陳明海音響放大器課程設(shè)計2

1、第一章.緒論1.1引言 伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對音頻功率放大器的要求越來越高。音頻是多媒體中的一種重要媒體。人能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是 60Hz-20kHz 其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。 本文基于所學(xué)知識模擬制作音響功率放大器，踐實所學(xué)知識掌握程度，并通過對所學(xué)知識來制造和改進相關(guān)產(chǎn)品，實際動手的過程中遇見了很多問題，但是在老師的指導(dǎo)和幫助下解決相應(yīng)的問題。同時在與同組人的討論學(xué)習過程中加強可團隊意識的培養(yǎng)，加強了相互間協(xié)調(diào)合作的能力，從而高質(zhì)、高效的完成本項任務(wù)。1.2 音頻功率放大器概述 音響技術(shù)的發(fā)

2、展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應(yīng)管四個階段。1906年美國的德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了揉電聲技術(shù)的先河。1927年貝爾實驗室發(fā)明了負反饋NFB（Negative feedback）技術(shù)后，使音響技術(shù)的發(fā)展進入了一個嶄新的時代，比較有代表性的如“威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設(shè)計Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介紹了一種成功運用負反饋技術(shù)，成為了Hi-Fi史上一個重要的里程碑。 60年代由于晶體管的出現(xiàn)，使功率放大器步入了一個更為廣闊的天地。晶體管放大器細膩動人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動態(tài)范圍等特點，各種電路也相應(yīng)產(chǎn)生，如：“OT

3、L （Output Transformer Less）” 無輸出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶體管放大技術(shù)的應(yīng)用已相當成熟，各種新型電路不斷出現(xiàn)，成功地將甲、乙放大器的優(yōu)點結(jié)合在一起的超甲類放大電路；具有輸出功率大、失真小的電流傾注式放大電路等等。從而使晶體管放大器成為音響技術(shù)發(fā)展中的主流。在60年代初，發(fā)展至今，厚膜音響集成電路、運算放大集成電路被廣泛用于音響電路。 第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 設(shè)計目的 1、了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理2、掌握其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)測試方法3、掌握音響放大器的設(shè)計方法與電子線路系統(tǒng)的裝

4、調(diào)技術(shù)2.2 設(shè)計要求和技術(shù)指標1） 技術(shù)指標：額定功率P0.3W，負載阻抗為10，頻率響應(yīng)范圍為50Hz-20KHz，輸入阻抗大于20K，放大倍數(shù)20dB。2） 設(shè)計要求：1.設(shè)計話音放大與混合前置放大器、音調(diào)控制級、功率放大級；2.選定元器件和參數(shù)，并設(shè)計好電路原理圖；3.在萬能板或面包板或PCB板上進行電路安裝調(diào)測；4.測試輸出功率；5.測試輸入阻抗； 第三章 方法設(shè)計與論證3.1放大電路設(shè)計方案一：采用A741運算放大器設(shè)計電路，A741通用高增益運算通用放大器,早些年最常用的運放之一.應(yīng)用非常廣泛, 雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓±22V,差分電壓±30V,

5、輸入電壓±18V,允許功耗500mW。方案2：采用LM324通用四運算放大器，雙列直插8腳封裝，的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,四組運放相互獨立。它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運放，輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 方案選?。篈741是 通用放大器,性能不是很好,滿足一般需求，而LM324四運放大器具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉等優(yōu)點，本設(shè)計放

6、大倍數(shù)不高，LM324能達到f=10KHz的頻響要求，故選用LM324四運放大器。3.2音頻放大電路設(shè)計方案一：采用SL34集成功率放大器， SL34是低電壓集成音頻功放，功耗低、失真小，工作電壓為6V，8負載時，輸出功率在300mW以上。主要用于收音機及其它功放。 方案二：采用LA4102集成功率放大器，LA4102在低壓運用時具有較好的性能， 增益可達40dB，效率高且非線性失真小，輸入阻抗約12k。內(nèi)部工作原理與OTL功放基本相同。LA4102集成塊采用帶散熱片的14腳雙列直插式塑料封裝。方案選?。罕痉桨覆捎肔A4102，不采用sl34，,是因為LM34最大輸出功率是300nW多,不合設(shè)

7、計要求的5.8W。3.3設(shè)計思路 音響放大器設(shè)計的框圖如下4.2 3.4設(shè)計參考原理圖： 第四章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計數(shù) 4.1. 設(shè)計要求 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>=2.8V?？傠妷涸鲆鍭v=Vo/Vi>560倍(55dB)。 實際電路中會有損耗，因此要留有充分余地,設(shè)各級電壓增益分配如圖1.1所示。AV4由集成功放級決定，此級增益不宜太大，一般為幾十倍。音調(diào)控制級在f0=1KHZ時增益為1倍（0 dB），實際上會產(chǎn)生衰減，故取AV3=0.8倍（2 dB）。受到運算放大器增益帶寬積限制，話放級與混合放大級若采用A741，其增

8、益也不宜太大。圖1.1 各級電壓增益分配4.2 功率放大器設(shè)計已知條件： RL=8， VI=100mV，+VCC=12V，VEE=12V。性能指標要求： PO=2W。參數(shù)設(shè)定：1. 選用LA4100LA4102集成功放芯片，其內(nèi)部電路如圖1.2所示。圖1.2 LA4100LA4102集成功放的內(nèi)部電路2. 功率放大電路如圖1.3所示。圖1.3功率放大器原理圖3 外部元件的設(shè)定說明及選用：1） 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 AVF=1+R11/RF R11/RF=33 2）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

9、皮法幾百皮法，現(xiàn)取CB =51pF。 3）CC為OTL電路的輸出端電容，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?，F(xiàn)取CC=470F。 4）CD為反饋電容，消除自激振蕩，CD一般取幾百皮法，現(xiàn)取CD=560pF。 5）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， 取CH=220F。 6）C3、C4可濾除紋波，一般取幾十微法到幾百微法，現(xiàn)取C3=220F， C4=100F。 7）C2為電源退耦濾波，可消除低頻自激，取C2=220F。4.3 音調(diào)控制器的設(shè)計1.由電路原理圖可知音調(diào)控制器主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性，理想

10、的控制曲線如圖1.4所示。圖中，f0(等于1KHZ)表示中音頻率，要求增益AV0=0DB；fL1表示低音頻轉(zhuǎn)折(或截止)頻率，一般為幾十赫茲；fL2(等于10 fL1)表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率； fH1表示高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率；fH2(等于10fH1)表示高音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫茲。 由圖可見,音調(diào)控制器只對底音頻與高音頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持0dB不變。因此，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。由運算放大器構(gòu)成的音調(diào)控制器，如圖1.5所示。這種電路調(diào)節(jié)方便，元器件較少，在一般收錄機、音響放大器中應(yīng)用較多。在圖.中RP3稱為音量控制電位器，其滑臂在最上

11、端時，音響放大器輸出最大功率。圖1.5 音調(diào)控制器2.音調(diào)控制器的低頻電路圖1.6 音響放大器低頻等效電路設(shè)電容C1 = C2 >>C3 , 在中低音頻區(qū),C3 可以視為開路,在中高音頻區(qū),C1,C2 可視為短路。1). 當f<時，音調(diào)控制器的低頻等效電路如圖4.6所示。其中，圖1.6為滑臂在最右端，對應(yīng)于低頻衰減最大的情況。分析表明，圖1.6所示電路是一個一介有源低通濾波器，其增益函數(shù)表達式為：A（jw）= ×式中 ，或，或2). 當f<時，C2可以視為開路，運算放大器的反向輸入端為虛地，R4 的 影響可以忽略，此時電壓增益為 3). 在f=時，因為fl2=

12、10fl1故可得Av1= -模此時電壓增益Av1相對下降3dB4).在f=時，得模 此時電壓增益相對下降17dB。同理可以得出圖1.7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。音調(diào)控制器低頻時的幅頻特性曲線如圖1.4中左半部分的實線所示。圖1.7低頻等效電路3. 音調(diào)控制器的高頻電路當f>時，音調(diào)控制器的高頻等效電路如圖1.8所示。1.8音調(diào)控制器高頻等效電路圖1.9 1.8的等效電路由于此時可將C1，C2視為短路，R4與R1，R2組成星型連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖1.9所示。電阻的關(guān)系為 若取，則有：高頻等效電路如圖1.10所示，其中，圖（a）為RP2的滑臂在最在

13、最左端時，對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）所示電路為一價有源高通波器，其增益函數(shù)的表達式為式中 或 或與分析低頻等效電路的方法相同（略），得到下列公式。當f< 時，視為開路，此時電壓增益Av0=1(0dB)。 在f= 時，此時電壓增益相對于相對于提升了3d B。在時， 此時電壓增益AV4相對于AV0提升17d B 當f > 時，C3 視為短路，此時電壓增益 同理可以得出圖（b）所示電路的相應(yīng)的表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。音調(diào)控制器高頻時的幅頻特性曲線1.4中右半部分實線所示。實際應(yīng)用中 ，通過先提出對低

14、頻區(qū)（或）和(或)即 （a） 高頻提升 （b）高頻衰減1.10 圖1.9的高頻等效電路4.4 話音放大器由于人發(fā)出的聲音頻率在340Hz3400Hz之間，聲波在傳播中會產(chǎn)生反射、折射、繞射和干涉等現(xiàn)象，達到話筒的信號比人剛剛成聲帶中發(fā)出來的聲音要小，同時話筒是一種換能器，它將聲能轉(zhuǎn)化為電能，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），則要對話音進行放大。由于聲音在空氣中傳播就會產(chǎn)生諧波失真，諧波失真是指聲音回放中增加了原信號沒有的高次諧波成分而導(dǎo)致的失真，則要在話音放大器中設(shè)計一個低通濾波器。話音放大器的作用是不失真地放大信號（最高頻率可以達

15、到10KHz）。話筒的頻率特性、性噪比和靈敏度直接影響著重現(xiàn)聲音的音質(zhì)。同時要求輸入阻抗遠大于話筒的輸出阻抗。但本次設(shè)計中，輸入信號是由磁帶放音機所提供。4.5 混合前置放大器1. 前置放大器的主要功能任何功率放大器總是要將節(jié)目源輸入的信號進行放大，然后輸出給揚聲器。節(jié)目源的種類有多種多樣，如：傳聲器、收音頭、電唱機、錄音機（放音磁頭）、線路傳輸以及新近出現(xiàn)的CD唱機等。這類節(jié)目源設(shè)備的輸出信號電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏，甚至12伏。而功率放大器的輸入靈敏度是一定的，如果我們在前面設(shè)計的例子中為50mV。這些節(jié)目源信號如果從同一輸入接口輸入放大器，或者由于輸入電平過低，使功率放大器輸

16、出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；或者由于輸入電平過高，使放大器的輸出信號產(chǎn)生嚴重過載失真，失去高保真放大的意義。因此，必須設(shè)置前置放大器，對輸入放大器的各種輸入信號進行處理；或放大，或衰減，或進行阻抗變換，使其與功率放大器的是輸入靈敏度相匹配。在各種音源信號中，除了電平差別外，他們的頻率特性有的也不同，如電唱機輸出信號的頻率特性曲線呈上翹形，磁帶放音的頻率特性曲線也呈上翹形，即低音呈衰減，高音被提升，但他們的衰減和提升的程度又各不相同。這樣，在輸入功率放大器之前，必須進行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)。綜上所述，前置放大器的主要功能為： (1) 對輸入功率放大器的各種音源信

17、號進行加工處理，或放大，或衰減，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配，使功率放大器充分發(fā)揮其放大和保真的功能(2) 進行阻抗變換，使各種音源信號的輸出阻抗能與功率放大的輸入阻抗相匹配，實現(xiàn)信號的高效傳輸。(3) 進行頻率均衡處理，使電唱機和磁帶機輸出信號的頻率特性恢復(fù)成平坦的狀態(tài)。2. 對前置放大器的技術(shù)要求對前置放大器的技術(shù)要求，就是必須要和功率放大器的特性相適應(yīng)，即對功率放大器的技術(shù)要求，同樣也適用于前置放大器，而且對前置放大器還應(yīng)略高一些。否則就不能成為一個高保真“系統(tǒng)”，也就是說，構(gòu)成高保真系統(tǒng)的每一個單元都必須是一個高保真單元。3. 混合前置放大器參數(shù)計算混合前置放大器電路由運放A2組

18、成，為反相輸入加法器電路。根據(jù)增益分配，混合級輸出電壓，而話筒放大器輸出已達到的要求,只要放大三倍就能滿足要求。而錄音機插孔輸出的信號一般為，已基本與第二級輸出相符，不需要再進行放大。所以取。為使音量可調(diào)，電位器取。混合前置放大電路 第五章 主要技術(shù)指標及測試方法5.1額定功率音響放大器失真度小于某一數(shù)值（如<5%）時的最大功率稱為額定功率，即 =UO2/RL式中RL額定負載阻抗；Uo（有效值）RL兩端的最大不失真電壓。 測量Po的條件：信號發(fā)生器輸出頻率f1=1kHz,輸出電壓Ui=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RP3置于最大值，雙蹤示波器觀測

19、Ui及Uo的波形，失真度測量儀監(jiān)測Uo的波形失真。 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），輸入端接Ui，逐漸增大輸入電壓Ui，直到Uo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，由上式可算出額定功率Po，請注意，最大輸出電壓測量后應(yīng)迅速減小，否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。5.2 整機效率 式中，p0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。 第六章 電路安裝與調(diào)試6.1 電路安裝合理布局，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，功方級應(yīng)遠離輸

20、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，安裝時應(yīng)該特別注意功放塊，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)試一級，安裝兩級后進行級聯(lián)調(diào)試。本實驗安裝與調(diào)試我們采取的是后一種方法。即從功放級向前安裝與調(diào)試。6.2電路的調(diào)試實踐表明，新安裝完成的電路板，往往難于達到預(yù)期的效果。這是因為人們在設(shè)計時，不可能周全地考慮到元件值的誤差、器件參數(shù)的分散性等各種復(fù)雜的客觀因素，此外，電路板安裝中仍有可能存在沒有查出的錯誤。通過電路板的測試和調(diào)整，可發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計方案的不足，并查

21、出電路安裝中的錯誤，然后采取措施加以改進和糾正，就可使之達到預(yù)定的技術(shù)要求。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)試有分為靜態(tài)調(diào)試和動態(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兩端充電電壓也為VCC/2。動態(tài)調(diào)試是指輸入端接規(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，是否是不會出現(xiàn)很大偏差的。單級電

22、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)生很大的變化，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)當考慮重新布線；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0.1uF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6.1所示?？梢约訌娡獠侩娐返呢摲答佊枰缘窒绻Ψ偶壞_與腳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

23、低頻自激現(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)指標與單元電路設(shè)計植相比較，有些參數(shù)進行了較大的修改。圖5.1 常見高頻自激現(xiàn)象6. 整機功能試聽用8歐/4瓦的揚聲器代替負載電阻R，可能進行以下功能試聽:(1). 話音擴音 將低阻話筒接話音放大器的輸出端。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，改變音量的相位器，可控制聲音大小。(2). 電子混響效果 將電子混

24、響器模塊接入。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。(3). 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。(4). 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量之間的比例，調(diào)節(jié)混延時時間可修飾、改善歌唱的聲音。6.4電路測試結(jié)果測得各級電壓如下：話筒輸入電壓 VO5mv 話放級輸出電壓V144mv混放級輸出電壓V2132mv 音調(diào)級輸出電壓V391mv功放級輸出電壓V43.

25、1v 6.5 數(shù)據(jù)處理：6.5.1增益的計算：話放級電壓增益Av17.9 混放級電壓增益Av2.9音調(diào)級電壓增益Av1 功放級電壓增益Av32.96.5.2誤差計算 (1).性能調(diào)試:外接錄音機,調(diào)節(jié)電位器,找出每個電位器最佳位置,使揚聲器音效達到不失真而聲音最大.此時,音箱放大器性能最佳. (2).分析1.輸出有干擾信號這主要是由于低通濾波器沒有起到理想的低通濾波的效果引起的。2.前值放大輸出有干擾波形主要是運放集成塊產(chǎn)生了自激現(xiàn)象，產(chǎn)生了干擾信號，使輸出信號有干擾波形。3.產(chǎn)生自激現(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主要是輸出信號通過電源及地線產(chǎn)生了正反饋。圖1:音調(diào)級的輸出波形圖2 功放級輸出波形 圖3:音響放大器的輸出波形3.元器件為非精密元器件,存在一定誤差,影響產(chǎn)品質(zhì)量4.測量儀器存在誤差,為非精密萬用表(DT830),影響了測量結(jié)果.5.萬用表測量結(jié)果不穩(wěn)定,讀數(shù)有誤差;數(shù)據(jù)計算中,結(jié)果精確到小數(shù)點后一位有效數(shù)字.6.功率放大級有元件參數(shù)不準確,有一個1歐電阻因沒配到用10歐代替,加大了誤差. 第七章 音響放大器元件清單