音响放大器电路的设计课程设计.docx

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音响放大器电路的设计课程设计

内蒙古机电职业技术学院

2016届毕业生

毕业综合实训报告

题目：

音响放大器电路的设计

系部名称：

机电工程系

专业班级：

机电1310班

目录

一、任务书3

二、摘要6

三、项目实施的目的与要求7

（一）项目实施目的及意义7

（二）项目要求7

四、项目报告的内容7

（一）项目原理分析及其技术要求7

（二）项目实施方案的选择9

（三）项目实施方案的制定11

（四）拓展15

（五）项目成果检验17

五、项目实施的体会与收获18

六、参考文献19

一、任务书

校内毕业综合实训任务书

一、项目题目：

音响放大器

加深三极管电路放大特性的理解，放大电路的原理及工作过程。

2.设计任务

（1）根据控制要求，进行音响放大器设计与制作。

（2）根据控制要求，进行对前置放大级、功放输出级电路图设计。

（3）撰写项目实训报告

二、进程安排

周数

内容

8～10

1

下达任务书，搜集整理资料，对项目进行分析

2

选择项目实施方案

3

制定项目实施计划

4

依据实施计划完成项目内容

5

对照项目技术要求，对项目成果进行检验

6

学生和指导教师分别对项目成果进行评价

7

小组答辩

说明：

1.在教师的指导下，以小组为单位进行项目分析、方案制定、项目实施、项目检查及评价；

2.提前离校上岗的学生，必须在规定时间内完成校内毕业综合实训的各项任务，及时与指导教师联系，按时返校参加答辩。

三、提交成果

1.校内毕业综合实训项目报告（纸质版、电子版各1份）

2.前置放大级、功能输出级电路图。

（A3图纸）

四、项目报告的格式要求

1.报告的纸型及页边距

⑴报告纸型

项目报告一律用国际标准A4型纸（297mm×210mm）打印。

页面分图文区与白边区两部分，所有的文字、图形、其他符号只能出现在图文区内。

白边区的尺寸（页边距）为：

天头（上）25mm，地脚（下）25mm，订口（左）30mm，翻口（右）25mm。

⑵正文页码添加在每页中间

2.项目报告首页格式

毕业综合实训设计题目用黑体二号字，其余用宋体四号字。

3.项目报告正文格式

一、项目实施的目的与要求

二、项目报告的内容

（一）项目及其技术要求

（二）项目实施方案的选择

（三）项目实施计划的制定

（四）项目实施步骤

（五）项目成果检验

（六）项目成果评价

三、项目成果实物图（作品图）

四、项目实施的体会与收获

4.目录格式

“目录”两字要求宋体二号、居中，两个字间隔三个字符；目录内容要求黑体小四、1.5倍行间距。

5.正文排版要求

⑴正文书写规范

正文一级大标题用宋体四号字加粗，二级标题用宋体小四号字加粗，正文统一用宋体小四号字，行距为20磅。

正文字数控制在4000字至6000字之间。

⑵正文序号规范

正文二级标题之后，标题序号从大到小的顺序为"1．"、"⑴"　"①"……；正文中的公式编号，用括弧括起写在右边行末，其间不加虚线。

⑶正文图表规范

①文中需要的插图居中，按顺序编号，图标题用宋体五号字，置于图下方；

②若插图是屏幕截图，需适当缩放；

③表格序号及表格名用宋体五号字，置于表格的上方。

⑷引注规范

文中内容涉及到的计算公式要注明出处，计算数据要求准确。

6.装订顺序

封面——任务书——目录——正文

7.输出样式

计算机单面打印输出。

二、摘要

音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。

预计音响技术今后的发展主流为数字音响技术。

通过音响放大器的设计，使我们认识到一个简单的模拟电路系统，应当包括信号源、输入级、中间级、输出级和执行机构。

信号源的作用是提供待放大的电信号，如果信号是非电量，还须把非电量转为电信号，然后进入输入级，中间级进行电流或电压放大，再进入输出级进行功率放大，最后去推动执行机构做某项工作。

三、项目实施的目的与要求

（一）项目实施目的及意义

在音响放大器的制作过程中，控制该电路的主要核心电路是几个放大器的设计，其中主要包括：

话音放大器，混合前置放大器，音调控制器，功率放大器等。

随着电子技术的发展，话音放大器被广泛的应用到一系列放音设备中，混合前置放大器也在电路和数字电子电路的设计和制作过程中不可缺少的电路部分。

功率放大器的运用使电子产品的成本大大减少，并且设计简单，易于操作，可靠性好的优点。

熟悉和掌握放大电路的静态工作点的计算方法。

熟悉多级放大电路的耦合方式及增益的计算方法。

加深对三极管电路放大特性的理解、熟悉功率放大电路的工作原理的工作过程。

通过设计安装和调试掌握多级放大器的的一般设计方法。

（二）项目要求

设计一个音响放大器。

要求具有电子混响延时，音调输出控制、卡拉OK伴唱，并对话筒与放音机的信号进行扩音。

（1）前置放大级技术指标

①电压放大倍数：

AV=100;

②最大输出电压：

VO=1V;

③频率响应：

30HZ～30kHZ;

④输入电阻：

ri>15kΩ;

⑤失真度：

γ<10%；

⑥电源电压：

VCC=12V.

（2）功率放大器（输出级）技术指导

①最大输出功率：

POM≥0.25W;

②负载电阻：

RL=8Ω;

③失真度：

γ≤5%；

④效率：

η≥50%；

⑤输入阻抗：

Ri≥100kΩ。

（3）进行元器件及参数选择；画出电路原理图（或仿真电路图）；进行电路调试。

四、项目报告的内容

（一）项目原理分析及其技术要求

1.各模块的功能作用

（1）话筒放大器：

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号，并保证其输入阻抗远大于话筒的输出阻抗。

（2）电子混响器：

电子混响器的作用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。

在“卡拉OK”伴唱机中，都带有电子混响器。

电子混响器的组成框图如下；其中BBD器件称为模拟延时集成电路，其内部由场效应管构成多级电子开关和高精度存储器，在外加时钟脉冲作用下，对输入信号进行取样，保持并向后级传递，从而使BBD的输出信号相对输入信号延时了一段时间。

BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延时的时间就越长。

（3）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合后的声音信号进行混合放大。

音响放大的性能主要由音调控制器与功率放大器决定。

（4）音调控制器：

音调控制器的作用是控制调节音响放大器输出频率的高低。

音调控制只对低音或高音频的增益进行提升或衰减，中音频增益保持不变。

所以音调控制器的电路由低通滤波器和高通滤波器共同组成。

（5）功率放大器：

功率放大器的作用是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，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能的高。

由于集成功率放大器具有性能稳定、工作可靠及安装调试简单，故而被采用。

2.工作原理

放大器由于具有对微弱信号进行放大的功能，所以得到了广泛的应用，但因单级放大器的增益不高，实用的放大器一般均由多级放大器构成。

多级放大器的组成如图1所示。

图1多级放大器组成图

双向语音放大工作原理如图2所示，放大器是核心部分。

它的作用是把话筒送来的微弱信号放大到足以使扬声器发出声音。

Y1、Y2为扬声器，K为双刀双掷开关，利用开关K的切换作用，可以改变Y1Y2与放大电路连接的位置，使Y1、Y2交替作为话筒和扬声器使用。

Y2通过K接到放大器的输入端成为话筒，Y1则接到输出端为扬声器。

此时有人对着Y2讲话时，Y2把声音信号转化成电信号加到放大器的输入端，经放大器放大后可带动扬声器Y1发出声音，从而可以在Y1处听到Y2处的讲话。

当K拨到另一位置时，则可以在Y1出讲话，Y2处收听。

通过K的开关控制，能够实现双向有线电话。

图2双向语音放大工作原理图

语音放大器的电路由输出级、中间级、输出级构成。

前置级由两级放大器组成，放大器第一级输入端与传感器相连（作为话筒时的Y1和Y2），故也称输入级，放大器的第二级将前一级输出的电压信号进行放大再传给输出级，这一级也称做中间级。

输出级由OTL功率放大器组成，把前置级的电压信号进行功率放大，带动扬声器。

（二）项目实施方案的选择

（1）前置放大级电路方案

前置放大级耦合方式有三种：

阻容耦合、变压器耦合、直接耦合，我们设计中电路级间耦合采用阻容耦合方式。

根据总得电压放大倍数，确定放大电路的级数，实际电路中，为使放大电路的性能稳定，引入一定深的负反馈，所以，放大倍数应留有一定的余量。

根据输入、输出阻抗及频率响应等方面的要求，确定晶体管的组态（共射、共基、共集）及静态偏置电路。

本电路电压增益为100倍，考虑到电路的输入电阻不很高（ri＞15kΩ），输出阻抗也不太低，负载取的电流不大，因此前置级电路采用共射电路。

由于单级放大器的电压增益为35dB左右，两级放大器的增益为65dB左右，考虑导引入一定深度的负反馈（一般为1+AF=10左右），而电路的增益要求为100倍，所以前置级用两级共射电路组成。

静态偏置采用典型的工作点稳定电路。

根据三种耦合方式（阻容耦合、变压器耦合、直接耦合）的不同特点，选用适当的耦合方式。

实训设计中电路级间耦合采用阻容耦合方式，前置放大原理图3所示。

图3前置放大器原理图

（2）功率放大电路方案

功率放大器的电路形式很多，有双电源的OTL互补对称功放电路、单电源的OTL功放电路、BTL桥式推挽攻电路和变压耦合功放电路等。

这些电路各有特点，可根据要求和具备的实验条件综合考虑，做出选择。

本方案的输出功率较小，可采用单点供电的OTL功放电路，OTL功率放大器由推动级、输出级组成。

推动级采用普通的共射极放大电路，输出级由互补电路输出，工作在甲乙类状态下，得到放大的输出功率。

图4是一个OTL功放电路，T4是前置放大级，只要适当调节RP,就可使用IR11、VB5和VB6达到所需数值，给T5、T6提供一个合适的偏置，从而使A点电位VA=VCC/2。

图4功放输出级原理图

当υi=Vsinωt时，在信号的负半周，经T4反向放大后加到T5、T6基极，使T6截止、T5导通，这时有电流通过RL，同时电容C5被充电，形成输出电压VO的正半周波形，在信号的正半周，经T4放大后加到T5、T6基极，使T5导通、T6截止，则已充电的电容C5起着电源的作用，并通过RL和T5放电，形成输出电压υo的负半周波形。

当υi周而复始变化时，T5、T6交替工作，负载RL上就可以得到完整的正弦波。

为使输出电压达到最大峰值VCC/2，采用自举电路的OTL功放电路。

当υi=0时，VA=VCC/2，VB=VCC-iR11R11，电容C4端电压VC=VB-VA=VCC/2-iR11R11。

当R11乘积足够大时，则可以认为VC4基本为常数，不随υi而变化。

这样当υi为负半周时，T5导通，VA响应发生变化。

由于B点电位VB=VC4+VA，B点电位也将自动随着A点电位升高。

因而，即使输出电压υo幅度升的很高也有足够的电流流过T5基极，使T5充分导电。

这种工作方式称为“自举”。

（三）项目实施方案的制定

依据确定方案，根据给定的技术要求进行元件参数的选择。

在确定元件参数时，可以优先从后级开始，根据负载条件确定后级的偏置电路，然后在计算前级的偏置电路，可一步由放大电路的频率特性确定耦合电容和旁路电容的电量，最后由电压放大倍数确定负反馈网络的参数。

1.确定电压电源

为保证输出电压幅度达到指标要求，电源电压VCC应满足如下要求

VCC>2VOM+VE+VCES

VOM为最大输出幅度，VOM=√2VO=1.4V，VE为三极管发射极电压，一般取1～3V，VCES为晶体管饱和降压，一般取1V。

2.前置放大级参数确定

（1）确定三极管T2参数

三极管T2发射极、集电极电阻参数及静态工作点。

以为T2是输出级，输出电压比较大，为使负载得到最大的输出幅度，静态工作点应设在负载线的中点，如图5所示，满足条件

VCC-VCEQ2=ICQ2R8+VE2

VCEQ2=ICQ2（R8×RL/R8+RL）

VCEQ2>VOM+VCES

R9=VE2/ICQ2

指标中，RL=2k，取VE2=3V，VCES=1V，确定R8=3.5k，R9=1.5k，取标称值，R8=3.3k，R9=1.5看，则静态值ICQ=2mA,VCEQ2=2.4V。

三极管T2参数。

晶体管的选取主要依靠晶体管的三个极限参数：

V（BR）CEO>三极管c～e间最大电压VCEMAX；ICM大于三极管工作时的最大电流ICMAX；PCM大于三极管工作时的最大功耗PCMAX。

由图5可知，IC2的最大值为:

IC2MAX=2ICQ2，VCE最大值为VCE2MAX=VCC，根据甲电类路特点，T2最大功耗为PCMAX=VCEQ2×ICQ2，因此T2的参数应满足：

V（BR）CEO>12V;ICM>2ICQ2=4mA；PCM>VCEQ2×ICQ2=4.8mW。

选用3DG系列小功率三极管可以满足要求，β2=80。

三极管T2基极电阻参数。

在工作稳定的电路中，基极电压VB2越稳定，则电路的稳定性越好。

因此，在设计电路时应尽量使流过基极电阻的电流大些，以满足IR>IB的条件，保证VB2不受IB变化影响。

但是IR并不是越大越好，因为IR大，则R6、R7的值必然要小，这是将产生两个问题：

增加电源消耗；第二级的输入电阻降低，而第二级的输入电阻是第一级的负载，所以IR太大时，将使第一级放大倍数降低。

为了使VB2稳定，同时第二级输出电阻又不致太小，一半计算时，按下选取IR的值：

IR=（5～10）IBQ（硅管）；IR=（10～15）IBQ（锗管）。

本电路选用硅管，取IR=5IBQ，则：

R7=VBQ2/IR=（VE2+VBE2）/IR=（3+0.6）/5IBQ2=28.8Kω

IBQ2=ICQ2/β2=2mA/80=0.025MA

R6=VCC/IR-R7=67.8kΩ

取标称值，有R7=30kΩ，R9=68kΩ

（2）确定三极管T1的参数

1三极管T1的发射极、集电极电阻参数及静态工作点。

因为T1是放大器的输出级，其输出的信号比较小，放大后的输出电压也不大，所以对于第一级失真度和输出幅度的要求比较容易实现，主要考虑如何减小噪声，因输出级的噪声将随信号一起被逐级放大，对整机噪声指标影响极大。

三极管的噪声大小与工作点的选取有很大关系，减小静态电流对降低噪声是有利的，但对提高放大倍数不利，所以静态电流不能太小。

在工程计算中，一般对于小信号的输入级都不详细计算，而是凭经验直接选取：

ICQ1=0.1～1Ma（硅管），ICQ1=0.1～2Ma（锗管）。

如果输入信号较大或输出幅度较大时，不能用此方法，而应具体计算，计算方法与计算第二级的方法相同。

取VE1=3V，VCEQ1=3V，ICQ1=0.5mA,有

R3=【VCC-（VE1+VCEQ1）】/ICQ1=（12-6）/0.5Ma=12kΩ

R4+R5=VE1/ICQ1=3/0.5Ma=6kΩ

取标称值，R3=12kΩ，R4=56kΩ，R5=5.6kΩ。

2三极管T1的参数

T1的参加应满足：

V（BR）CEO＞12V,ICM＞0.5Ma,PCM＞1.5mW;选用3DG系列三极管可以满足要求。

确定T1基极的电阻参数：

取IR=10IBQ1，VE1=3V，则

R2=VBQ1/IR=（VE1+VBE1）/IR=（3+0.6）/10IBQ1=57.6kΩ

IR=IBQ1=IBQ1/β2=0.00625mA

R1=VCC/IR-R2=134.4kΩ

取R1=130kΩ，R2=56kΩ。

（3）耦合电容和旁路电容的选取

各级耦合电容及旁路应根据放大器的下限频率fl决定。

这些电容的容量越大，放大器的低频响应越好。

但是容量越大漏电也越大，这将造成电路工作不稳定，因此要适当的选择电容的容量，以保证收到满意的效果。

工程计算中，常选取：

耦合电容2~10μF；发射极旁路电容：

150~200μf。

选取耦合电容10μF，发射极旁路电容100μF，电容的耐压值只要大于可能出现在电容两端的最大电压即可。

（3）反馈网络计算

Rt=1/FV=（R1+R4）/R4

Rf=100R4-R4=5.5KΩ,取R1=5.6KΩ，Cf=10μF。

根据上述的结果，得到电路如图6所示。

图6前置放大级电路图

3.功放级参数确定

（1）确定电源电压

为了保证电路安全可靠的工作，通常使电路的最大输出功率POM比额定输出功率PO要大些，一般取POM=（1.5~2）P。

所以最大输出电压应根据POM来计算，为

VOM=√2POMRL=√2×0.5×8=2.8V

电源电压必须大于VOM，因为输出电压为最大值时，输出管已经接近饱和，考虑到管子的饱和降压，以及发射极电阻的降压作用，我们用下式表示电源电压和输出电压最大值的关系

VOM=ηVCC/2

即

VCC=2×（1/η）VOM=2×（1/η）=√2POMRL

其中η称为电源利用效率，一般取：

η=0.6~0.8。

要根据管子的材料、发射极电阻和扬声器阻抗来确定η值，如果上述因素使输出电压降低很多时，η可选低些；反之可选高些。

此设计中POM=0.25W，RL=8Ω,效率η≥50%，所以，

VCC=2（1/η）VOM=2（1/η）√2POMRL=2（1/0.5）√2×0.25×8=8V

由此可确定12V的电源可满足放大电路和OTL功率放大电路的要求。

（2）确定输出级功放管参数

选择合适的功率管，并使β5=β6,参数尽量对称，大功率管还应考虑其工作环境的温度以及散热片的问题，为了满足电路性能的要求，并便于设计计算，应选择硅管，其极限参数应满足

V（BR）CEO＞VCEMAX

ICM＞ICMAX

PCM＞PCMAX

V（BR）CEO＞VCEMAX=2×VCC/2=12V

ICM＞ICMAX=VOM/RL=（VCC/2-VCEO）/RL=（6-1）/8=625mA

PCM＞PCMAX=0.2POM=0.2×0.25W=50mW

因此选用一般大功率三极管可以满足要求。

（3）计算推动及电路

确定T4的工作电流：

为保证信号不失真，T4工作在甲类放大状态，静态工作点应设在负载线的中点，要求

ICQ4≥3IB5MAX≈3×（IC6MAX/β6）

一般取ICQ4=2~10mA，此设计中取值ICQ4=10mA。

静态是，OTL电路的A点电位VA=2/1VCC=6V,所以，VCE4取2~3V。

VC4=6-VBE4=5.5V

VC4=VCE4+ICQ4R15

确定R15=250Ω。

IRP=（5~10）IBQ4=（5~10）（ICQ4/β4）

VB4=VE4+VBE4=ICQ4R15+VBE4=3.1V

R14=VB4/IRP=3.1/0.625mA=4.96kΩ

RP=（VA-VB4）/IRP=（6-3.1）/5（ICQ4/β4）=6-3.1/0.625mA=4.64Kω

β4选取80，选取电阻标称值R15为270Ω,R14为5.1kΩ、RP为10kΩ电容器。

（4）确定输出级静态工作点及电阻参数

静态时，OTL电路的A点电位VA=2/1VCC=6V，则VBQ5=6.5V,VBQ6=5.5V,则R13=（VBQ5-VBQ6）/ICQ4=（6.5-5.5）10mA=100Ω

R11+R12=（VCC-VBQ5）/ICQ4=（12-6.5）/10mA=550Ω

R11＞R12

确定电阻标称值R11为120Ω,R12为430Ω。

根据上述计算结果，可以得到功放输出级电路图如图7所示。

图7功放输出级电路图

（四）拓展

1.调试方法

（1）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。

（2）调解RP使A点电位为VCC/2。

（3）改变R11的阻值使ICQ4、ICQ5=（5~10）mA，实际中R11的取值为100Ω。

以上两部反复调解，直达达到要求为止。

经上述调试后，放大器能正常工作。

按图2所示的图中位置，对着Y2讲话时，Y1处对应能听到清晰、洪亮的声音。

当K拨到另一位置时，对着Y1讲话时，Y2出应能听到声音清晰、洪亮的声音。

最后需要说明的是，如接好线路后，扬声器中有广播电台的声音，则因在放大器的输入端与地之间接一电容，其容量为0.01μF，也可以由试验确定。

实验仪器设备及元件

实验仪器设备：

直流稳压元、数字万用表。

根据上述原件选型结果以及所设计的整机电路图，完成本设计所需的元器件明细表如图8所示。

电器元件表

图8

实践拓展

在学生宿舍楼、医院病房或多室住宅中，为了管理、联系方便或快速传递信息，安装对将系统是最有效的方法之一。

根据双向语音放大电路可进一步设计出对讲机，使加以任何一方可用扬声器向对方讲话，或收听对方讲话。

（五）项目成果检验

五、项目实施的体会与收获

随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。

经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。

在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。

毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。

自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。

通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

  我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。

最后终于做完了有种如释重负的感觉。

此外，还得出一个结论：

知识必须通过应用才能实现其价值！

有些东西以为学会了，但真正到

  在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

六、参考文献

[1]王金旺，张洪润。

电工电子技术教程。

北京：

科学出版社，2007。

[2]刘蕴陶。

电工电子技术。

北京：

高等教育出版社，2009。

[3]申凤琴。

电工电子技术基础。

北京：

机械工业出版社，2012。

[4]晏明军，姚卫华。

电工与电子技术项目化教程。

北京：

中国建