音响放大器设计报告

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1、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：学生姓名：学 号：指导教师：设计时间：音响放大器设计一、任务与要求设计一音响放大器，要求具有话筒扩音、混合前置放大、音调输出控制、音 量控制，功率放大等功能。各级主要作用话音放大级：话音放大器的作用是不失真地放大声音信号。混合前置放大级：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。音调控制放大级：主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，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。功率放大级（简称功放）：给音响放大器的负载（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，

2、输出信号的非线性失真尽可能地小， 效率尽可能高。已知条件+VCC = +9V,话筒（低阻20）的输出电压为5mV,录音机的输出信号电压为lOOmV。电子混响延时模块1个，集成功放LA4102 1只，8/2W负载电阻RL 1只，8/4W扬声器1只，集成运放LM3241只（或mA7413只）主要技术指标额定功率 Po1W（20设计过程整机电路由话音放大器、混合前置放大器、音调控制放大器、功率放大器组 成，根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，分别计算各级电路参数，通 常从功放级开始向前级逐级计算，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

3、增益Av=Vo/Vi560 倍(55dB)。各级放大倍数如下图所示：话放级混放级音调级功放级18.5dB9.5dB-dB29.5dBA =612倍(56dB)V二、设计与论证方案一：话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级各用一个UA741， 功率放大级用LA4102。方案二：话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个LM324 功率放大级用LA4102。由于多级放大各级信号会互相产生干扰，合理布线，把级与级间的距离拉大 是减小信号干扰的好方法，此时方案一是个不错的选择，但每一级各用一个 UA741电路元件增多，电路板面积就会增大，不但不美观也不经济。方案二中 LM324是四运放集成

4、电路，电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价 格低廉、放大效果好，话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个 LM324电路元件少，占用电路板面积小，不仅美观而且经济。三、电路设计与参数计算1、话音放大级由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kQ(亦有低输 出阻抗的话筒如20Q, 200Q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。电路原理图，电压放大倍数Av仅由外接电阻R11和R12决定：Av=1+Ri2/Rn 按要求该级的放大倍数Av =8.5仿真图如下:比7!75kQI 9V输入波形输出波

5、形2、混合前置放大级Av =(V1R22/R21+V2R22/R23)话筒录音机根据整机增益分配可知，要使话筒与录音机输出经混响级后的输出基本相等，要求R22/R21=3, R22/R23=l，所以选择R22=30K, R21=10K, R23=30K 耦 合电容C21、C22, C23采用10uF的极性电容。3、音调控制器常用的单调控制电路有三种：（1）衰减式RC音调控制电路，基调范围较 宽,但容易产生失真；（2）反馈型电路,其调节范围小一些,但失真小；（3）混 合式音调控制电路,其电路较复杂,多用于高级收录机中。为了使电路简单、信 号失真小、我们采用反馈型音调控制电路。反馈型音调控制电路原

6、理图如下：图中，Zi和Zf是由rc组成的网络，因为集成运放的开环增益很大，所以ZfZi-VoAf= Vi当信号频率不同时，Zi和Zf的阻抗值也不同，所以Af随频率的变化而变化。假设Zi和Zf包含的RC元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如下图ViVo(A)在图A中，可以得到低音的提升；在图B中可以得到低音衰减；在图C中 可以得到高音的提升；图D中可以得到高音的衰减。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OdB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。将这四种电路形式组合在一起就可 以得到一个完整的反馈型音调控制电路，如下图所示AV/dB201

7、7rp2图1音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性20dB/10 倍频fH xf/Hz也）fL1表示低音频转折频率，一般为几十赫兹；fL2（等于lOfLl）表示低音频区的中 音频转折频率；f0 （等于1kHz）表示中音频率，要求增益AV0=0dB； fH1表示高音频区的中音频转折频率；fH2(等于lOfHl)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。图 l 中 RPl 是为低音调节， RP2 为高音调节，通过运放 LM324 的负反馈 实现高音和低音最大正负20dB调节。功能说明(1)对于低频区，等效电路图为vT1HUL(b)R4(a)图(a)为当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大

8、的情况；图(切为当 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(a)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-(. 卩 RP + R 1 + (jw)/w式中，yr1 + (j w)/w (11)i11当ffL1时，C2可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R4的影响可 以忽略，此时电压增益在 f=fL1 时，因为 fL2 =10fL1 ，故可由式得 A(RP + R ) / RVL121A (RP + R ) /模VI121此时电压增益相对AVL下降3dB。在f=fL2时，由式(11)得A V2RP1 + R 2 =14 AVL人RP + R J2模

9、V2R而1此时电压增益相对AVL下降17dB。低音电大提升量为心同理可以得出图(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，最大衰减量为乡甌 RPl - A,(2)对于高频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器，等效电路为vo(c)(d)图(c)为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况；图(d)为RP2 的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。分析表明，图(c)所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为VR二 一 o 二 一bV.R+ R )C 或33C )或33式中3=1/(RH11 +(j )/ 31 + (j 3 )/ 3 4 =1/ln(R +

10、R3H2a1/(2 兀)C 3)3当 ffH1(3)时，C3视为开路,此时电压增益AV0=-1(0dB)在 f=fH1 时，因 fH2=10fH1 由V .o =Vi得 A V3 =R bRaT AV01 + ( j )/ 1 +(j )/ 4此时电压增益AV3相对于AV0提升了 3dB。在f=fH2时,AV410 A下V0此时电压增益AV4相对于AV0提升了 17dB。当f 田2时，C3视为短路，此时电压增益：Avh = (Ra+R3)/R3。同理可以得出图(d)所示电路的相应表达式, 其增益相对于中频增益为衰减量。根据音响放大器的设计技术指标，要使AVL=AVH20dB，结合AVL的表 达

11、式可知，R1、R2，RP1不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽略， 但也不能太小，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧姆至 几百千欧姆，RP1最大只能取470K，R1、R2取47K,贝VAVL=(RP1+R2)/R1=11(20.8dB), C=1/2 nRPlfLl=0.008uF,取标称值 O.OluF,艮卩C31二C32=0.01uF。又 R1=R2=R4=47K, J则 Ra=3R4=30k,R3=Ra/10=13k.C3 取 470pF,由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为R1,所以级间耦合电容可取C1=C2=10uF。4、功率放大器：功率放大器(简称功放)

12、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。LA4102接成OTL典型应用电路如下图所示14+10121.A4100DRF、CF与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益AVF, 即 A VF = 1 + R 11 / RF R 11/ R F由其内部电路知Rll=20K,按性能指标AVF=30倍，所以RF应取650Q。CB 为相位补偿电容。CB减小，带宽增加，可消除高频自激。CB 般取几十皮法至 几百皮法。CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于VCC/2, CC 一般

13、 取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。CD为反馈电容，消除自激振荡，CD 一般取几百皮法。CH为自举电容，使复合管T12、T13的导通电流不随输出电压 的升高而减小。C3、C4可滤除纹波，一般取几十微法至几百微法。C2为电源退 耦滤波，可消除低频自激。综合有关资料可按下面电路图中各元件的参数选择各 元件参数。但在本组的调试过程中发现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：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，加强外部电路

14、的 负反馈予以抵消，可以在 13 脚与 14 脚之间加 0.15uF 的电容，或减小 CD 的值。 而增大 C42 可以更好也消除低频自激。经本小组的调试最终的电路原理图如下 I . luF11220P-F00 lF I4-LF14101213cD470pFc H4.7P-F十ALA4L0251pF+ J47 昨 F25VR-lW四、理图及元器件清单:元件清单元件序号型号主要参数数量备注Ra、Rb、Rll,R21、1/4W, 10KQ各1个电阻R121/4W, 75KQ1电阻R22、R231/4W, 30KQ各1个电阻R31、R32、R341/4W, 47KQ各1个电阻R331/4W, 13

15、Q1电阻Rf1/4W, 600 Q1电阻RP11、RP21、RP33W.L B10K各1个电位器RP31、RP32W.L B100K各1个电位器C11、C13、C21、C22、C23、C24、C35、 C4125V10uF各1个极必电容C1210V1uF1极必电容C4510V1uF1极必电容C42、 Cc25V470uF各1个极必电容C43、Ch25V220uF1极必电容C4425V100uF1极必电容Cf10V33uF1极必电容C31、 C3210V0.01uF各1个电容C3310V470pF1电容CB10V51pF1电容CD10V470pF1电容U1LM3243V-32V1集成芯片U2LA

16、41021集成芯片总电路原理图PCB图图中红色线为设计过程中音调级漏画，在做好的电路板上用导线补上。五、安装与调试合理布局，分级装调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。由于学校设备有限制，动态调试受限制，现只做静态调试，做法

17、如下： 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。调试过程如果布线不太合理，形成级间交叉耦合，应考虑重新布线；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0.1 F小电容相并 联。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: 由于功放级输出信号较

18、大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级脚与之间接入几百皮法 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。六、功能试听卡拉OK伴唱：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。电子混响效果：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

19、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。话音扩音：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。七、结论与心得通过这次的模电课程设计，很大程度上掌握了音响放大器的基本设计方法和 设计原理，对LM324的几种基本电路有了更深刻的认识和印象，并且掌握了一 定的多级放大电路设计和调试的经验。同时也发现自己在模拟电路这一门课学习 的不足之处，还要加强这门课的学习。经过了一个多月的努力，终于把这个设计完成了。虽然有比较多的复杂

20、运算 过程，但总的来说，这样的设计真的有点超出了我们可以目前所学了。做设计之 前在网上，图书馆找了好几天的资料，幸好我们也学PROTEL99SE软件，计算 部分也参考了很多的书，但有的元件的参数还是不明白为何设成这样，只好参考 经典值。单元电路的每一部分都经过比较认真的考虑，比较了很多类似的电路， 也参考了很多书，做完之后觉得这样的方案组合还是可行的。因为画图过程中， 音调级小画了一根线，导致该级调试不成功，经过本小组的反复讨论，细心查找 原因，最终还是找出了根源。最后整个电路也调试成功了，虽然效果不是很好， 但这是我们自己动手做的，感觉收获还是很大的。可以说，学了这门课，获益非浅，虽然课堂上

21、很多还是不能听懂，但从分 析到自己设计的重大转变，学到了很多意外的东西！注：1）报告中的原理图都用画板所画，因为 protel 的图中元件很小，看不 清。2 ）protel 中由于 LA4102 找不到原理图，只能自己画，原理图中有某些 元件找不到封装，也只能自己做封装。八、参考文献1 华成英、童诗白。模拟电子技术基础（第四版）高等教育出版社2006.12 龙忠琪、金燕、李如春模拟集成电路教程科学教育出版社2004.13 金燕、方迎联模拟电子技术基础实验浙江工业大学.2008.3专业：电气工程及其自动化班级：学号:姓名：设计任务与要求控 出 输 调 音 前 合 混0 壬、匕匕 左/厶冃 求功 要等 ，大 器放 大率 诡功 1T ? 音制 控 计量 设音设计报告成绩电 子 作 品 成 绩课程设计成绩物理与电子信息工程系模拟电路课程设计成绩评定表2009 年 11月 17 日