助听器电子线路设计.docx
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助听器电子线路设计
1前言
随着时代的发展，科技的进步。
现在的助听器也变得种类繁多，功能齐全。
按照助听器放大线路的类型分类总共有三种：
1线性放大器在声输出达到饱和前，增益时一固定值，不随声输入而变化。
声增益：
声输出和输入间的差值就是放大器的增益.输入较低时，输出随输入的增加而增加。
声饱和：
当输入增加到一定程度，输出不再随输入增加而增加时即达饱和状态。
2、非线性放大器--压缩放大K-amp放大器是临床使用最多的压缩线路。
该放大线路是十分先进的助听器放大线路，该放大线路的增益并不固定，是随着声输入的变化而变化的。
声输入越大，增益越小。
这样可防止耳聋患者小声听不清，大声难受的缺点。
该线路将宽的自然言语动态变化，压缩到听患者窄的范围内，减少了言语的放大失真。
3，全数码自动放大器数字助听器类似于一台处理言语声信息的微型电脑，可以根据要求进行编程，最大限度地满足病人听力和生活声环境变化的需要。
这是全新的放大线路，是计算机数字技术应用带来的划时代变化。
目前数字助听器的放大可随输入声强、输入声的声学特征的变化而快速自动变化。
数字助听器放大将言语频段划分数段，分别处理，从而使其能满足各种听力损失的需要。
自动地鉴别言语和噪音，改善信噪比，增强言语清晰度数字助听器应用只有3年多的时间，其技术还在不断发展和改进中，人们预言不远将来，数字助听器将很快取代现有的电子模拟放大助听器。
数字助听器的放大为全自动放大，增益与听力损失程度和声输入强度相关。
助听器名目繁多，但所有电子助听器的工作原理是一样的。
任何助听器都包括6个基本结构。
1．话筒（传声器或麦克风） 接收声音并把它转化为电波形式，即把声能转化为电能。
2．放大器 放大电信号（晶体管放大线路）3．耳机（受话器）把电信号转化为声信号（即把电能转化为声能）。
4．耳模（耳塞） 置入外耳道。
5．音量控制开关6．电源 供放大器用的干电池。
尽管现在的助听器功能都很齐全但是由于价格的原因使得一般群众难以购买的起。
因此本设计的目的在于设计一种重量轻，体积小，携带方便，性能稳定可靠，不怕碰撞和摔跌，价格便宜，很适合耳聋患者选择和使用外围电路简单，所用元件普通，易于制作与维修。
2总体方案设计
2.1方案论证
图2.1方案一原理框图
基于DSP的助听器可扩展软件控制的功能，以包括频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除以及提供从数字电话、电视或其它音频设备的直接数字输入。
可编程DSP还意味着助听算法/功能可定制或在不改变硬件的情况下改变。
DSP的数字助听器组成方框如图2.1所示,它显示出基于DSP的数字助听器的组成要素。
一个典型的数字助听器由三个彼此堆叠的半导体硅片所组成：
即EEPROM或非易失性存储器、数字器件和模拟器件。
近期技术的发展使得这些模块可被集成到两块甚至一块半导体硅片中。
由于电池电压的范围在7.35V-0.9V之间，因此这些器件的工作电压被设计为0.9V。
本方案采用了电源管理来对电池电压实施监控，当电池电量低时则向用户报警，并在电池电压降得过低时缓慢关闭系统。
模拟器件通常包括∑△型模拟-数字转换器（ADC）、具有压缩输入限制功能的传声器前置放大器、遥控数字解码器、时钟振荡器以及稳压器。
∑△型ADC的典型频率范围为20kHz，分辨率为16位（线性分辨率为14位）。
数字器件则包括DSP、逻辑支持功能、程序接口以及输出级。
输出级通常是全数字式的，采用脉宽调制（PWM）输出和D类放大器，并运用扬声器阻抗来执行模拟—数字转换。
图2.2方案二原理框图
本设计的工作原理是：
麦克风接收声音并把它转化为电波形式，把声能转化为电能。
然后把电信号传输到射随放大电路，因为射随放大电路的电压增益小于1而近于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻搞，输出电阻低，由于它的输入电阻高，可减少放大电路对信号源所取的信号电流。
同时，它的输出电阻低，可减少负载变动对电压增益的影响，同时射随电路对电流人有放大作用。
TDA2822把声音信号再次进行功率放大一方面送到耳机去，另一方面送到由3DJ6组成的自动调节音量电路，通过改变3DJ6的栅极电压改变漏极和源极的电阻来调节输入到TDA2822信号的大小从而起到自动调节音量的功能。
2.2方案比较和选择
方案一：
使用了DSP，ADC,EEPROM等芯片使得设计变得更数字化了，频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除等方面都大大地提高了指标。
但是由于过多地使用了DSP等芯片使得设计成本加大，电路工作复杂电路维修起来麻烦。
方案二：
此方案与方案一相比在频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除等方面略差些，但是其电路简单，电路维修简单。
而且本设计只使用了便宜的三极管和功率放大器件，价格相当低下适合广大群众使用。
综合两方案的性能和价格，方案二的性价比更高更符合本次设计的目的，因此选用了方案二为本设计的最终方案。
3.单元模块的设计
3.1锂电池充放电电路
图3.1锂电池充放电路原理图
本设计利用了一般手机电池的充放电原理来作为本设计的提供电源，因为锂电池的使用寿命比一般的干电池寿命长而且能重复使用，使用锂电池可以节省不少的成本。
本电路的工作原理：
当开关往左边闭合时，锂电池充电。
往右闭合时锂电池为工作电路提供电源。
220V交流输入，一端经过一个4007半波整流，另一端经过一个10欧的电阻后，由10uF电容滤波。
这个10欧的电阻用来做保护的，如果后面出现故障等导致过流，那么这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。
右边的4007、4700pF电容、82KΩ电阻，构成一个高压吸收电路，当开关管13003关断时，负责吸收线圈上的感应电压，从而防止高压加到开关管13003上而导致击穿。
13003为开关管（完整的名应该是MJE13003），耐压400V，集电极最大电流1.5A，最大集电极功耗为14W，用来控制原边绕组与电源之间的通、断。
当原边绕组不停的通断时，就会在开关变压器中形成变化的磁场，从而在次级绕组中产生感应电压。
由于图中没有标明绕组的同名端，所以不能看出是正激式还是反激式。
不过，从这个电路的结构来看，可以推测出来，这个电源应该是反激式的。
左端的510KΩ为启动电阻，给开关管提供启动用的基极电流。
13003下方的10Ω电阻为电流取样电阻，电流经取样后变成电压（其值为10*I），这电压经二极管4148后，加至三极管C945的基极上。
当取样电压大约大于1.4V，即开关管电流大于0.14A时，三极管C945导通，从而将开关管13003的基极电压拉低，从而集电极电流减小，这样就限制了开关的电流，防止电流过大而烧毁（其实这是一个恒流结构，将开关管的最大电流限制在140mA左右）。
变压器左下方的绕组（取样绕组）的感应电压经整流二极管4148整流，22uF电容滤波后形成取样电压。
为了分析方便，我们取三极管C945发射极一端为地。
那么这取样电压就是负的（-4V左右），并且输出电压越高时，采样电压越负。
取样电压经过6.2V稳压二极管后，加至开关管13003的基极。
前面说了，当输出电压越高时，那么取样电压就越负，当负到一定程度后，6.2V稳压二极管被击穿，从而将开关13003的基极电位拉低，这将导致开关管断开或者推迟开关的导通，从而控制了能量输入到变压器中，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能。
而下方的1KΩ电阻跟串联的2700pF电容，则是正反馈支路，从取样绕组中取出感应电压，加到开关管的基极上，以维持振荡。
右边的次级绕组就没有太多好说的了，经二极管RF93整流，220uF电容滤波后输出6V的电压。
没找到二极管RF93的资料，估计是一个快速回复管，例如肖特基二极管等，因为开关电源的工作频率较高，所以需要工作频率的二极管。
这里可以用常见的1N5816、1N5817等肖特基二极管代替。
同样因为频率高的原因，变压器也必须使用高频开关变压器，铁心一般为高频铁氧体磁芯，具有高的电阻率，以减小涡流。
3.2射随放大电路
图3.2射随放大电路原理图
由图可见，放大电路的交流信号由晶体管的发射极经耦合电容C2输出，故名射极输出器。
由射极输出器的交流通路可见，集电极是输入回路和输出回路的公共端。
输入回路为基极到集电极的回路，输出回路为发射极到集电极的回路。
所以，射极输出器从电路连接特点而言，为共集电极放大电路。
射随放大电路的特点:
1.射极输出器的电压放大倍数恒小于1，但接近于1.输出电压紧紧跟随输入电压的变化而变化。
因此，射极输出器也称为电压跟随器。
尽管射极输出器无电压放大作用，但射极电流Ie是基极Ib的（1+β）倍，输出功率也近似是输入功率的（1+β）倍，所以射极输出器具有一定的电流放大作用和功率放大作用。
2.射极输出器的输入电阻比共射放大电路的输入电阻要高。
射极输出器的输入电阻高达几十千欧到几百千欧。
3.射极输出器的输出电阻与共射放大电路相比是较低的，一般在几欧到几十欧。
综上所述，射极输出器具有电压放大倍数恒小于1，接近于1，输入、输出电压同相，输入电阻高，输出电阻低的特点；尤其是输入电阻高，输出电阻低的特点，使射极输出器获得了广泛的应用。
常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。
3.3自动音量控制电路
图3.3自动音量控制电路
工作原理：
功率TDA2822放大器一边把声音信号放大送到耳机输出，一边把声音信号送到C6电容耦合，RP1为可调电阻起到稳定电路的作用，VD1负向整流，C4滤波，得到的负偏压嫁到VT2的栅极，进行自动音量的控制。
当VT2栅极处于零负偏压时，其漏极与源极之间的阻抗将会变小，传输的信号幅度增大，进而使输出的信号增大。
当输出信号增大以后，就会使加至VT2栅极上的负偏压增高，漏源极间阻抗增大，传输的信号幅度变小，回复打正常的音量。
这样，不论外界声响的大小，耳机发出的声音始终保持在一定的音量上，实现自动控制音量的作用。
功率放大器由TDA2822里面的两个运放器组成。
4特殊器件介绍
4.1TDA2822
图4.1TDA2822管脚以及内部结构图
引出端序号
符号
功能
1
OUT
（1）
1通道输出
2
Vcc
电源
3
OUT
（2）
2通道输出
4
GND
地
5
IN-
（2）
2通道反相输入
6
IN+
（2）
2通道同相输入
7
IN+
（1）
1通道同相输入
8
IN-
（1）
1通道反相输入
表4.1TDA2822M功能表
TDA2822M为双通道低电压功率放大器，采用DIP8形式封装，主要用于便携式录音机和收音机。
其特点是：
1.电源电压低至1.8V时仍然能够正常工作；2.交越失真小；3.静态电流低；4.可用于桥式或者立体声式功放；5.外围元件少。
其管脚图和内部结构图如图4.1。
其功能表如表4.1
符号
参数
数值
单位
最小值
最大值
Vcc
电源电压
--
15
V
Io
输出电流
--
1
A
Pd
功耗
Ta=50℃
--
1
W
Tcase=50℃
--
1.4
W
Ta
工作环境温度
-20
70
℃
Tstg
贮存温度
-40
150
℃
Tj
结温
-40
150
℃
表4.2TDA2822的功能参数
4.2三极管9014
图4.29014实物图
当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管处放大状态。
当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。
三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
△主要用途：
作为低频、低噪声前置放大，应用于电话机、VCD、DVD、电动玩具等电子产品（与C9015互补）参数符号测试条件最小值典型值最大值单位集电极漏电流ICBOVCB=60V,IE=0100nA发射极漏电流IEBOVBE=5V,IC=0100nA集电极、发射极击穿电压BVCEOIC=1mA,IB=050V发射极、基极击穿电压BVEBOIE=10μA,IC=05V集电极、基极击穿电压BVCBOIC=100μA,IE=060V集电极、发射极饱和压降VCE（sat）IC=100mA,IB=10mA0.25V基极、发射极饱和压降VBE（sat）IC=100mA,IB=10mA1.0V直流电流增益HFE1VCE=6V,IC=2mA120700HFE2VCE=6V,IC=150mA25
参数符号标称值单位：
集电极、基极击穿电压VCBO60V集电极、发射极击穿电压VCEO50V，发射极、基极击穿电压VEBO5V，集电极电流IC150mA，集电极功率PC625mW，结温TJ150℃，贮存温TSTG-55-150℃。
4.3场效应管3DJ6
3DJ6全称为3DJ6型硅N沟道耗尽型低频场效应晶体管。
图4.3CDJ6引脚图和实物图
场效应晶体管场效应管是一种单极型晶体管,它只有一个P-N结,在零偏压的状态下,它是导通的,如果在其栅极（G）和源极（S）之间加上一个反向偏压（称栅极偏压），在反向电场作用下P-N变厚（称耗尽区）沟道变窄,其漏极电流将变小,（如图C1-b）,反向偏压达到一定时,耗尽区将完全沟道"夹断",此时的反向偏压我们称之为夹断电压,用Vpo表示,它与栅极电压Vgs和漏源电压Vds之间可近以表示为Vpo=Vps+|Vgs|。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
场效应管的作用：
1、场效应管可应用于放大。
由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。
2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。
常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3、场效应管可以用作可变电阻。
4、场效应管可以方便地用作恒流源。
5、场效应管可以用作电子开关。
场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：
1、IDSS—饱和漏源电流。
是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。
2、UP—夹断电压。
是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。
3、UT—开启电压。
是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。
4、gM—跨导。
是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。
gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS—漏源击穿电压。
是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。
这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。
也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。
使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源电流。
是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。
场效应管的工作电流不应超过IDSM。
5系统调试
5.1软件调试
使用ISIS仿真软件可以有效验证设计的原理是否正确。
调试时发现示波器并没有出现设计所期待的结果，重新检查各接线是否存在错误，发现COMS的漏极和源极接反了，重新接线仿真但是示波器还是没有出现设计所要求的结果。
为了查出问题所在，分别把设计的各电路模块分开仿真。
5.1.1充电电路仿真调试
在对锂电池充电电路仿真时发现稳压二极管的正负集接反了，于是从新连线并调整滤波电容的大小，得到以下期待的仿真结果。
图5.1整流后的电压波形
图5.2电容滤波后的电压波形
图5.3稳压后电压波形
5.1.2.射随放大电路仿真调试：
由于ISIS软件找不到合适的MIC器件，电脑没有合适的麦克风接口所以选择余弦波作为信号源输入进行仿真，用ISIS仿真软件观察输入和输入的波形图.
图5.4射随放大电路的仿真图
图5.5射随放大器波形图
由图5.5可知，射随放大器的输出波形与输入波形基本一致，符合了射随放大器增益小于1但是接近1的特点。
5.1.3.TDA2822功放仿真电路
在仿真软件ISIS中找不到TDA2822这个元器件，但是TDA2822其实就是两个运放集合在一起的器件而已，因此可以用两个参数跟TDA2822基本一致的运放代替。
用示波器A端观察输出信号，用B端观察输入信号。
因为是分模块仿真，所以信号源还是用正弦波替代。
图5.7功放仿真输出波形图
由仿真出来的波形可以看出，红色波形代表的是输入信号，而蓝色的波形代表的是输出信号，放大倍数大概为4倍。
喇叭发出声音。
5.2硬件电路的调试
按照原理图在通用板上合理的安排各器件的位置。
适当地安排各器件的距离，可以减少各器件的相互影响。
按照原理图焊好板子接上电源发现并没有得到设计预期的效果，对着话筒说话，耳机并没有发出声音。
初步估计可能是部分电路没有焊接好，于是使用万能表测试各支路是否焊接好，在检测时发现射随放大电路与3DJ6连接的支路出现无穷大的电阻，经查看支路中有一个点存在着虚焊，使用电烙铁重新焊接好。
但是耳机依然只是存在着微弱的电流声音，并没达到设计的要求。
调节RP可调电阻，耳机依然没有变化，再次使用万能表测出各电阻的阻值查看是否部分电阻短路烧坏了，但是得出的结果是所有的电阻阻值都与理论值基本一样，排除电阻烧坏的可能性。
考虑到声音的大小与三极管，CMOS等的放大倍数有关系，于是试着调节射极，基极，集电极的电阻但均没有效果。
再次猜想可能是三极管或者是3DJ6的引脚接反了。
于是使用万能表测试3DJ6查看是否接错了引脚，查看方法是：
1.判定栅极G将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。
若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。
2.判定源极S、漏极D由图1可见，在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。
用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔的是S极，红表笔接D极。
3.测量漏-源通态电阻RDS（on）将G-S极短路，选择万用表的R×1档，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。
由于测试条件不同，测出的RDS（on）值比手册中给出的典型值要高一些。
例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。
4.检查跨导：
将万用表置于R×1k（或R×100）档，红表笔接S极，黑表笔接D极，手持螺丝刀去碰触栅极，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。
查看三极管的引脚是否接反，查看方法为：
1.判定基极。
用万用表R×100或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。
当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。
这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。
黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014,9018。
2.判定三极管集电极c和发射极e。
（以PNP型三极管为例）将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。
在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。
经过测试，三极管与3DJ6的引脚接法正确，进而排除3DJ6或者三极管引脚接错的肯能性。
尽管经过一番的努力检查，还是查不出问题的所在。
最后只能向老师请教让老师查看，经老师的检查才发现问题之所在。
电阻的阻值并没有错，但是选错了电阻的类型，本设计所使用的电阻应该是一般的电阻而我们却使用了大功率的水泥电阻使得电路不能正常工作。
由于时间紧迫和缺乏器件的限制，本设计在限定的时间内并没有做出完整的实物出来。
6.系统指标功能参数
标准频率：
1600Hz
最大输出：
130dBµN
输出：
110dBµN
麦克风输入：
74dBSPL
最大输出功率：
400mW（Load:
8ΩTHD:
10%）
最大电压增益：
34dB
频率反应：
500Hz，-5dB；2.5KHz，6dB；5KHz，-15dB。
外部输入：
0dBs/20KΩ（输出:
120dBµN）
操作电压3.8V—4.2V
电池：
700mAHLithiumIon锂电池
可使用时间：
10Hours（Output:
Max.Input:
Voice）小时
充电时间：
5Hoursorless5小时以下
7.总结
在实物的焊接制作过程中，我也发现了很多的问题，总结出了很多经验。
首先是元器件之间的连接，由于使用万用板焊接而没有做PCB板，所以元器件之间的连接不是很方便，开始我是使用堆焊的方式，让板子上的点堆上焊锡，然后在拖动电烙铁，使其连接起来。
但是拖动过程中，由于熔化的焊锡具有表面张力，往往不能顺利连接，而且焊锡使用量极大，并且熔化的焊锡长时间堆在焊盘上容易损坏焊盘，使得连接更加不容易。
其实在安装元器件的时候，我发现元件的引脚是有很大的余量的，所以，我将多余的引脚长度压弯至下一个需要连接的点，再加以固定，如果多余的引脚长度中间跨过多个焊盘，则加引脚一一焊接到跨过的焊盘上，使其更加牢固。
此时应该注意的是，不能是跨过的焊盘上的焊锡同时全部熔化，否则由于元器件引脚具有的弹性，而引发位移，影响焊接质量。
通过本次课程设计，我感觉自己的知识水平有了明显的提高。
刚开始看到自己要设计的题目时，感觉无从下手。
有很多原理都没搞清楚，设计中用到的大部分元件以前都没见过。
对于设计中要用到的protel,isis,mutilsim等软件更是一窍不通，有时为了弄懂一个器件就要花半天的时间看书查资料。
在使用软件时，由于全是英文版本，用起来相当的不倡顺，只能自己摸索。
但通过长时间地问老师和自己上网查资料，自学，终于了解了设计中各模块中的原理及功能。
对于各种软件也有了不同程度的认识，基本上能使用设计中涉及到的各种软件。
在设计过程中能学到很多平时上课没学到的东西，思考问题时也能从多角度，多方面考虑。
学会了在遇到难题时，能捉住要点，再找出切实可行的解决方法。
8.谢辞
在做设计中，遇到很多问题。
很感谢老师和同学们的帮助，因为在你们的帮助下，才能把设计顺利完成，在设计过程中让我学到很多东西。
由于本人水平有限，可能在某些设计上存在着一点缺点，敬请谅解。
9.参考资料
[1]康华光，皱筹彬，电子技术基础（数字部分），高等教育出版社
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