音响放大器课程设计与制作-模电课程设计,毕业设计

1、课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院信息工程学院 题题 目目: : 音响放大器设计与制作音响放大器设计与制作 初始条件：初始条件：集成芯片 LM324 三块，LM386 一块，瓷片电容，电解电容，电位器 若干，4/0.5W 扬声器一个。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （1）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： 50dB； （2）电路要求有独立的前置放大级（放大话筒信号）

2、。 （3）电路要求有独立的功率放大级。 时间安排：时间安排： 2016 年 1 月 10 日 查资料 2016 年 1 月 11，12 日 设计电路 2016 年 1 月 13 日 仿真 2016 年 1 月 14 日，15 日 实物调试 2016 年 1 月 16 日 答辩 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 目录目录 摘摘 要要.3 3 ABSTRACTABSTRACT.4 4 电路方案的比较与论证电路方案的比较与论证.5 5 1.1 音响放大器的总设计 .5 1.2 放大电路的比较与论证 .5 1.3 音

3、频功率放大电路的比较与论证 .6 2 2 核心元器件介绍核心元器件介绍 .7 7 2.1 LM324 的介绍.7 2.2 LM386 的介绍.9 3 3 电路设计电路设计 .1010 3.1 直流稳压电源电路的设计 .10 3.2 话音放大器 .11 3.3 混合前置放大器 .11 3.4 音调控制器 .12 3.5 功率放大电路的设计 .17 3.6 总电路图 .18 4 4 用用 MULTISIMMULTISIM 进行仿真进行仿真 .1818 4.1 话放与混放性能测试 .18 4.2 单独功放性能测试 .20 4.3 整体性能测试 .20 4.4 仿真结果分析.22 5 5 音响放大器的

4、技术指标的测试音响放大器的技术指标的测试 .2323 5.1 相关性能参数的测量 .23 5.2 整机信号试听 .24 5.3 实物调试 .24 心得与体会心得与体会.2525 参参 考考 文文 献献.2626 附件附件 1 1：电路原理图：电路原理图 .2727 附件附件 2 2：元件清单：元件清单 .2828 附件附件 3 3：实物图：实物图 .2929 附件附件 4 4：本科生课程设计成绩评定表：本科生课程设计成绩评定表 .3030 摘摘 要要 本文介绍了音响的构成、功能、及工作原理，音响放大器所需要设计的电 路为话音放大器，混合前置放大器，音调控制器及功率放大器。话音放大器的 作用是不

5、失真的放大声音信号。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗；音调控 制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，因此音调控制器的电路可由低 通滤波器与高通滤波器组成。 关键词：音响放大器；话放级；混合前置放大器，音调控制级；功放级。 Abstract This paper introduces the structure, function and working principle of the sound system, and the design of the circuit is the voice amplifier, the hybrid preamplifier, the pitch

6、controller and the power amplifier. The function of the voice amplifier is to amplify the sound signal without distortion. The input impedance should be far greater than the output impedance of the microphone; pitch controller is mainly controlling and regulating the amplitude frequency characterist

7、ics of the audio amplifier, so the tone control circuit can be composed of a low pass filter and high pass filter. Key words : Audio amplifier; audio amplifier; hybrid preamplifier, pitch control level; power amplifier. 电路方案的比较与论证 1.1 音响放大器的总设计 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

8、开始向前级逐级计算。根据本 设计要求，输入信号为 5mv，负载为 4/0.5W 的扬声器，因此电路系统的总电 压增益 Av=316(50dB)。各级分配如下图 1.1.1。功放级增益由集成功放块决定， 取 Av4=20(26dB)，音调控制级在 f=1KHZ 时，增益应为(0dB)，但实际电路有可 能产生衰减，取 Av3=0.8(-2dB)。话放级与混合级一般采用运算放大器，但会 受到增益带宽积得限制，各级增益不宜太大，取 Av1=8.5(26dB)， Av 2=3（9.5dB)。可以通过控制滑动变阻器来控制输出，上述分配方案还可在 实验中适当变动。 1.2 放大电路的比较与论证 方案一：采用

9、 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。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

10、，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 功放级音调级混合级话放级 AV1=8.5 18.5dBAV2=3 9.5dBAV3=0.8 -2dBAV4=20 26dB 5mv 125mv42mv100mv 2.0V 图 1.1.1 增益分配示意图 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。 1.3 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

11、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：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。 方案三： 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

12、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。 方案选取： 本课题要求音响放大器的额定功率在 0.5w，然而 TDA2030 输出功率太大， 故选用 LM386。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。 2 核心元器件介绍 2.1 LM324 的介绍 LM324 引脚图简介： LM324

13、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，

14、表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。实物如图 2.1.1，LM324 的引脚排列见图 2.1.2。 图 2.1.1 LM324 图 2.1.2 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-32V。 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。 8.行业标准的引脚排列。 9.输入端具有静电保护功能。 图 2.1.3 典型原理图（所示为电路的四分之一） LM324 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

15、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。 2.2 LM386 的介绍 LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电 源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广

16、泛应用于 录音机和收音机之中。 LM386LM386 内部电路内部电路 LM386 内部电路原理图如图 2.2.1 所示。与通用型集成运放相类似，它是 一个三级放大电路。 图 2.2.1 第一级为差分放大电路，T1 和 T3、T2 和 T4 分别构成复合管，作为差分放 大电路的放大管；T5 和 T6 组成镜像电流源作为 T1 和 T2 的有源负载；T3 和 T4 信号从管的基极输入，从 T2 管的集电极输出，为双端输入单端输 出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出 电路的增益近似等于双端输出电容的增益。 第二级为共射放大电路，T7 为放大管，恒流源作有源负载，增大放大

17、倍数。 第三级中的 T8 和 T9 管复合成 PNP 型管，与 NPN 型管 T10 构成准互补输出 级。二极管 D1 和 D2 为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。 引脚 2 为反相输入端，引脚 3 为同相输入端。电路由单电源供电，故为 OTL 电路。输出端（引脚 5）应外接输出电容后再接负载。 电阻 R7 从输出端连接到 T2 的发射极，形成反馈通路，并与 R5 和 R6 构成 反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。 LM386 的外形和引脚的排列如图 2.2.2 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

18、 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 10F。 图 2.2.2 查 LM386 的 datasheet，电源电压 4-12V 或 5-18V(LM386N-4)；静态消耗电 流为 4mA；电压增益为 20-200；在 1、8 脚开路时，带宽为 300KHz；输入阻抗 为 50K；音频功率 0.5W。 3 电路设计 电路整体设计 3.1 直流稳压电源电路的设计 各种电器设备内部均是由不同种类的电子电路组成，电子电路正常工作需 要直流电源，为电器设备提供直流电的设备称为直流稳压电源。直流稳压电源 可以将 220V 的交流输入电压转

19、变成稳定不变的直流电压，如图 3.1.1。 22ov AC 变压电路 Uo 直流 整流电路滤波电路稳压电路 图 3.1.1 电源组成框图 话音放大器 磁带放音机 混合前置放 大器 音调控制器功率放大器 话筒 扬声器 3.2 话音放大器 由于话筒的输出信号一般只有 5mV 左右，而输出阻抗达到 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，其放大倍 数 Av=1+R4/R1=8.5 倍。 3.3 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

20、号混合放大。混合前置放大器电路图如图 3.3.1。 图 3.3.1 根据 (式 3.3.1) 2 2 1 1 i f i f O V R R V R R V 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 =30K R2=10K；音放机输出插孔的信号电压一般为 100mV，已基本达到放大的要求不需要话。取 R6 =30k 。 音响放大器的性能主要由音调控制器与功率放大器决定，下面详细介绍这 两级电路的工作原理及其设计方法。 3.4 音调控制器 主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图 3.4.1 图 3.4.1 f0（等于

21、1kHz）表示中音频率，要求增益 AV0=0dB 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 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。 C5 图 3.4.2 音调控制器电路 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 0

22、ff 当 RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况，如图 3.4.3。 1 当 RP1的滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况，如图 3.4.4。 2 分析表明，图 2.4.2 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 3.4.1) 1 2 1 21 / )(1 / )(1 )( j j R RRP V V jA i o 式中或者 21 1 1 CRP 21 1 2 1 CRP fL , 或 221 21 2 )( CRRP RRP 221 21 2 2 )( CRRP RRP fL 图 2.4.3 所示电路是一个一阶有源低通滤波器，当时，C2可视为开路， 1

23、L ff 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： 1 21 )( R RRP AVL 图 3.4.3 RP1的滑臂在最左端的等效电路图 3.4.4 RP1的滑臂在最右端的等效电路 在当,故可由下式： 121 10 LLL ffff时，因为 1 2 1 21 / )(1 / )(1 )( j j R RRP V V jA i o 得： 计算其模： j j R RRP VA 1 1 . 01 1 21 1VL VA R RRP A5 . 0 2 1 21 1 此时的电压增益相对于 AVL下降了 3dB。 在当,故可由式 3.4.1时， 2L ff 得： 计算其模

24、： 101 1 1 21 2 j j R RRP AV VL VA R RRP A14 . 0 10 2 2 1 21 2 此时的电压增益相对于 AVL下降了 17dB。 同理可以得出图 3.4.4 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 0 ff C1、C2视为短路电路作为高通滤波器的等效电路如图 3.4.5： 图 3.4.5 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 3.4.6： 若取 R1=R2=R4,则 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 当 RP2的滑臂在最左端高频时，对应于高频提升最大的

25、情况，如图 1 2.4.6： 当 RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况如图 3.4.8。 2 分析表明，图 3.4.7 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 3.4.2） 4 3 i / )j (1 / )j (1 a b )j ( R R V V A O 式中或者 33 3 )CR(Ra 1 33 1 )CR(Ra2 1 H f Rc RP2 Vo Vi C3 R3 Ra Rb 图 3.4.6 高通滤波器等效电路的转换电路 vo 图 3.4.7 RP2的滑臂在最左端的等效电路图 3.4.8 RP2的滑臂在最右端的等效电路 , 或 33 4 1 CR 3

26、3 2 2 1 CR fH 当时，C3视为开路，此时电路电压增益 AVO=-1（0dB） 。)( 31 H ff 在当时，因为，由式 2.4.2 得 AV3=AVO 1H ff 12 10 HH ff2 此时电压增益 AV3相对于 AVO提升了 3 dB。 在当时，C3视为开路，此时电压增益 AV4=AVO 2H ff 2 10 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 2H ff 同理可以得出图 3.4.9 所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰 减量。 根据音响放大器的设计技术指标，结合的表达式可知， V

27、L A 、的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取，有 1 R 2 R 1 PR 1 PR470K ，。 2 11 1 0.008 2 L CF f PR 1 2 2 1 PR 52 1 L L RK f f 取标称值，则，。由前述的假设条件可得， 2 0.01CF 2 51RK ， ， 123 51RRRRK 12 PR =PR470K 12 0.01CCF 。由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为，所以级 3 470CpF 1 R 间耦合电容可取。10 io CCF 图 3.4.9 中频区增益等效电路 通过上述分析计算，各元件的参数如下图 3.4.10 所示 图 3.4.10 3.5 功率放大

28、电路的设计 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 3.5.1 由 Av=2R7/（R5+R6/R18） ，根据增益的分配，当 1.8 之间的电阻恰好为零 时，此时电压增益为 20 倍，故取 R18=0。电路如上图 3.5.1 3.6 总电路图 图 3.6.1 4 用Multisim进行仿真 4.1话放与混放性能测试 话放仿真结果：输入 1kHz 的 5mVp 正弦波的情况下放大倍数为 8.5 倍 电路情况良 好 图4.1.1 输出波形： 图4.1.2 话放

29、和混合放大器仿真结果：电压增益25.7，电路情况良好 图4.1.3 输出波形： 图4.1.4 4.2单独功放性能测试 输入信号100mVp,频率1k Hz,电压增益Av=20,如图4.2.1所示，输出与输入端波 形如图4.2.2，波形良好，未出现失真，电路状态良好。 图 4.2.1 图 4.2.2 4.3整体性能测试 1.输入5mVp,50 Hz信号，波形如图4.3.1所示，未出现失真情况。通过调节滑动 变阻器功率可达到0.5W。 图4.3.1 2.输入5mVp,1kHz的信号，电压增益大于316满足要求，增益如图4.3.3所示，输 出输入波形如图4.3.4所示，未为出现失真。调节功率为0.5

30、W。 图4.3.3 图4.3.4 3.输入5mVp,20kHz的信号，电压增益大于316，如图4.3.5所示，输出输入波形 如图4.3.6所示，未出现失真。调节功率为0.5W。 图4.3.5 图4.3.6 4.4 仿真结果分析 在输入频率为 5OHz20KHz 时，得到的波形良好，说明在 50Hz20KHz 有良好的 频率响应。并且得到的放大倍数也在 316 倍以上，达到了要求的衰减度，说明方案 是可行的，仿真成功。 5 音响放大器的技术指标的测试 5.1 相关性能参数的测量 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

31、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，此时对应最大输出电压，同时可算出额定功率值。 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。

32、 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。 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，音调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 达到额定功率值时的输入电压值即为输入灵敏度。 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

33、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。 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，则效率为 o CC P VI 5.2 整机信号试听 用 8、0.5W 的扬声器代替负载电阻 RL，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人端，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人后，会产生自 激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音量电位器，可控制声音大 小。 2.Mp3 音乐试听：

34、将 MP3 输出的音乐信号，接入混合前置放大器，扬声器 传出的声音应清晰，改变音量电位器，可控制声音大小。 3.混音功能：MP3 音乐信号和话筒声音同时输出，扬声器传出的声音应清 晰，适当控制话音放大器与 Line In 输出的音量电位器，可以控制话音音量与音 乐音量之间的比例。 5.3 实物调试 1.对话放级进行调试：调节函数信号发生器，输入 1k Hz,有效值为 5mV 的 信号，用电表对输出端电压进行检测，并用示波器观察波形，测得输出信号 41.5mV,Av=8.3,满足仿真要求。 2.对混放级进行调试：输入 1k Hz,有效值 41.5mV 的信号，测得输出电压信 号 134mV,Av=3.2,满足仿真要求。 3.对功放级进行调试：输入 1K HZ,有效值 100mV 的信号，测得输出电压 2.914V,AV=30,放大倍数过大，通过检测发现 1 端和 8 端接有电阻，使得增益表 达式中分母变小，从而放大倍数增大。 4.整机调试：用杜邦线将各级连接在一起，输入信号，结果输出交流信号 为零，电路出现故障。 心得与体会 本学期我们开设了模拟电子技术基础这门课，正所谓“纸上谈兵终觉 浅，觉知此事要躬行。 ”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索 是不够的，通过这次课程设计不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、 真正的