音響放大器設(shè)計

1、學(xué)習(xí)要求了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理，掌握其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)的測試方法； 掌握音響放大器的設(shè)計方法與電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)一、 音響放大器的基本組成1. 話音放大器由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達到20k(亦有低輸出阻抗的話筒如20，200等)，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達到10kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠大于話筒的輸出阻抗。 Ri = R1（R1一般取幾十千歐。）耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定，一般取反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。2. 混合前置放大器混合前置放大器的作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混

2、響后的聲音信號混合放大 。音響放大器的性能主要由音調(diào)控制器與功率放大器決定，下面詳細介紹這兩級電路的工作原理及其設(shè)計方法。3、音調(diào)控制器主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成設(shè)電容C1=C2>>C3，在中、低音頻區(qū)，C3可視為開路，作為低通濾波器；在中、高音頻區(qū)，C1、C2可視為短路，作為高通濾波器。 當f<f0時當RP1的滑臂在最左端低頻時，對應(yīng)于提升最大的情況分析表明，圖(a)所示電路是一個一階有源低通濾波器，其增益函數(shù)的表達式為式中，當f<fL1時，C2可視為開路，運算放大器的反向輸入端視為虛地，R4的影響可以忽略，此時

3、電壓增益在f=fL1時，因為fL2 =10fL1 ，故可由式得,模此時電壓增益相對AVL下降3dB在f=fL2時，由式(3-7-2)得模,此時電壓增益相對AVL下降17dB。當RP1滑臂在最右端時，對應(yīng)于低頻衰減最大的情況同理可以得出圖(b)所示電路的相應(yīng)表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。 當f > f0時音調(diào)控制器的高頻等效電路如圖所示C1、C2可視為短路，作為高通濾波器。將C1、C2視為短路，R4與R1、R2組成星形連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖所示若取R1=R2=R4，則 Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R4 圖(a)為RP2的滑臂在最左端時，對

4、應(yīng)于高頻提升最大的情況圖(b)為RP2的滑臂在最右端時，對應(yīng)于高頻衰減最大的情況分析表明，圖(a)所示電路為一階有源高通濾波器，其增益函數(shù)的表達式為式中,當f<fH1（w<w3）時，C3視為開路，此時電壓增益AV0=-1(0dB) 。 在f=fH1時,因fH2=10fH1由得此時電壓增益AV3相對于AV0提升了3dB在f=fH2時,此時電壓增益AV4相對于AV0提升了17dB當f>fH2時，3視為短路，此時電壓增益AVH = (RaR3)/R3同理可以得出圖(b)所示電路的相應(yīng)表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。實際應(yīng)用中通常先提出對低頻區(qū)fLx處和高頻區(qū)fHx處的提升量或

5、衰減量x(dB)，再根據(jù)下式求轉(zhuǎn)折頻率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即,4、功率放大器功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負載RL(揚聲器)提供一定的輸出功率。當負載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。(1) LA4100 LA4102集成音頻功放(2) 集成功放的典型應(yīng)用圖 LA4100接成OTL電路(2) 集成功放的典型應(yīng)用-外部元件的作用 RF、CF與內(nèi)部電阻 R11組成交流負反饋支路， 控制功放級的電壓增益AVF， 即 CB為相位補償電容。CB減小，帶寬增加，可消除高頻自激。CB一般取幾十皮法至幾百皮法。 CC為OTL電路的輸

6、出端電容，兩端的充電電壓等于VCC/2，CC一般取耐壓值遠大于VCC/2的幾百微法的電容。 CD為反饋電容，消除自激振蕩，CD一般取幾百皮法。 CH為自舉電容，使復(fù)合管T12、T13的導(dǎo)通電流不隨輸出電壓的升高而減小。 C3、C4可濾除紋波，一般取幾十微法至幾百微法。 C2為電源退耦濾波，可消除低頻自激。二、 音響放大器主要技術(shù)指標及測試方法l額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(如<5%)時的最大功率稱為額定功率。其表達式為式中，RL為額定負載阻抗；Vo(有效值)為RL兩端的最大不失真電壓。Vo常用來選定電源電壓VCC,測量Po的條件如下： 信號發(fā)生器的輸出信號(音響放大器的輸入信

7、號)的頻率fi=1kHz，電壓Vi=5mV，音調(diào)控制器的兩個電位器RP1、RP2置于中間位置，音量控制電位器置于最大值，用雙蹤示波器觀測vi及vo的波形，失真度測量儀監(jiān)測vo的波形失真。注意 在最大輸出電壓測量完成后應(yīng)迅速減小Vi，否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。測量Po的步驟是： 功率放大器的輸出端接額定負載電阻RL(代替揚聲器)，逐漸增大輸入電壓Vi，直到vo的波形剛好不出現(xiàn)削波失真(或<3%)，此時對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓，由式(3-7-22)即可算出額定功率Po。l音調(diào)控制特性輸入信號vi (=100mV)從音調(diào)控制級輸入端的耦合電容加入，輸出信號v0從輸出端的耦合電容

8、引出。先測1kHz處的電壓增益Av0(Av0=0dB)，再分別測低頻特性和高頻特性。同樣，測高頻特性是將RP2的滑臂分別置于最左端和最右端，頻率從1kHz至50kHz變化，記下對應(yīng)的電壓增益。 最后繪制音調(diào)控制特性曲線，并標注與fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等頻率對應(yīng)的電壓增益。l頻率響應(yīng)放大器的電壓增益相對于中音頻fo(1kHz)的電壓增益下降3dB時對應(yīng)低音頻截止頻率fL和高音頻截止頻率fH，稱fL fH為放大器的頻率響應(yīng)。 測量條件同上，調(diào)節(jié)RP3使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%。測量步驟是： 音響放大器的輸入端接vi (等于5mV)，RP1和RP2置于

9、最左端，使信號發(fā)生器的輸出頻率fi從20Hz至50kHz變化(保持vi=5mV不變)，測出負載電阻RL上對應(yīng)的輸出電壓Vo，用半對數(shù)坐標紙繪出頻率響應(yīng)曲線，并在曲線上標注fL與fH值。l輸入阻抗將從音響放大器輸入端(話音放大器輸入端)看進去的阻抗稱為輸入阻抗Ri。 如果接高阻話筒，則Ri應(yīng)遠大于20kW。接電唱機，Ri應(yīng)遠大于500kW。 Ri的測量方法與放大器的輸入阻抗測量方法相同。l輸入靈敏度使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓(有效值)稱為輸入靈敏度Vs。 測量條件與額定功率的測量相同，測量方法是，使Vi從零開始逐漸增大，直到Vo達到額定功率值時所對應(yīng)的電壓值，此時對應(yīng)的Vi值即為輸

10、入靈敏度。l噪聲電壓音響放大器的輸入為零時，輸出負載RL上的電壓稱為噪聲電壓VN。 測量條件同上，測量方法是，使輸入端對地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀測輸出負載RL兩端的電壓波形，用交流毫伏表測量其有效值。l整機效率 式中，Po為輸出的額定功率；PC為輸出額定功率時所消耗的電源功率。三、設(shè)計舉例設(shè)計要求：設(shè)計一音響放大器，要求具有音調(diào)輸出控制、卡拉OK伴唱，對話筒與錄音機的輸出信號進行擴音。l已知條件+VCC = +9V，話筒(低阻20W)的輸出電壓為5mV，錄音機的輸出信號電壓為100mV。電子混響延時模塊1個，集成功放LA4102 1只，8W/2W負載電阻RL 1只，8W/4W揚聲

11、器1只，集成運放LM324 1只（或mA741 3只）。l主要技術(shù)指標額定功率Po1W(g<3%)； 負載阻抗 RL=8W； 截止頻率fL=40Hz，fH=10kHz； 音調(diào)控制特性 1kHz處增益為0dB，100Hz和10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH20dB； 話放級輸入靈敏度 5mV； 輸入阻抗 Ri>>20W。設(shè)計過程確定整機電路的級數(shù) 根據(jù)各級的功能及技術(shù)指標要求分配電壓增益 分別計算各級電路參數(shù)，通常從功放級開始向前級逐級計算 根據(jù)技術(shù)指標要求，音響放大器的輸入為5mV時，輸出功率大于1W，則輸出電壓Vo?？傠妷涸鲆鍭v=Vo/Vi>

12、;560倍(55dB)。(1) 功率放大器設(shè)計功放級的電壓增益R11=20K(1) 功率放大器設(shè)計 如果出現(xiàn)高頻自激(輸出波形上疊加有毛刺)，可以在13腳與14腳之間加mF的電容，或減小CD的值。(2) 音調(diào)控制器(含音量控制)設(shè)計已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。 由式(3-7-16)、(3-7-17)得到轉(zhuǎn)折頻率 fL2及fH1； fL2 = fLx *2x/6=400Hz，則fL1 = fL2/10=40Hz ； fH1 = fHx /2x/6 ， 則fH2= 10fH1=25kHz 。由式(3-7-5)得AVL=(RP31+R32)/R3120dB。其中，R31

13、、R32、RP31不能取得太大，否則運放漂移電流的影響不可忽略，但也不能太小，否則流過它們的電流將超出運放的輸出能力。一般取幾千歐姆至幾百千歐姆?，F(xiàn)取RP31=470kW，R31=R32=47kW，則由式(3-7-3)得取標稱值mF，即C31=C32mF。由式(3-7-9)得 R34=R31=R32=47kW ，則 Ra=3R4=141kW由式(3-7-15)得R33=RaW取標稱值13kW由式(3-7-12)得取標稱值470pF取RP32=RP31=470kW，RP33=10kW，級間耦合與隔直電容C34=C35=10mF。 取RP32=RP31=470kW，RP33=10kW，級間耦合與隔

14、直電容C34=C35=10mF。(3) 話音放大器與混合前置放大器設(shè)計圖所示電路由話音放大與混合前置放大兩級電路組成。其中A1組成同相放大器，具有很高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話音放大器電路，其放大倍數(shù)四、電路安裝與調(diào)試技術(shù)1. 合理布局，分級裝調(diào)音響放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機線路進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布線，功放級應(yīng)遠離輸入級，每一級的地線盡量接在一起，連線盡可能短，否則很容易產(chǎn)生自激。安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時特別要注意功放塊、運算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始向后級安裝，也可以從功放級開始向前逐級安裝。安裝一級調(diào)

15、試一級，安裝兩級要進行級聯(lián)調(diào)試，直到整機安裝與調(diào)試完成。3. 電路調(diào)試技術(shù)電路的調(diào)試過程一般是先分級調(diào)試，再級聯(lián)調(diào)試，最后進行整機調(diào)試與性能指標測試。分級調(diào)試又分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試時，將輸入端對地短路，用萬用表測該級輸出端對地的直流電壓。話放級、混合級、音調(diào)級都是由運算放大器組成的，其靜態(tài)輸出直流電壓均為VCC/2，功放級的輸出(OTL電路)也為VCC/2，且輸出電容CC兩端充電電壓也應(yīng)為VCC/2。動態(tài)調(diào)試是指輸入端接入規(guī)定的信號，用示波器觀測該級輸出波形，并測量各項性能指標是否滿足題目要求，如果相差很大，應(yīng)檢查電路是否接錯，元器件數(shù)值是否合乎要求，否則是不會出現(xiàn)很大偏差的。單級

16、電路調(diào)試時的技術(shù)指標較容易達到，但進行級聯(lián)時，由于級間相互影響，可能使單級的技術(shù)指標發(fā)生很大變化，甚至兩級不能進行級聯(lián)。產(chǎn)生的主要原因：一是布線不太合理，形成級間交叉耦合，應(yīng)考慮重新布線； 2。 二是級聯(lián)后各級電流都要流經(jīng)電源內(nèi)阻，內(nèi)阻壓降對某一級可能形成正反饋，應(yīng)接RC去耦濾波電路。R一般取幾十歐姆，C一般用幾百微法大電容與mF小電容相并聯(lián)。由于功放級輸出信號較大，對前級容易產(chǎn)生影響，引起自激。集成塊內(nèi)部電路多極點引起的正反饋易產(chǎn)生高頻自激，常見高頻自激現(xiàn)象如圖所示?？梢约訌娡獠侩娐返呢摲答佊枰缘窒绻Ψ偶壞_與之間接入幾百皮法的電容，形成電壓并聯(lián)負反饋，可消除疊加的高頻毛刺。常見的低頻自激

17、現(xiàn)象是電源電流表有規(guī)則地左右擺動，或輸出波形上下抖動。 產(chǎn)生的主要原因是輸出信號通過電源及地線產(chǎn)生了正反饋?？梢酝ㄟ^接入RC去耦濾波電路消除。為滿足整機電路指標要求，可以適當修改單元電路的技術(shù)指標。圖為設(shè)計舉例整機實驗電路圖，與單元電路設(shè)計值相比較，有些參數(shù)進行了較大的修改。3. 整機功能試聽用8W/4W的揚聲器代替負載電阻RL，可進行以下功能試聽：l 話音擴音 將低阻話筒接話音放大器的輸入端。應(yīng)注意，揚聲器輸出的方向與話筒輸入的方向相反，否則揚聲器的輸出聲音經(jīng)話筒輸入后，會產(chǎn)生自激嘯叫。講話時，揚聲器傳出的聲音應(yīng)清晰，改變音量電位器，可控制聲音大小。l 電子混響效果 將電子混響器模塊按圖接入

18、。用手輕拍話筒一次，揚聲器發(fā)出多次重復(fù)的聲音，微調(diào)時鐘頻率，可以改變混響延時時間，以改善混響效果。l 音樂欣賞 將錄音機輸出的音樂信號，接入混合前置放大器，改變音調(diào)控制級的高低音調(diào)控制電位器，揚聲器的輸出音調(diào)發(fā)生明顯變化。l 卡拉OK伴唱 錄音機輸出卡拉OK磁帶歌曲，手握話筒伴隨歌曲歌唱，適當控制話音放大器與錄音機輸出的音量電位器，可以控制歌唱音量與音樂音量之間的比例，調(diào)節(jié)混響延時時間可修飾、改善唱歌的聲音。整機電路圖設(shè)計任務(wù) P123l功能要求具有話筒擴音、音調(diào)控制、音量控制等功能。 l已知條件集成功率放大器LA4102 1只，高阻話筒20k 1個，其輸出信號為5mV，集成運算放大器mA74

19、1 2只，10/2W負載電阻1只，8/4W揚聲器1只，電源電壓+VCC=+6V。12.1 音頻功率放大電路的設(shè)計一、 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一個音頻功率放大電路。二、 設(shè)計要求 （1）負載電阻 RL = 8 ； （2）額定輸出功率 Po = 10 W ； （3）帶寬 fBW 50 Hz 15kHz ； （4）失真度 r 1% ； （5）音調(diào)控制 低音（100 Hz）±12dB，高音（10 kHz）±12dB； （6）輸入阻抗 Ri 500 k； （7）整機效率 50 %三、方案討論音頻功率放大電路，也即音響系統(tǒng)放大器，用于對音頻信號的處理和放大。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，音響系統(tǒng)

20、中的放大電路也已經(jīng)有以集成電路取代分立元件電路的趨勢。當今的功率集成電路，從輸出功率幾瓦到幾百瓦已經(jīng)形成了系列產(chǎn)品。各種音響專用集成電路，其性能價格比明顯優(yōu)于分立元件。由于集成電路工作可靠、外圍電路簡單、安裝、調(diào)試工作量減少等優(yōu)點，受到專業(yè)人員的青睞。因此，在本實驗的總體方案設(shè)計中應(yīng)盡量采用集成電路來實現(xiàn)。 作為音響系統(tǒng)中的放大設(shè)備，它接受的信號源有多種形式，通常有話筒輸出、唱機輸出、錄音輸出和調(diào)諧器輸出。它們的輸出信號差異很大，調(diào)諧器的輸出電壓可達數(shù)百毫伏，而有些話筒輸出僅為12mV。對于唱片輸出，由于錄制工藝要求和減少錄制噪聲的影響，所以美國唱片工業(yè)協(xié)會（RIAA）規(guī)定了統(tǒng)一的錄制頻率特性

21、，故在設(shè)計唱片放大器時，為使各頻段信號回復(fù)到原來的面貌，要對放大器的頻率特性作相應(yīng)處理，即所謂“均衡”，這樣的放大器稱作均衡放大器。 為了滿足聽眾對頻響的要求和彌補揚聲器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)不足，設(shè)置了音調(diào)控制放大器，希望其調(diào)節(jié)特性能達到國際通用標準。為了充分地推動揚聲器，通常音響系統(tǒng)中的功率放大器能輸出數(shù)十瓦以上功率，而高級音響系統(tǒng)的功放最大輸出功率可達幾百瓦以上。對功率放大器的要求是輸出足夠大功率、效率高、非線性失真少、輸出與負載相匹配等。集成功率放大器通常有OTL和OCL兩種電路結(jié)構(gòu)形式。OTL功放的優(yōu)點是只需單電源供電，缺點是輸出要通過大電容與負載耦合，因此低頻響應(yīng)較差；OCL功放的優(yōu)點是輸

22、出與負載可直接耦合，頻響特性較好，但需要用雙電源供電。 根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及其設(shè)計要求，本實驗將不包括話筒放大器和均衡放大器等內(nèi)容，而只涉及音調(diào)控制放大與功率放大，如圖12.1所示。四、單元電路分析1音調(diào)控制放大器 音調(diào)控制放大器的作用是實現(xiàn)對低音和高音的提升和衰減，以彌補揚聲器等因素造成的頻率響應(yīng)不足。技術(shù)指標通常為：低音（100 Hz）±12dB，高音（10 kHz）±12dB。由此可畫出音調(diào)控制放大器的控制特性如圖12.2所示。目前的高級音響設(shè)備大多已采用“多頻段頻率均衡”電路來達到更好地校正頻響效果。 常用的音調(diào)控制電路有衰減式音調(diào)控制電路和反饋式音調(diào)控制電路兩類，由于后

23、者失真較小，所以應(yīng)用較廣。本系統(tǒng)采用反饋式音調(diào)控制電路，如圖12.3所示。反饋式音調(diào)控制放大電路是由一個音調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)和運算放大器A所組成的負反饋放大器，其中RW1和RW2是分別調(diào)節(jié)低音和高音的兩個電位器，調(diào)節(jié)這兩個電位器可以調(diào)整該電路的負反饋系數(shù)，從而改變放大器的幅頻特性，以達到音調(diào)控制的效果。 為了敘述方便，若選取R1 = R2 = R3 = R，RW1 = RW2 = 9R，RW2 >> R4 ，C1 = C2 ，C3 = C4 且C1 >>C3 。則可獲得如圖12.4所示的全頻段高低音提升和衰減曲線。當?shù)鸵粽{(diào)節(jié)電位器RW1滑向A點時，實現(xiàn)低音提升，當RW1滑向B點

24、時，實現(xiàn)低音衰減。其中 低音最大提升量： 低音最大衰減量： 當高音調(diào)節(jié)電位器RW2滑向C點時，實現(xiàn)高音提升。當RW2滑向D點時，實現(xiàn)高音衰減。其中 高音最大提升量： 高音最大衰減量： 在和之間，曲線是按±6dB/oct斜率變化，假設(shè)給出低頻段處和高頻段處的提升量，且，則有： 有關(guān)上述公式的推導(dǎo)，請參閱相關(guān)參考資料。2功率放大電路對于功率放大電路，除了輸出功率應(yīng)滿足技術(shù)指標外，還要求電路的效率高、非線性失真小，以及輸入端與音調(diào)控制放大器相匹配，輸出端與音箱負載相匹配，否則將會影響放音效果。與負載匹配主要指三個方面，即阻抗匹配、功率匹配和阻尼系數(shù)匹配。功放電路的選用和設(shè)計也是很有講究的，

25、例如應(yīng)盡量采用無瞬態(tài)互調(diào)失真的晶體管放大電路或集成電路；最好采用全對稱型的互補電路并且有良好的開環(huán)技術(shù)指標；補償電路不宜采用過大的滯后電容；大環(huán)路的反饋量不應(yīng)太大；以及一些必要的保護電路。當前的集成功放電路已經(jīng)幾乎把這些要求都考慮在內(nèi)了。 目前各大公司的音響系統(tǒng)集成功率放大電路芯片，都已形成了自己的系列產(chǎn)品，輸出功率從零點幾瓦到100瓦以上。頻帶寬度一般在40 Hz 15 kHz ，諧波失真小于1% 0.3%，內(nèi)部具有完善的保護電路，開環(huán)增益為50 dB 90 dB。這些產(chǎn)品的外圍電路大多已定型，只有少量元件參數(shù)通過電路調(diào)試確定，這樣可大大簡化電路設(shè)計。 根據(jù)本實驗的任務(wù)和要求，完全可采用集成芯片來實現(xiàn)功率的放大。例如常用的功率放大器集成芯片TDA2030，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 電源電壓 ±6 V ±18 V 負載阻抗