模电实验语音放大器

《模拟电子技术》课程实验报告语音放大器班级：组员：指导教师：一、设计目的1） 通过实验培养学生的市场素质，工艺素质，自主学习的能力，分析问题解决问题的能力以及团队精神2） 通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验，掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法二、性能指标要求：（1）前置放大器输入信号：Uid≤10mV输入阻抗：Ri≥100kΩ（2）有源带通滤波器带通频率范围：300Hz～3kHz增益：Au=1，可以稍大（3）功率放大器最大不失真输出功率：Pom≥1W负载阻抗：RL=8Ω(4Ω)电源电压：+12V，-12V,+5V频率响应：40Hz-10KHz（4）输出功率连续可调直流输出电压：≤50mV（输出开路时）静态电源电流：≤100mA（输出短路时）三、总电路框图及总原理图:语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成。总电路图:图1总电路图四、设计思想及基本原理分析：（1） 前置放大器：前置放大电路可采用两级负反馈放大器、差分放大电路，也可以用集成运放构成的同相比例运算放大电路等。典型情况下，信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，共模噪声可能高达几伏。放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。因此前置放大器应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。比较：两极负反馈放大器电路较复杂，而且对共模噪声也会放大，从而使电路噪音太大影响放大效果。具有恒流源偏置的差分放大器也适用于设计，但相对于测量放大器而言，仍显复杂，因此本设计采用集成运放构成的测量用小信号放大电路。（2） 有源滤波电路有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。有源滤波电路的种类有低通，高通，带通，带阻滤波器，本实验着重讨论带通滤波器，滤除各种噪声信号，而使正常的语音信号通过。用低通滤波器和高通滤波器串联起来也可组成带通滤波器,这种滤波器在调节通频带范围是可分别调节低通滤波器和高通滤波器，很方便，这也是选择这种滤波器的重要原因。（3） 功率放大器功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。功率放大电路的主要作用是向负载提供功率，使信号能够驱动负载（喇叭）。要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。功率放大器的形式很多，有OCL互补功率放大电路、OTL功率放大电路、BTL桥式推挽功率放大电路和变压器耦合功率放大电路等。功率放大器的原理：发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。五、单元电路分析（1）前置放大器电路方案：方案一：采用LM324组成的前置放大电路，可以减小温度漂移。如图2为所设计的电路中采用同相放大器电路结构，提高输入电阻和共模抑制比性能，减小输出噪声。为尽量保证不失真放大，应该采用两级运放电路。第一级增益：Au1=1+R3/R1第二级增益：Au2=1+R7/R4总增益为：Au=Au1*Au2图中的R7采用电位器，可以调节电阻从而调节前置放大电路的增益。图2LM324组成的前置放大电路方案二：芯片NE5532组成前置放大电路基本理论：集成运放构成前置放大电路时，为提高输入电阻和共模抑制性能，减小输出噪声，必须采用同相放大电路结构，为尽量保证不失真放大，宜采用两级运放电路。这两级运放的芯片可以采用单片双运放NE5532。设计满足弱信号前置放大电路图如下：图3芯片NE5532组成前置放大电路电路分析：根据计算后的设计电路图，电路由两级构成，输入电阻取决于前级电路。前级为一理想运放，输入阻抗高。在偏置电路加电位器给输入信号提供偏置电压。图中的R2用于调节电路增益，类似的，R8起调节第二级放大电路增益的作用。R9、R10用于调节输入阻抗，起平衡作用。Au1=（R2+R6）/R1；Au1=R8/R7；Au=Au1*Au2；调节R2、R8，直接影响前置放大线路的增益，调节使得两级增益在50~100之间即可。在调试中为得到理想的放大倍数，将R6短路，R6，R8实际用一个100k左右的定值电阻代替即可，R3用50k的定值电阻代替。电容C4主要是起连接作用，减小两级电路相互间的影响。此电路偏置复杂，需要调节的电位器较多，从可操作性上讲这个电路不好调。还有就是温漂比较大，对后级电路滤波和功率放大电路影响大，不采用。方案三：测量放大器基本理论：运用理想运放的特点，组合成差动放大器。A1、A2构成前级差放，A3构成后级放大。两级运放能为尽量保证不失真放大。设计电路图如下：图4测量放大器电路图前级差放有输入电阻高和共模抑制高等特点，能满足设计要求。而对于整个前级放大电路增益有：Au12=Uo2-Uo1/Ui=1+2*R2/R1；Au3=R4/R3；Au=Au12*Au3;由此可见，只要选择合适的电阻，调节Rp就能使得前置放大电路的增益达到50~100倍。而此电路主要的缺点依然是温漂较大，不采用。因此采取方案一进行前置放大。利用方案一中电路图中的相关数据进行电路设计并进行仿真：输入Vpp为5mV，频率为1kHz。由仿真结果可以看出：输出电压Vpp约为658.5mV，增益为132倍左右。利用输出换算法测量电路输入电阻大于100k满足要求。（2）带通滤波器：方案一：单运放有源滤波电路（a）电路图(b)幅频特性

图5压控电压源二阶带通滤波器工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图1（a）所示。

电路性能参数

通带增益

中心频率

通带宽度

此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。缺点是由于单运放单通滤波器通频带过窄，设计增益不能调节，不采用。方案二：采用高通滤波器和低通滤波器串联起来组成带通滤波器利用LM324芯片，如图设计电路为:图6高通滤波器和低通滤波器串联起来组成带通滤波器此电路是宽带通滤波器,在满足LPF的通带截止频率高于HPF的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串接起来以实现BUTTERWORTH通带响应.用该方法构成的带通滤波器的通带较宽,通带截止频率易于调整,因此采用方案二的电路进行设计。根据设计指标得高通滤波器的fL=300Hz,低通滤波器的fH=3kHz,Au=1,由滤波器截频公式f0=1/2πRC。高通：fH=3kHz令C1=C2=0.1uF,R3=R4=5.3k经过实际调节后，得到实验数据为C1=C2=0.1uF,R2=R3=5.1k低通：fL=300Hz令C3=C4=0.01uF,R5=R6=5.3k经过实际调节后，得到实验数据为C3=C4=0.01uF,R5=R6=5.1k通过仿真可以得到其他数据参数为R1=R7=100k，R4=R8=10k。保证增益基本等于一，调节频率，观察达到0.707Vp_p的频率值，调节使频率为300Hz和3kHz，在误差允许范围内，达到设计指标。（3）功率放大器电路：功率放大电路可以由分立元件组成，也可由线性集成功率放大器组成。集成功率放大器克服了晶体管分立元件功率放大器的诸多缺点，其性能优良，稳定可靠。方案一：芯片TDA2003组成功率放大器电路TDA2003电流输出能力强,谐波失真和交越失真小,各引脚都有交,直流短路保护,使用安全,负载上电压可冲至40V.设计电路图如下： 图7TDA2003功率放大器电路电路分析：Cx=1/2πR1f0；Rx=20R2；RL=1.6～4Ω；仿真的效果不理想，且其特点是静态功耗小，动态功耗大，且随输出的变化而变化，故不采用。方案二：芯片LM386组成功率放大器电路LM386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。设计电路图如下：图8芯片LM386组成功率放大器电路RL=8ΩLM386，当R开路时增益最小，R短路时增益最大。在调节时，LM386很容易烧坏，故不采用。方案三：利用芯片TDA2030电路进行功率放大，如图所示：图9芯片TDA2030功率放大电路图中由前级输入的信号通过C9进入第三级功放中起到了一定的滤直流的作用。安装的电位器R17可以调节增益，两个二极管起到保护芯片的作用，R18和C6可以防止自激，所以采用第三种方案。六、测试结果分析，调试过程中所遇故障的分析（1）测试结果：在连接电路时我们采取分段焊接，分段测量的方法。根据查阅的资料得知前置放大器的增益要小，功率放大电路的增益可以增大。这样可以减小自激产生。因此在连接电路上我们每焊完一级就调一级增益。（1）输入为幅度为5mV，频率为1kHz的小信号（2）将前置放大电路的增益放大至20倍。输出信号幅度为100mV。（3）有源带通滤波器的输出信号幅度为98.715mV,增益约为1，通频带为350Hz~3200Hz.（4）功放电路的输出电路调至到4V左右，约为4.703V。（2）故障分析：1、在连接上8Ω的扩音器，对信号发生器输出的小信号进行放大。结果发现在增加电路增益的时候还是会产生自激现象，并且输出峰峰值一直持续在600毫伏左右。经过调节电位器，自激现象并没有改善。由于产生的为高频自激，根据这一现象我们查阅资料得知，高频自激多数是由于线路分布不合理造成的。对此我们对线路进行了改进。经过不断地尝试，将扩音器的接地线单独接地发现自激现象的到了明显改善，并且在安装上扩音器的电路中输出信号可以达到几伏。2、驻极体话筒和喇叭接入电路中后，我们发现尽管输入小信号时输出波形很好，但是话筒加不进声音，通过话筒输出电压很小。经过查阅资料得知驻极体话筒要加一定的直流偏置才能正常工作，其实实际上就是保证内置场效应管始终处于放大状态。图10驻极体直流偏置电路在图中左端与总电路输入相连，右端与驻极体正极相连。但在实验中我们尝试了多种方案，变换了不同的阻值及电容大小，都无法找到合适的偏置使话筒能够更好的工作。3、用mp3输入声音信号，出现了喇叭自激的现象。于是我们将增益调小，自激现象有改善。但声音输出也很小，只能耳朵紧贴喇叭才能听到声音，语音信号无法放大的问题始终无法解决，而且喇叭的杂音较大。4、TDA2030工作时温度很高有时会影响功率放大效果，工作一段时间后，TDA2030会很热，所以不建议其长时间处于工作状态，另外即使加了散热片也要注意降温。七.设计过程的体会与创新点，建议八.元件清单元件名称型号或参数值数量电阻1M1电位器100k1k10k22k68015.1k10k20k422111411芯片LM3242独石电容电解电容二极管芯片座TDA2030104103100u1u22u15221122九、仿真报告：第一级前置放大电路仿真结果图：输入Vpp为5mV，频率为1kHz输出峰峰值为668.058mV,增益为66.8倍第二级有源带通滤波器仿真结果图：输入为：输出为：输入输出波形重合，故增益约为1.接入波特仪fL约为335