机输出的音乐信号，接入混合前置放大器，改变音调控制 级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调发生明显变化。(4). 卡拉OK伴唱 录音机输出卡拉OK磁带歌曲，手握话筒伴随歌曲歌唱，适当控制话音放大器与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱音量与音乐量之间的比例，调节混延时时间可修饰、改善歌唱的声音。6.4电路测试结果测得各级电压如下：话筒输入电压 VO5mv 话放级输出电压V144mv混放级输出电压V2132mv 音调级输出电压V391mv功放级输出电压V43.

25、1v 6.5 数据处理：6.5.1增益的计算：话放级电压增益Av17.9 混放级电压增益Av2.9音调级电压增益Av1 功放级电压增益Av32.96.5.2误差计算 (1).性能调试:外接录音机,调节电位器,找出每个电位器最佳位置,使扬声器音效达到不失真而声音最大.此时,音箱放大器性能最佳. (2).分析1.输出有干扰信号这主要是由于低通滤波器没有起到理想的低通滤波的效果引起的。2.前值放大输出有干扰波形主要是运放集成块产生了自激现象，产生了干扰信号，使输出信号有干扰波形。3.产生自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动主要是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。图1:音调级的输出波形图2 功放级输出波形 图3:音响放大器的输出波形3.元器件为非精密元器件,存在一定误差,影响产品质量4.测量仪器存在误差,为非精密万用表(DT830),影响了测量结果.5.万用表测量结果不稳定,读数有误差;数据计算中,结果精确到小数点后一位有效数字.6.功率放大级有元件参数不准确,有一个1欧电阻因没配到用10欧代替,加大了误差. 第七章 音响放大器元件清单