音响放大器课程设计与制作-丁中干

1、附件1：课 程 设 计题 目学 院专 业班 级姓 名 指导教师模电 信息工程 通信工程 0905 丁中干王晟2011 年 1 月 12 日附件2：课程设计任务书学生姓名： 丁中干 专业班级： 通信0905 指导教师： 汪晟 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 音响放大器 初始条件：要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）利用分离元件或集成电路制作一个音响放大器，可以放大话筒信号或毫伏级音频信号。技术指标如下：a输出功率：0.5W；b负载阻抗：4欧姆；c频率响应：fLfH=50Hz20KHz；d 输入阻抗：>20K欧姆；e整机电压增益： >5

2、0dB；(1)电路要求有独立的前置放大级（放大话筒信号）;(2)电路要求有独立的功率放大级。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1 概述 . 31.1 音响的介绍及音响的历史 . 31.2 音响的作用意义 . 41.3 名词解释 . 42 电路方案的比较与论证 . 52.1 放大电路的比较与论证 . 52.2 音频功率放大电路的比较与论证 . 53 核心元器件介绍 . 63.1 LM324的介绍 . 63.2 TDA2030的介绍 . 74 电路的整体结构 . 94.1 直流稳压电源 . 94.2 话音放大器与混合前置放大器的设计 . 105.安装工艺 . 1

3、15.1焊接技术 . 115.2印制电路板安装与焊接 . 125.3印制板和元器件检查 . 125.4元器件引线成型 . 135.5元器件插装 . 145.6 印制电路板的焊接 . 155.7焊后处理 . 165.8导线焊接 . 165.9常用连接导线 . 176 、调试 . 176.1 静态工作点测试 . 176.2 最大输出功率测试 . 186.3 频率特性测试 . 186.4 音乐试听 . 187、仿真 . 18结论与谢辞 . 22参考文献 . 23附件1：电路原理图 . 24附件2：元器件列表 . 25音响放大器的设计与制作1 概述1.1 音响的介绍及音响的历史音响技术的发展经历了电子

4、管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时 期都各有其特点。通过音响放大器设计，使我们认识到一个简单的模拟电路系统，应当包括信号源、输入级、中间级、输出级和执行机构。信号源的作用是提供待放大的电信号，如果信号是非电量，还须把非电量转换为电信号，然后进入输入级，中间级进行电流或电压放大，再进入输出级进行功率放大，最后去推动执行机构做某项工作。经过改革开放30年来的高速发展，我国电子音响行业取得了长足的发展，从单一的收音机到现在CD、VCD、DVD、多媒体音响、GPS、车载多媒体终端等百花齐放，涌现出了一批优秀企业。即便是在经历了自然灾害、人民币升值、原材料大幅涨价等不利因素，我们仍有一大批企

5、业以加强自主创新、优化产品结构、开拓新市场、加强经营管理为手段，面对困难，保持了较高的发展速度。1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术，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，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低。上世纪50年代，电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。上世纪60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。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

6、点。 上世纪60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。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。上世纪70年代中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色以及动态范围达90dB、THD0.01（100kHz时）的特点， 很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。1.2 音响的作用意义细心观察我的身边，现在音响可以说是无处不在，做为一个现代人，我们已经离不开音响。它的出现与使用，丰富了我们的生活，而在实际生活中，它更是不可取

7、代。娱乐、工作、学习生活的方方面面都有它的身影。音响将我们的生活带入了一个全新的世界音响放大器是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。满足家庭需要，因为社会压力大，所以家里需要更能释放压力，怡情养性的Hi-Fi器材。特别在中国，因为消费力的提高，在Hi-Fi上的投资会有一个较长的增长期。而且中国人房子不大，车子少，旅游也不多，所以Hi-Fi和家庭影院会是一种很好的娱乐方式。1.3 名词解释音响系统整体技术指标性能的优劣，取决于每一个单元自身性能的好坏，如果系统中的每一个单元的技术指标都较高，那么系统整体的技术指标则很好。其技术指标主要有六项：频率响应、信噪比

8、、动态范围、失真度、瞬态响应、立体声分离度、立体声平衡度。1.3.1 频率响应：所谓频率响应是指音响设备重放时的频率范围以及声波的幅度随频率的变化关系。一般检测此项指标以1000Hz的频率幅度为参考，并用对数以分贝(dB)为单位表示频率的幅度。音响系统的总体频率响应理论上要求为2020000Hz。在实际使用中由于电路结构、元件的质量等原因，往往不能够达到该要求，但一般至少要达到3218000Hz。1.3.2 信噪比：所谓信噪比是指音响系统对音源软件的重放声与整个系统产生的新的噪声的比值，其噪声主要有热噪声、交流噪声、机械噪声等等。一般检测此项指标以重放信号的额定输出功率与无信号输入时系统噪声输

9、出功率的对数比值分贝(dB)来表示。一般音响系统的信噪比需在85dB以上。1.3.3 动态范围：动态范围是指音响系统重放时最大不失真输出功率与静态时系统噪声输出功率之比的对数值，单位为分贝(dB)。一般性能较好的音响系统的动态范围在100(dB)以上。1.3.4 失真：失真是指音响系统对音源信号进行重放后，使原音源信号的某些部分（波形、频率等等）发生了变化。音响系统的失真主要有以下几种：a谐波失真：所谓谐波失真是指音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分。此额外的谐波成分信号是信号源频率的倍频或分频，它是由负反馈网络或放大器的非线性特性引起的。高保真音响系统的谐波失真应小于1%。

10、 b互调失真：互调失真也是一种非线性失真，它是两个以上的频率分量按一定比例混合，各个频率信号之间互相调制，通过放音设备后产生新增加的非线性信号，该信号包括各个信号之间的和及差的信号。c瞬态失真：瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢，从而使信号产生失真。一般以输入方波信号通过放音设备后，观察放大器输出信号的包络波形是否输入的方波波形相似来表达放大器对瞬态信号的跟随能力。d. 立体声分离度：立体声分离度表示立体声音响系统中左、右两个声道之间的隔离度，它实际上反映了左、右两个声道相互串扰的程度。如果两个声道之间串扰较大，那么重放声音的立体感将减弱。

11、e. 立体声平衡度：立体声平衡度表示立体放音系统中左、右声道增益的差别，如果不平衡度过大，重放的立体声的声像定位将产生偏移。一般高品质音响系统的立体声平衡度应小于1dB。2 电路方案的比较与论证2.1 放大电路的比较与论证方案一：采用uA741运算放大器设计电路，uA741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，为双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压±22V，差分电压±30V，输入电压±18V，允许功耗500mW。方案二：采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，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。

12、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：uA741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 大倍数不高，LM324能达到频响要求，故选用LM324四运放大器。2.2 音频功率放大电路的比较与论证方案一：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

13、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： LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386电源电压4-12V，音频功率0.5w。LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率。它的典型输入阻抗为50K。方案三：TDA2030芯片所组成的功放电路，它是一款输出功率大，最大功率到达35W左右， 静态电流小，负载能力强，动态电流大既

14、可带动4-16的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。方案选取：本课题要求音响放大器的输出功率在5W以上，然而LM386达不到这功率，故选用TDA2030。频率响应fLfH50Hz20kHz；而单电源供电音频功率放大器已经达到所需要的目标。并且它较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点。而BTL电路虽然也有以上的功能，但制作复杂，不利于维修。3 核心元器件介绍3.1 LM324的介绍LM324引脚图简介：LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在

15、低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每图3-1一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，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。LM324的引脚排列见图3-1，实物如图3-2。LM324的特点：1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-3

16、2V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 图3-2 8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能LM324的内部结构如图3-3： 典型原理图（所示为电路的四分之一） 输出 偏置电路对 四个放大器共用图3-3LM324系列采用两个内部补偿，二级运算放大器，每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动到单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片尺寸，跨

17、导的减小可由将Q20和Q18的极电集分离而实现。该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会 饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。3.2 TDA2030的介绍TDA2030A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1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、失真小等特点。并具有内部保护电路。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

18、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：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。引脚情况(如图3-4):1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5

19、脚是正电源输入端。图3-44 电路的整体结构图4-1 电路整体框图由于时间仓促及相关知识不具备，在本次设计中，删去了上述电路图的话筒和音调控制器4.1 直流稳压电源直接用市场上购买的。4.2 话音放大器与混合前置放大器的设计由于放音机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)，所以话音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。图4-3所示电路由话音放大器与图4-4混合前置放大器两级电路组成，其中U1A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音放大器电路，其放大倍数AV1=1+

20、R5/R1=20 。图4-3 话音放大器电路图4-4中的混合前置放大器的电路中，U1B作反相放大器。电路中电容C3、C7是用作噪声去耦合的，可以用小体积大容量的钽电容或普通电解电容，一般选为10F。耦合电容的作用是阻止前后两级电路的信号相互干扰影响，并且不会影响信号的传递。音源输入端端图4-4 混合前置放大器的电路5.安装工艺安装工艺是制作工程中最关键的一步，它承接上面的设计性工作和下面的调试工作。为此我们做了大量的学习和练习，具体理论学习知识如下：5.1焊接技术装接电路的主要工作是在电路板上焊接电子元器件,焊接质量的好坏直接影响着电路的性能,焊接质量主要取决于四个条件:焊接工具,焊剂,焊料,

21、焊接技术. 为保证焊接质量,要求焊点光亮,圆滑,无虚焊.a.元件引线要刮净,最好先挂锡再焊.因为引线表面经常有氧化物或油渍, 不易"吃锡",焊接起来困难,即使勉强焊上也容易形成虚焊,因而必须将氧化 物或油渍刮除干净.b.焊接温度和时间要掌握好.温度不够,焊锡流动性差,很容易凝固;温度 过高,焊锡流淌,焊点又不易存锡,两种情况都不易焊好.一般焊接时让烙铁头 的温度高于焊锡熔点,烙铁头与焊点接触时间以使焊点锡光亮,圆滑为宜.如果焊点不亮或形成"豆腐渣"状,说明温度不够,焊接时间太短.这种情况由于焊剂没能充分挥发,很容易形成虚焊.此时需要增加焊接温度,只要将烙

22、铁头在焊 点上多停留些时间即可,不必加压力或来回移动.c.扶稳不晃,上锡适量.焊接时,被焊物体必须扶稳扶牢,特别在焊锡凝固过程中不能晃动被焊元器件,否则很容易造成虚焊.烙铁沾锡多少要根据焊点大 小来决定,最好所沾锡量能包住被焊物.如果一次上锡不够,可以下次填补,但 要注意再次填补焊锡时,一定要待上次的锡一同熔化后方可移开烙铁头,使焊点 熔结为一体.d.电子电路常有一些基本单元组成,电路重复性和规律性较强.焊接时,一般先将电阻,电容,二极管等元件引线弯曲成所需形状,依次插入焊孔,并设法 使元件排列整齐,然后统一焊接.检查焊点后剪去过长引线,最后焊接三极管, 集成电路.器件的焊接时间一般要短一些,

23、引脚也不宜剪得太短,防止焊接时烫 坏管子.初学者可用镊子夹住管脚进行焊接.e.焊接结束,首先检查电路有无漏焊,错焊,虚焊等问题.检查时可用尖嘴钳或镊子将每一个元件拉一拉,看有无松动,特别是要察看三极管管脚是否焊牢, 如果发现有松动现象,要重新焊接.5.2印制电路板安装与焊接印制电路板的装焊在整个电子产品制造中处于核心的地位，可以说一个整机产品的“精华”部分都装在印制板上，其质量对整机产品的影响是不言而喻的。尽管在现代生产中印制板的装焊已经日臻完善，实现了自动化，但在产品研制，维修领域主要还是手工操作；况且手工操作经验也是自动化获得成功的基础。5.3印制板和元器件检查装配前应对印制板和元器件进行

24、检查， 内容主要包括：1.印制板：图形，孔位及孔径是否符合图纸，有无断线，缺孔等，表面处理是否合格，有无污染或变质。2.元器件：品种，规格及外封装是否与图纸吻合，元器件引线有无氧化，锈蚀。 对于要求较高的产品，还应注意操作时的条件，如手汗影响锡焊性能，腐蚀印制板，使用的工具如改锥，钳子碰上印制板会划伤铜箔，橡胶板中的硫化物会使金属变质等。5.4元器件引线成型如5.2.1所示，是印制板上装配元器件的部分实例，其中大部分需在装插前弯曲成型。弯曲成型的要求取决于元器件本身的封装外形和印制板上的安装位置，有时也因整个印制板安装空间限定元件安装位置。图5.2.1印刷板上元器件引线成型（1） 所有元器件引

25、线均不得从根部弯曲。因为制造工艺上的原因，根部容易折断。一般应留15mm以上（图5.2.2）。图5.2.2元器件引线弯曲（2）弯曲一般不要成死角，圆弧半径应大于引线直径的12倍。（3）要尽量将有字符的元器件面置于容易观察的位置，如图5.2.3所示。图5.2.3元器件成型及插装时主义标记位置5.5元器件插装（1）贴板与悬空插装如图5.2.4（a）所示，贴板插装稳定性好，插装简单；但不利于散热，且对某些安装位置不适应。悬空插装，适应范围广，有利散热，但插装较复杂，需控制一定高度以保持美观一致。如图5.2.4（b）所示，悬空高度一般取26mm。图5.2.4远去见插装形式插装时具体要求应首先保证图纸中

26、安装工艺要求，其次按实际安装位置确定。一般无特殊要求时，只要位置允许，采用贴板安装较为常用。（2）安装时应注意元器件字符标记方向一致，容易读出。图5.2.5所示安装方向是符合阅读习惯的方向。图5.2.5安装方向符号阅读习惯（3）安装时不要用手直接碰元器件引线和印制板上铜箔。（4）插装后为了固定可对引线进行折弯处理（图5.2.6）。图5.2.6元器件引线折弯固定5.6 印制电路板的焊接焊接印制板，除遵循锡焊要领外，以下几点须特别注意：（1） 电烙铁，一般应选内热式2035W或调温式，烙铁的温度不超过300的为宜。烙铁头形状应分局印制板焊盘大小采用凿形或锥形，目前印制板发展趋势是小型密集化，因此一

27、般常用小型圆锥烙铁头。（2） 加热方法，加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线（图5.2.7）。对较大的焊盘（直径大于5mm）焊接时可移动烙铁，即烙铁绕焊盘转动，以免长时间停留一点导致局部过热，如图八所示。图5.2.7烙铁对焊点加热（3） 金属化孔的焊接，两层以上电路板的孔都要进行金属化处理。焊接时 不仅要让焊料润湿焊盘，而且孔内也要润湿填充。因此金属化孔加热时间应长于单面板。图5.2.8大盘烙铁焊接 图5.2.9金属化孔德焊接（4） 焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能，而要靠表面清理和预焊。（5） 耐热性差的元器件应使用工具辅助散热。5.7焊后处理（1） 剪去多余

28、引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。（2） 检查印制板上所有元器件引线焊点 ，修补缺陷。（3） 根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。5.8导线焊接导线焊接在电子产品装配中占有重要位置。实践中发现，出现故障的电子产品中，导线焊点的失效率高于印制电路板，有必要对导线的焊接工艺给予特别的重视。5.9常用连接导线电子装配常用导线有三类，如图十所示。图5.2.10常用导线（1） 单股导线，绝缘层内只有一根导线，俗称“硬线”容易成形固定，常用于固定位置连接。漆包线也属此范围，只不过它的绝缘层不是塑胶，而是绝缘漆。（2） 多股导线，绝缘层内有467根或更多的导线

29、，俗称“软线”，使用最为广泛。（3） 屏蔽线，在弱信号的传输中应用很广，同样结构的还有高频传输线，一般叫同轴电缆的导线。6 、调试6.1 静态工作点测试接上电源(次级为12伏)，不带负载情况下接通电源，按下电路板上电源开关，测试滤波电容两端输出电压应为14v左右。若出现异常应该立即断电。6.2 最大输出功率测试将8负载接入功率输出端。再将信号源调至频率f=1000hz，输出电压为1V，接到音频放大器的声道输入端。将音调调节电位器调到最大。功率输出端接上示波器、毫伏表。图4-1测试的接法调节音量电位器，使输出信号失真度THD=3%时，测出功率放大器的输出电压Vo的 值，由公式P=Vo2/16计算

30、放大器的最大输出功率。6.3 频率特性测试调节1000hz输入信号幅度（或调音量电位器），使输出信号为1V。测出电路输入信号的大小Vi的值。调节输入信号的频率，保持输入信号Vi的大小不变，测量输出 信号的大小。找出上下限频率fL和fH，求出通频带BW=FH-f。6.4 音乐试听在功率调试正常后，接上音乐信号源，试听音量和音调电路对音乐的调节效果。调节声道的音调电位器R20，能够听到高提升和低音调的声音有明显的衰减。7、仿真：单独话放性能测试电路图单独话放性能测试测试波形有仿真结果为：单独话放放大倍数接近20倍单独功放性能测试电路图单独功放性能测试波形图第三个整个电路电路图波形图结论与谢辞大学四年，这次的论文和设计是我这大学期间干的最有意义的事之一。从最初的选题，开题到写论文直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能