音响放大器课程设计

模拟电路课程设计包含四个设计题目，按以下要求4.按范例要求得到改变技术指标后的设计结果，并按范例格式写出课程设计报告。题目:音响放大器专业电气工程及其自动化班级方0910—2学号20216559姓名完成日期:2021年6月26日一．课程设计内容设计一个具有话筒扩音，音调控制，音量控制，电子混响，卡拉OK伴唱等功能的音响放大器。主要技术指标〔1〕额定功率Po≤1W(γ<3%)〔2〕负载阻抗RL=8Ω〔3〕频率响应fL=40Hz，fH=10KHz。〔4〕输入阻抗Ri＞＞20kΩ。〔5〕音调控制特性1kHz处增益为0dB、100Hz和10kHz处有±12dB的调节范围，AVL=AVH≥20dB。给定条件〔1〕电源电压VCC=+9V。〔2〕话筒输出信号电压为5mV。〔3〕录音机的输出信号电压为100mV。二．课程设计应完成的工作1、设计文本按学校的规定要求撰写。2、独立完成设计任务〔不能相互抄袭〕。3、按标准要求绘制一张3号电路原理图。一、实验目的了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法；掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术。二、实验原理音响放大器的原理框图：话音放大器话音放大器电子混响器音调控制器功率放大器磁带放音机图2.1音响放大器的组成框图话筒话筒话筒话音放大器：无失真地放大人的语音信号。电子混响器：用来电路模拟声音的屡次反射，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，是实现卡拉OK伴唱多功能音效的重要组成局部。磁带放音机：放音机输出音乐信号。混合前置放大器：将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大。音调控制器：音调控制器要求只对低音频和高音频的增益进行提升或者衰减，中音频的增益保持为0dB不变。功率放大器：给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。三、预习思考课题要求：设计一个具有话筒扩音，音调控制，音量控制，电子混响，卡拉OK伴唱等功能的音响放大器。主要技术指标〔1〕额定功率Po≤1W(γ<3%)〔2〕负载阻抗RL=8Ω〔3〕频率响应fL=40Hz，fH=10KHz。〔4〕输入阻抗Ri＞＞20kΩ。〔5〕音调控制特性1kHz处增益为0dB、100Hz和10kHz处有±12dB的调节范围，AVL=AVH≥20dB。给定条件〔1〕电源电压VCC=+9V。〔2〕话筒输出信号电压为5mV。〔3〕录音机的输出信号电压为100mV。简析：由话筒输出信号电压要求5mV，而输入阻抗要远大于20KΩ，所以话音放大器的作用是无失真地放大声音信号〔通频带要求fL=50Hz，fH=20KHz〕,其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。混合前置放大器将放大后的话音信号与由磁带放音机传送来的音乐信号混合放大，起到了混音的功能。音调控制器主要控制和调节音响放大的頻幅特性，以产生不同的放音效果。四、实验内容完成预习要求中音响放大器的设计。设计放大电路分三级，电路总增益要求约400~1000，需要合理分配每级增益。话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为5~10倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为3~5倍左右，功放的增益30倍左右，所以RF的取值600Ω左右目录音响放大器的组成框图························································2单元电路设计话音放大器······························································2电子混响器······························································3混合前置放大器··························································3音调控制器······························································4功率放大器······························································9主要技术指标参数计算话音放大器的设计·······················································10混合前置放大器的设计···················································10话音放大器与混合前置放大器的混合设计···································10音调控制器的设计·······················································113.4.1.音调控制器的仿真··················································12功率放大器的设计·······················································14整机电路设计···························································15音响放大器的测试相关性能参数的测量·····················································17整机信号的试听·························································18实验设计总结与感悟·························································18参考文献····································································19

总体方案的论证：一、音响放大器的组成框图：话音放大器话音放大器电子混响器音调控制器功率放大器磁带放音机图1.1音响放大器的组成框图话筒二、单元电路设计2.1话音放大器耦合电容C1、C3的计算：由表可知μA741的输入电阻为20KΩ，又fL=40Hz，那么C1为：取C10μFC3是输出耦合电容，连接下一级的负载电阻即使最低也在100KΩ以上。图话音放大电路取C30μF图话音放大电路反应支路的隔直电容C2一般取几微法。2.2电子混响器电子混响器的组成框图如下图。其中，集成电路BBD成为模拟延时器，其内容含有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。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入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配有专用时钟电路，如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD配套。BBD延时器BBD延时器时间脉冲产生器缓冲级图电子混响器组成框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混合放大。R1R1RFVi2Vi2Vi1图混合前置放大器Vi1为话筒放大器输出的电压，Vi2为放音机输出的电压，Vo为混合后输出的电压。三者之间的关系为2.4音调控制器音调控制器要求只对低音频和高音频的增益进行提升或者衰减，中频区增益为0dB。因此，音调控制器可以由低通滤波器和高通滤波器构成。图音调控制器电路图音调控制器电路C5设电容C1=C2>>C3，在低频区C3可以视作开路,电路作为低通滤波器；在中高频区，C1、C2可以视为短路，电路作为高通滤波器。具体分析如下：〔1〕当时eq\o\ac(○,1)当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况，如图。图图RP1的滑臂在最左端的等效电路图RP1的滑臂在最右端的等效电路eq\o\ac(○,2)当RP1的滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况，如图。分析说明，图所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为：(式)式中或者,或图所示电路是一个一阶有源低通滤波器，当时，C2可视为开路，运放的反向输入端可以视为虚地，R4的影响可以忽略，其增益函数的表达式为：在当,故可由下式：得：计算其模：此时的电压增益相对于AVL下降了3dB。在当,故可由式得：计算其模：此时的电压增益相对于AVL下降了17dB。同理可以得出图所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰减量。〔2〕当时C1、C2视为短路电路作为高通滤波器的等效电路如图：图图高通滤波器的等效电路将C1、C2视为短路,R1、R2、R4从星型连接改做为三角形连接后的电路图如图：RcRP2VoViCRcRP2VoViC3R3RaRb图高通滤波器等效电路的转换电路假设取R1=R2=R4,那么Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4eq\o\ac(○,1)当RP2的滑臂在最左端高频时，对应于高频提升最大的情况，如图：vovo图RP2的滑臂在最左端的等效电路图RP2的滑臂在最右端的等效电路eq\o\ac(○,2)当RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况如图。分析说明，图所示电路是一个一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为：〔式〕式中或者,或当时，C3视为开路，此时电路电压增益AVO=-1〔0dB〕。在当时，因为，由式得AV3=AVO此时电压增益AV3相对于AVO提升了3dB。在当时，C3视为开路，此时电压增益AV4=AVO此时电压增益AV4相对于AVO提升了17dB。在当时，C3视为短路，此时电压增益AVH=〔Ra+R3〕/R3同理可以得出图所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰减量。图中频区增益等效电路图中频区增益等效电路音调控制电路的幅频特性曲线如下图：图图音调控制电路波特图根据音响放大器的设计技术指标，要使，结合的表达式可知，、、的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取，有，。取标称值，那么，。由前述的假设条件可得，，，，，由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为，所以级间耦合电容可取。2.5功率放大器功率放大器(简称功放)的作用是给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。图LA4100~LA4102集成功率放大器内部电路图LA4100接成OTL电路图LA4100接成OTL电路三、主要技术指标参数计算根据技术指标要求，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。音响放大器的输入为5mV时，额定功率P≥1W，负载阻抗为8Ω，那么输出电压总电压增益AvΣ=Vo/Vi>566倍，由于实际电路中会有损耗，故取Av=600各级增益分配如下列图所示功放级功放级音调级混合级话放级AV1AV2=1AV3=AV4=1005mv30mv3V图3.1增益分配示意图电路总增益要求约400~1000，需要合理分配每级增益。话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为5~10倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为3~5倍左右，功放的增益30倍左右，所以RF的取值600Ω左右。3.1话音放大器的设计如下图，话音放大电路等于7.5，令R2等于20KΩ，有可得等于130K。要求远大于20KΩ，而输入阻抗约为R1，那么R1取500KΩ，1uF,C3,C2取几个微法。3.2混合前置放大器的设计根据Vi1为话筒放大器输出的电压，Vi2为放音机输出的电压，Vo为混合后输出的电压。所以取Rf=30KΩR1=10KΩ；音放机输出插孔的信号电压一般为100mV，已根本到达放大的要求不需要话。取R2=30kΩ。话音放大器与混合前置放大器的混合设计μFμFμF2μF130KΩRƒ图图话音放大与混合前置放大两级电路组成综合电路3.4音调控制器的设计根据音响放大器的设计技术指标，要使，结合的表达式可知，、、的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取，有，。取标称值，那么，。由前述的假设条件可得，，，，，由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为，所以级间耦合电容可取。图图音调控制器实现电路fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。fL2及fH1；fL2=fLx*2x/6=400Hz，那么fL1=fL2/10=40Hz；fH1=fHx那么fH2=10fH1=25kHz音调控制器的仿真EDA仿真电路图设计如下：图.1图.1音调控制器的仿真示意图1、低音衰减与提升：将高音提升与衰减电位器PR2滑动端调到居中位置〔即可变电阻器PR1的百分比为50%〕，低音提升和衰减电位器PR1滑头调到最左边〔低音提升最大位置，即可变电阻器PR1的百分比为100%〕.①调节信号发生器，使输出信号f=40HZ,Vm=100mV,调节电路中音量调节电位器PR3，使电路输出电压到达最大值，记录此时PR3的数值和输出电压的幅值。PR3=0KΩVom=mV②保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪接入电路，设置工作频率的范围为40HZ----1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。〔由于此时C1被短路，当F增大是，Vo将减小。〕观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处低音局部的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。F=40HZ时，低音的最大提升量=③将低音提升和衰减电位器PR1滑动端调到最右边〔低音衰减最大位置，即可变电阻器PR1的百分比为0%〕，重复〔3〕的步骤。〔由于此时C2被短路，当f增大时，Vo将增大。〕F=40HZ时，低音的最大衰减量=-2、高音提升和衰减将低音提升与衰减电位器PR1滑动端调到居中位置〔即可变电阻器PR1的百分比为50%〕，高音提升和衰减电位器PR2滑头调到最左边〔低音提升最大位置，即可变电阻器PR2的百分比为100%〕.①调节信号发生器，使输出信号f=10KHZ,Vm=100mV,调节电路中音量调节电位器PR3，使电路输出电压到达最大值，记录此时PR3的数值和输出电压的幅值。PR3=0KVom=463mV②保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪介入电路，设置工作频率的范围为10KHZ----1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。〔由于此时C2被短路，当F减少时，Vo将减小。〕观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处高音局部的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。F=10KHZ时，高音的最大提升量=③将高音提升和衰减电位器PR2滑动端调到最右边〔高音衰减最大位置，既可变电阻器PR2的百分比为0%〕，重复〔3〕的步骤。〔由于此时C2被短路当f减少时，Vo将增大。〕F=10KHZ时，高音的最大衰减量=-12.78dB因为故取RF=200Ω图图功率放大器的设计图①RF、CF与内部R11组成交流负反应支路，控制功放级的电压增益AVF,即：②CB为相位补偿电容，CB减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十到几百皮法。③CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压为等于VCC/2.，CC一般取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。④CD为反应电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法。⑤CH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。⑥C3、C4可滤除纹波，一般取几十至几百微法。⑦C2为电源退耦滤波，可消除低频自激。6、整机电路设计CC1C3RfR1R2-+C2A1+++9VAB+150KΩ500KΩ20KΩ1uF10uF10uF话筒R11RfR21R32C21C12C22C31RP1-+RP2A2放音机R31+9VR1R3R4R2Rp2C1C3C5C4C2-+Rp1+9VVo47KΩ47KΩ470KΩ47KΩ13KΩ470KΩR010KΩ6800pF6800pF10uF10uF560pF++++RfCfCBC1C2220uFC3220uFC4100uFCHCDCC9V4102+-1KΩ4.7uF33uF51pF470uF220uF++++++++560pF电子混响器10uF10uF10uF30KΩ10KΩ10KΩ30KΩ10KΩ图图音响放大器整机电路设计四.音响放大器的测试eq\o\ac(○,1)额定功率：音响放大器输出失真度小于某一数值时的最大功率称为额定功率，其表达式为：PO=VO2/RL，式中，RL为额定负载阻抗，VO为RL两端的最大不失真电压有效值。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号，功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，用双踪示波器观察Vi及Vo的波形，失真度测量仪监测Vo的波形失真〔无失真度仪可用肉眼观察无明显失真〕。逐渐增大输入电压Vi，直到输出的波形刚好不出现削波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压，同时可算出额定功率值。eq\o\ac(○,2)频率响应：调节音量旋钮使输出电压约为最大输出电压的50%，Vi=5mV，测量方法和其他实验中幅频特性曲线的测量方法相同。eq\o\ac(○,3)输入阻抗：从音响放大器输入端(话音放大器输人端)看进去的阻抗称为输入阻抗，测量方法和放大器的输人阻抗测量方法相同。eq\o\ac(○,4)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。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号，功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，测量方法是，使Vi从零开始逐渐增大，直到Vo到达额定功率值时所对应的输入电压值即为输入灵敏度。eq\o\ac(○,5)噪声电压：音响放大器的输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压，测量时功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，输入端对地短路，用示波器观测输出负载RL端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。eq\o\ac(○,6)整机效率：在输出额定功率的情况下，将电流表串入VCC支路中，测得总电流I，那么效率为整机信号试听用8Ω、4W的扬声器代替负载电阻RL，进行以下功能试听：eq\o\ac(○,1)话音扩音：将低阻话筒接话音放大器的输人端，应注意，扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反，