音响放大器的设计分析

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：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PO1 W （3%）；负载阻抗RL8；截止频率fL40z ， fH10 kz ；音调控制特性： 1 kz 处增益为 0dB；100z 处和 10kz处有12 dB 的调节范围； AVLALH20 dB；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 Ri 20 。（为了保证设计内容的多样性，技术指标部分可另取值

2、）。(3) 主要器件： VCC =+9V ；话筒（低阻 20 ）电子混响模块一个； 集成功放 LA4102一只；集成运放 LM324 一只（或A741 3 只）；8/ 2W 负载电阻 RL 一只； 8/ 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。 根据题意要求，输入信号为 5mV 时输出功率的最大值为 lW ，因此电路系统的总电压增益Au=PoPL

3、Ui=566(55dB) ，由于实际电路中会有损耗，故取 Au=600(55 ·6dB)，各级增益分配如图4 所示。功放级增益 Au 4 由集成功放块决定，取 Au 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 (一 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(175dB)， Au 2 =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，失真最小的放大器前置放大级电路沃共射 -共基电路输入音尔推

4、至末级频信号漫恒压源电路动功放级电路共射 -共基电路反馈电路图 1前置放大电路框图它有吸引人的音质。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

5、，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、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)C cb（ 1

6、）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。3.2共射 -共基差分的频响3.2.1 共射 -共基电路R 3R 51.5k1.5kC通过学习我们知道共基放大器由于基极交流接地，集COUTV电极电容 Ccb 的反馈条件被破坏， Ccb 转化为 CO（共T1VbT2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T3T4Ui好的高频响应。 在音频放大电路中， 共一般极小，管1 kR P 1图 2R3共基差分电路R5子内部反馈的影响也小得多。 所以共基电路不单独作共射-01. 5k4

7、1. 5kC2OUTC用，而是与共射或场效应管共源放大器直接耦合组成2VCT1T2共射 -共基或共源 -共基放大器。共射 -共基差分电路如VbC 22 4 0Q1Q2K170K1 70Ui1k RP 1图 3共源 - 共基差放电路图2所示。这种放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 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

8、路是一款性能优良的放大器。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。共射 -

9、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4.1DC 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间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。+VCCR 3R 4R 5o ut1.5k2 0 k1.5ko utNT1C2240R6T2IC22401 1 kQ 1Q 2R 1K170K170C11 kR P 11 kR1 1R 2kQ 3Q 401 1 kR 701J 7 7J 7 7T3A970T4o utA970o utR 8

10、R 9R 1 01.5k2 0 k1.5k-VCC虽然晶体管的极间电容很小，相移的影响主要表图 4沃尔漫电路现在高频段。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

11、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。 C1C2 R3R 4R 5C 7D1RP20.1 uR 141.5 k20 k1.5 k1 k15 0C 1 0T568 pNT1T2B647Q 5IC2240R6C224011 kT6K 214Q 1Q 2B647R 19OUTR 1K 170K 170R 124 701 kR 17R P1WR 216.8 k1kC 41M12C 8/R1 6C1 R22.2 ukT7*0.1 u9R 138WkQ 3Q 434D6 69R P3R 1810k201 1

12、k R 71D 310k/1 000p401J77J 771 kN2 R201OUTR 11C5D6 674 70Q 6T3T4T8J 77A 970A 970T9R 8R 9R 1 07.5 v R 15D6 6768 pC 3C 6D2 300C90.1 u 1.5 k20 k1.5 k0.1 u图 5前置低放电路图和 R2 对输入信号中的高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

13、、T3、T4 的基极提供 12V 基极偏压。这样， Q1 Q4 四只结型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(兼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， R3

14、6 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 5、6 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80

15、mA 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，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 的栅漏之间并联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

16、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） 。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

17、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1 k* 6T APE-LR1R6音源切换电路如图6 所示。采T APE-RT UR-LkT UR-RCD-Lk用小型继电器，最大限度地缩CD-R6k3 RCA15*k*0Vk短了小信号的传输路线， 这也0211R1 2AkR82R1 0R1 3KAUX1是中高当功放电路常用的形-L1 k * 4AUX1-RAUX2-LAUX2-RTU R SW -6WAYRE C-LRE C-R1TA PE3 RCA21 0 k * 21 0 0 k * 4C DAUX

18、 123456AUX 2K1 BCDK2 BT UR K3 B T APE K4 B AUX1 K5 B AUX2L -inR-in123456图 7切换开关图 6音源切换电路CON6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± 31.5V 的

19、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：C 1 2C 1 31 0 0 u /2 5 VC 1 1IC 10.1 u图 8电源电路 0.1 uLM7812+12 V1N4004+31.5VD 124*v*0450/D 236*20U40N 2D 412D 3D669AD 5T2R 1C 11.8 KT11 000U/ 3 5V*2C 1 42C 30.1u*C 5UC 945D 6C 61.3 3 V03 3 VD 7C 8C 9T40. 1U*2C 2C 4C 1 5R 2A 7330.1u1.8 KT

20、3B649A-31.5V图 8电源电路图VCC=（2）来确定。为了留有余量，实际电压值应比计算值高出3 5。对输出管的要求： 为 40 80， fT 20M， BRCEO 2VCC（ 3）ICM VCC/R L（ 4）PCM=2（ 0.05VCC2/RL ） +VCCIC（ 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放。+VCC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R 21 0INR 11 0T3T4C5200C5200R 5R 70.22/2W *4 L1些主要参数。当前面的低放管Q5、 Q6 的漏极电流

21、77; 80mA 时， 图 9 所示功放输outR 6R 8C 1A 1943A 1943W1 0 4R 42T1T2/R 901出功率 PO:IN10* 2R 3-VCCPO=2*0.7*810W图 9末级功放电路末（ 6）表 1 末级功放管的主要参数表三极管型号特征频率C-E 间的击穿电C 最大充许电C 最大耗散功fT压 BRCEO流 ICM率 PCM2SC5200FT 30MICM 15APCM 150WBRCEO 160V2SA1943FT 30MBRCEO-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

22、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1 2VR31 5KINR14. 7KT3R2T2向直流电压检测电路。对3D G63. 9KK1 BT4T1其原理作简要说明。C 1T0 08D 13

23、D G62 C PK1 AC 2k图 10扬声器保护电路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，断开扬声器起到保护作用。tuo1409C1RCCC1CV0V+L-032W 2/015TC7483*RWR492210/AT2052642.5R0RTC340091111AT2214*30R RR1R4 01 5R 12PkR1 1D7Ck55.R14k0R2k35.R12 uC 1.0L1 为自

24、制电感，由 为418712165 2RR70Q KQ J19CppCu890008616178 .27R4C0WR42 *2/0 27k3k8P01 .RR61图779377路54646696电6676D66TBT BDD8T D总T506T11R01Rv3521.8414N17 D图3619 3kuRkCW 1 /01M.21u1502C14 .kRC 211014R0k422Q41520.T C27T 0R1717k6k Q177991KP kJA0R 1R 1RR200k0k4127177852119.173Ru1CQ K3JATT1Q3 .C 021mm漆包线1在k铅笔R上绕10 匝左

25、右脱胎而成，顺绕、反绕均可。R 1k0 0 1N I1pC0012.1 音响放大器的基本组成如图2.1 。各部分电路的作用如下：图 2.1 音响放大器的组成图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。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

26、组成如图所示，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， RP

27、2 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。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。其电路如图所示一个反向加法电路，输出与输入电压间的关系为UoRFU 1RFU 2(21)图R1R2式中U1话筒放大器输出电压；图混合前置放大器U2录音机输出电压。图电子混响器的组成图图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<5)时的最大功率称为额定功率，即POU O2（3.1）RL式中 R L 额定负载阻抗；U

28、O (有效值 )-R L 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 R L (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

29、，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 f L 和高音频率f H 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 f i 从 20Hz 50kHz 变化 (保持 Ui=20mV 不变 )，测出负载电阻 R L 上对应的输出电压 Uo，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线， 并在曲线上标注 f L 与 f H 值。3.3 音调控制特性Ui(=100mV) 从音调控制级输

30、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RPl 的滑臂分别置于最左端和最右端时，频率从20Hz lkHz 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(1 50)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f l 1 、 f x 、 f l 2 、 f 0 1kHz、 f H 1 、f H 2 等频率对应的电压增益。A V /dB20dB/10倍频201730 3f Hxf/HzfL xf 0(1kHz) 17 20fL1f L2f H1f

31、H2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R1RP1R2C1C2R4C4C5viC3voR3RP2设电容 C1=C2>>C3，在中、低音频区， C3 可视为开路，作为低

32、通滤波器；在中、高音频区， C1、C2 可视为短路，作为高通滤波器。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 Ri 。如果接高阻话筒， Ri 应远大于 20k 。接电唱机， Ri 应远大于 500k 。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R L上的电压称为噪声

33、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PO100%(37)PC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lW ，因此电路系统的总电压增益 Au=PoPL Ui=566(55dB) ，由于实际电路中会有损耗， 故取 Au=600(55·6dB)，各级增益分配如图4 所示。功放级增益Au 4 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 (一 2dB)。话放级与混