模拟电路课程设计音响放大器.docx
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模拟电路课程设计音响放大器
模拟电路课程设计报告
设计课题：
音响放大器设计
专业班级：
电子信息工程
学生姓名：
学 号：
指导教师：
设计时间：
音响放大器
一、设计任务与要求（标题均为小三号，宋体）
1．设计要求
1）了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握外围电路的设计与主要参数的测试方法。
2）掌握音响放大器的设计方法。
3）能够使用电路仿真软件进行部分电路调试。
2．设计指标（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1）设计一音响放大器，要求具有音调输出控制，对话筒的输入信号进行扩音。
2）以集成功放和运放为核心进行设计
3）指标：
已知：
VCC=+9V，话筒模拟输入电压为5mV，负载RL=8欧姆
频率范围：
40Hz~10KHz
音调控制特性：
1KHz处为0分贝，100Hz~10KHz处有上下12分贝的调节范围。
增益：
大于20分贝。
额定输出功率：
大于等于1W
3．设计过程
根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时，输出功率大于1W，则输出电压Vo>=2.8V。
总电压增益AvΣ=Vo/Vi>560倍（55dB）。
图一各级增益分配图
二、方案设计与论证
（首段，对设计要求的总体分析）
2.1功率放大器设计
图二LM386低电压通用型集成功率放大器
功放级的电压增益
R11=20K
2．2功率放大器设计
如果出现高频自激（输出波形上叠加有毛刺），可以在1脚与8脚之间加0.15F的电容，或减小CD的值。
2．3音调控制器（含音量控制）设计
已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。
由式（3-7-16）、（3-7-17）得到转折频率
fL2及fH1；fL2=fLx*2x/6=400Hz，则fL1=
fL2/10=40Hz；fH1=fHx/2x/6=2.5kHz，
则fH2=10fH1=25kHz。
2.4话音放大器与混合前置放大器设计
（3）话音放大器与混合前置放大器设计
图9话音放大器
图四话音放大器
图四所示电路由话音放大与混合前置放大两级电路组成。
其中A1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其放大倍数
2.5额定功率
音响放大器输出失真度小于某一数值（如<5%）时的最大功率称为额定功率。
其表达式为
式中，RL为额定负载阻抗；Vo（有效值）为RL两端的最大不失真电压。
Vo常用来选定电源电压VCC
测量Po的条件如下：
信号发生器的输出信号（音响放大器的输入信号）的频率fi=1kHz，电压Vi=5mV，音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音量控制电位器置于最大值，用双踪示波器观测vi及vo的波形，失真度测量仪监测vo的波形失真。
注意在最大输出电压测量完成后应迅速减小Vi，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。
测量Po的步骤是：
功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（代替扬声器），逐渐增大输入电压Vi，直到vo的波形刚好不出现削波失真（或<3%），此时对应的输出电压为最大输出电压，由式（3-7-22）即可算出额定功率Po。
2.6音调控制特性
输入信号vi（=100mV）从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号v0从输出端的耦合电容引出。
先测1kHz处的电压增益Av0（Av0=0dB），再分别测低频特性和高频特性。
音调控制特性
同样，测高频特性是将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端，频率从1kHz至50kHz变化，记下对应的电压增益。
最后绘制音调控制特性曲线，并标注与fL1、fx、fL2、f0（1kHz）、fH1、fHx、fH2等频率对应的电压增益。
2.7频率响应
放大器的电压增益相对于中音频fo（1kHz）的电压增益下降3dB时对应低音频截止频率fL和高音频截止频率fH，称fL~fH为放大器的频率响应。
测量条件同上，调节RP3使输出电压约为最大输出电压的50%。
测量步骤是：
音响放大器的输入端接vi（等于5mV），RP1和RP2置于最左端，使信号发生器的输出频率fi从20Hz至50kHz变化（保持vi=5mV不变），测出负载电阻RL上对应的输出电压Vo，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注fL与fH值。
2.8输入阻抗
将从音响放大器输入端（话音放大器输入端）看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。
如果接高阻话筒，则Ri应远大于20k。
接电唱机，Ri应远大于500k。
Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。
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Vs。
测量条件与额定功率的测量相同，测量方法是，使Vi从零开始逐渐增大，直到Vo达到额定功率值时所对应的电压值，此时对应的Vi值即为输入灵敏度。
2.9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VN。
测量条件同上，测量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观测输出负载RL两端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。
三、单元电路设计与参数计数
话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ（亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，200Ω等）
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。
电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，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。
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。
主要是控制、调节音响放大器的幅频特性
给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。
3.1功率放大器
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ（亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，200Ω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。
图五话音放大电路
由图
（一）得
Ri=R1（R1一般取几十千欧）
耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取
反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。
3.2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。
图六混合前置放大电路
在图六中：
V1为话筒放大器输出电压；V2为放音机输出电压。
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。
3.3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七所示。
图七音调控制曲线
f0（等于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。
音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成
图八一阶有源滤波器
设电容C1=C2>>C3，在中、低音频区，C3可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器。
①当f当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况
图九一阶有源低通滤波器
当RP1滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况
分析表明，图九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
式中
当f
当f在f=fL1时，因为fL2=10fL1，故可由式
得
模
此时电压增益相对AVL下降3dB。
在f=fL2时，由式
得
模
此时电压增益相对AVL下降17dB。
当f
②当f>f0时
音调控制器的高频等效电路如图所示
C1、C2可视为短路，作为高通滤波器。
当f>f0时
将C1、C2视为短路，R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图所示
若取R1=R2=R4，则
Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4
当f>f0时
图（a）为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况
（a）
图（b）为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况
（b）
分析表明，图（a）所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为
式中，
当f>f0时
当f在f=fH1时,因fH2=10fH1由
此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。
得
当f>f0时
在f=fH2时,
此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。
当f>f0时
当f>fH2时，Ｃ3视为短路，此时电压增益
AVH=（Ra＋R3）/R3
当f>f0时
同理可以得出图（b）所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。
实际应用中
通常先提出对低频区fLx处和高频区fHx处的提升量或衰减量x（dB），再根据下式求转折频率fL2（或fL1）和fH1（或fH2）,即
3.4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。
四、总原理图及元器件清单
4.1总原理图
4.2 PCB板图
图16PCB板正面图
图17PCB板背面图
4.3 元器件清单表
元件清单表
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
U1
Ua741
1
U2、U3
LM324
2
U4
LM386
1
RP1、RP2、RP4
103
10K
3
RP3、RP5
220K
2
C1
1u
1
C2、C3、C4、C5、C6、C7、C13、C14
10u
8
C8、C16
100u
2
C9、C10、C15、C17
0.01u
4
C11
470P
1
C12
4.7u
1
R1、R2、R3、R5、R6、R12、R13、R14
10K
RF
75K
R4、R7
30K
R8、R10、R11
47K
R9
100K
R15、R16
10
4.4话音放大器
幅频特性的测量
图10话语放大器频率上下限测试
表1话语放大器上下限测试结果
FH
FL
测量值
69．1584KZ
0
4.5混合前置放大器
图11混合前置放大器的频率下限测试
图12混合前置放大器的频率上限测试
表2混合前置放在器的频率上限测试
FH
FL
测量值
165．645KHZ
1．328HZ
4.6音调放大器
图13音调放大器频率特性
4.7功率放大器
图14最大不失真输入输出波形
五、安装与调试
音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，功放级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易产生自激。
安装前应检查元器件的质量，安装时特别要注意功放块、运算放大器、电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。
从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装。
安装一级调试一级，安装两级要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。
分级调试又分为静态调试与动态调试。
静态调试时，将输入端对地短路，用万用表测该级输出端对地的直流电压。
话放级、混合级、音调级都是由运算放大器组成的，其静态输出直流电压均为VCC/2，功放级的输出（OTL电路）也为VCC/2，且输出电容CC两端充电电压也应为VCC/2。
动态调试是指输入端接入规定的信号，用示波器观测该级输出波形，并测量各项性能指标是否满足题目要求，如果相差很大，应检查电路是否接错，元器件数值是否合乎要求，否则是不会出现很大偏差的。
六、性能测试与分析
单级电路调试时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大变化，甚至两级不能进行级联。
产生的主要原因：
一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应考虑重新布线；
二是级联后各级电流都要流经电源内阻，内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。
R一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与0.1F小电容相并联。
由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。
集成块内部电路多极点引起的正反馈易产生高频自激，常见高频自激现象如图3.7.19所示。
可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级①脚与⑤之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除叠加的高频毛刺。
常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动。
产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。
可以通过接入RC去耦滤波电路消除。
为满足整机电路指标要求，可以适当修改单元电路的技术指标。
图3.7.20为设计举例整机实验电路图，与单元电路设计值相比较，有些参数进行了较大改。
整机功能试听
用8/4W的扬声器代替负载电阻RL，可进行以下功能试听：
话音扩音将低阻话筒接话音放大器的输入端。
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入后，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。
电子混响效果将电子混响器模块按图3.7.20接入。
用手轻拍话筒一次，扬声器发出多次重复的声音，微调时钟频率，可以改变混响延时时间，以改善混响效果。
音乐欣赏将录音机输出的音乐信号，接入混合前置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调发生明显变化。
卡拉OK伴唱录音机输出卡拉OK磁带歌曲，手握话筒伴随歌曲歌唱，适当控制话音放大器与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱音量与音乐音量之间的比例，调节混响延时时间可修饰、改善唱歌的声音。
七、结论与心得
通过此次电子技术大型试验的设计以及调试，掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理，对几种基本电路有了更深刻的认识，并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。
但是，同时也发现自己的许多不足之处。
了现自己在将书本知识转化为实践能力的水平还很薄弱，在遇到问题时耐心不足，解决问题时不能够静下心来，比如，自己在连接电路后，输出波形有明显的阶越失真，自己找了很久都没能找到原因，就束手无策了，到处找人帮忙，可惜都不成功，只能找老师帮忙。
在老师的检查测试后，发现是电源被短路了。
我才意识到，是下面的连线有接触的地方导致的。
此刻，我才认识到以前忙于做好实验，填完表格的观点非常错误，这次实验，获得数据、做出报告是其次，真正的在于培养我们自己发现问题、解决问题的能力。
以后我会更注重自己这方面能力的培养。
八、参考文献
[1]路勇，高文焕。
《电子电路实验及仿真》。
清华大学出版社。
2004/1
[2]朱定华,陈林.《电子电路测试与实验》清华大学出版社.2004/4
[3]康华光.《电子技术基础》。
高等教育出版社。
2008/12
[4]罗先觉。
《电路》。
高等教育出版社。
2008/4
[5]黄智伟，高嵩《电工电子实验与计算机仿真》2006/10
物理与电子信息工程系模拟电路课程设计成绩评定表
专业：
电子信息工程班级：
09信工1班学号：
0925021129姓名：
孙再路
课题名称
设计任务与要求
设计报告成绩
电子
作品成绩
课程设计成绩
指导教师：
2009年11月17日
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