音响放大器设计.docx
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音响放大器设计
湖州师范学院求真学院
课程设计总结报告
课程名称电子技术课程设计
设计题目音响放大器
专业
班级
姓名
学号
指导教师
报告成绩
求真学院信息与工程系
二〇一〇年十二月二十九日
《电子技术课程设计》任务书
一、课题名称
音响放大器设计
二、设计任务
1、设计一个音响放大器,要求具有音调控制、音量控制等功能,可接入电脑音频信号、录音机线路输出信号等扩音,或作为有源音箱等;
2、电路基本要求内含前置放大、音调控制、功率放大等;
3、画出音响放大器的电路原理图,分析各部分电路的工作原理;
4、电路制作与调试,测试直流工作点,关键点的波形;
5、简易故障的判定及排除。
三、技术指标
a)要求输出额定功率为≥1W,无明显失真,音调调节与音量调节作用明显;
b)负载阻抗(扬声器阻抗)4-8欧,输入信号约为几十mV至100mV;
四、设计报告
根据要求撰写设计报告
《音响放大器的设计》
课程设计总结报告
目录
一、引言
二、任务分析
2.1放大器的发展
2.2放大器的分类
2.2.1甲类放大器
2.2.2乙类放大器
2.2.3甲一名类放大器
三、设计方案
3.1工作原理
3.2不同方案的比较:
3.3TDA2030参数,特点及典型应用
3.3.1引脚情况:
3.3.2电路特点:
3.3.3极限参数
3.3.4主要性能指标
3.3.5注意事项
3.3.6.理想运算放大器特性
3.3.7.理想运放在线性应用时的两个重要特性:
四、电路设计及元器件清单
4.1主体OTL功率放大器图
4.2、手持式扩音器附加图
4.3在protel99SE中作出相关的原理图
4.4在protel99SE中作出相关的PCB图
4.5元器件清单
五、焊接及调试
5.1焊接
5.1.1焊接技术
5.1.2焊接的注意事项
5.2焊后处理
5.3导线焊接
5.4常用连接导线
5.5调试
5.5.1主体OTL功率放大器调试
5.5.2手持式扩音器调试
六、展望
七、感想
八、参考文献
附:
电源电路图
《音响放大器的设计》
摘要:
利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。
因为声音是不同振幅和不同频率的波,即交流信号电流,三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍,β是三极管的交流放大倍数,应用这一点,若将小信号注入基极,则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍,然后将这个信号用隔直电容隔离出来,就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号,这现象成为三极管的放大作用。
经过不断的电流及电压放大,就完成了功率放大。
一、引言
伴随着科学技术的迅速发展,人们生活水平的不断提高,对音频功率放大器的要求越来越高。
音频是多媒体中的一种重要媒体。
人能够听见的音频信号的频率范围大约是60Hz-20kHz其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内,而音乐和其他自然声响是全范围分布的。
本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器,践实所学知识掌握程度,并通过对所学知识来制造和改进相关产品,实际动手的过程中遇见了很多问题,但是在老师的指导和帮助下解决相应的问题。
同时在与同学的讨论学习过程中加强意识的培养,加强了相互间协调合作的能力,从而高质、高效的完成本次的设计任务。
二、任务分析
2.1放大器的发展
音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。
1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管,开创了揉电声技术的先河。
1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB(Negativefeedback)技术后,使音响技术的发展进入了一个崭新的时代,比较有代表性的如“威廉逊”放大器,而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi(HighFidelity)放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术,成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。
60年代由于晶体管的出现,使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。
晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点,,各种电路也相应产生,如:
“OTL(OutputTransformerLess)”无输出放大器、“OCL(OutputCapacitorLess)”放大器等。
直至70年代,晶体管放大技术的应用已相当成熟,各种新型电路不断出现,如:
较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路;成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路;具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。
从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。
在60年代初,美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路,到了70年代初,集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点,逐步被音响界所认识。
发展至今,厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。
功率放大器简称功放,可以说是各类音响器材中最大的一个家族了,其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后,产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能,不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
功放可以分做两大类别,即专业功放与家用功放。
在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声,以及录音监听等场所使用的功放,一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求,这类功放通常称为专业功放。
而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏,AV系统放音,以及卡拉OK娱乐的功放,通常我们称为家用功放。
2.2放大器的分类
根据三极管在放大信号时的信号工作和三极管静态电流大小划分,放大器电路主要有3种放大器类型:
一是甲类放大器电路,二是乙类放大器电路,三是甲乙类放大器电路。
但在音响系统中不允许存在信号的非线性失真,只用甲类放大器电路和甲乙类放大器电路。
2.2.1甲类放大器
甲类放大器就是给放大管加入合适的静态偏置电流,这样用一只三极管放大信号的正、负半周。
在功率放大器电路中,功放输出级中的信号幅度已经很大,如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大,这种电路称之为甲类放大器。
2.2.2乙类放大器
所谓乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流,且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周,正、负半周再在放大器的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。
由于这种放大器没有给功放输出管加入静态电流,它会产生交越失真,这种失真是非线性失真的一种,对声音的音质破坏严重。
所以,乙类放大器电路是不能用于音频放大器电路中的。
2.2.3甲乙类放大器
为了克服交越失真,必须使输入信号避开三极管的截止区,给三极管加入很小的静态偏置电流,以使输入信号“骑”在很小的静态偏置电流上,这样可以避开了三极管的截止区,使输出信号不失真。
甲乙类放大器电路的主要特点如下-所述:
(a).这种放大器同乙类放大器电路一样,也是用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周,但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流,以使三极管刚刚进入放大区。
(b).由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小,在没有输入信号时放大器对直流电源的消耗比较小(比起甲类放大器要小得多),这样具有乙类放大器的省电优点,同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区,对信号不存在失真,又具有甲类放大器无非线性失真的优点。
所以,甲乙放大器具有甲类和乙类放大器的优点,克服了这两种放大器的缺点。
正是由于甲乙类放大器无交越失真,又具有输出功率大和省电的优点,所以被广泛地应用于音频功率放大器电路中。
当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时,就成了乙类放大器,将产生交越失真。
2.3设计任务:
1、设计一个音响放大器,要求具有音调控制、音量控制等功能,可接入电脑音频信号、录音机线路输出信号等扩音,或作为有源音箱等;
2、电路基本要求内含前置放大、音调控制、功率放大等;
3、画出音响放大器的电路原理图,分析各部分电路的工作原理;
4、电路制作与调试,测试直流工作点,关键点的波形;简易故障的判定及排除。
三、设计方案
3.1工作原理
其工作原理如下:
当语音信号由话筒输出后,进入语音放大器放大并传入混合前置放大器,并进行放大。
放大后的信号进入音调控制器,然后进入功率放大器进行功率放大后,由扬声器输出声音。
3.2不同方案的比较:
方案一:
采用锁环频率相合成技术外加音响放大器
采用锁相环频率合成技术,先用锁相环频率合成产生一定范围的频率,在通过传感器把接收到的频率信号转化音频信号。
在通过低通滤波器把频率控制在音频所需要的频率范围。
它的优点就是工作频率可调也可以达到很高的频率分辨率;缺点是要求使用的滤波器通带可变,实现很困难。
具体方案如图3.1.1所示:
图3.1.1锁环频率相合成技术框图
方案二:
采用直接数字式频率合成器DDS技术外加音响放大器
采用直接数字式频率合成器(DDS),是用RAM存储所需波形的量化信息,按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加,以累加相位值作为地址码读取存放在内存里。
DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率高等优点;另外,全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度也可实现程控。
但在方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,那么设计的成本较高。
同时电路也不好仿真。
实现起来也比较困难。
方案三:
采用直接给定的音频信号外加音响放大器
采用直接所定的音频信号,是由MP3现代音频信号设备,直接给音响放大器。
此电路简单,其优点是:
在音频信号具有直接给定的音频频率,在频率方面没有失真效果,而且具有混响器的效果。
图3.1.2直接给定的音频信号外加音响放大器
通过对方案的比较和选择,选择第三个方案有三个原因:
首先这个方案它设计简单可靠,软硬可相互补充各自的缺点。
同时音响效果也比较好。
音响放大电路设计由三部分组成:
混合前置放大模块,音调输出控制模块,功率放大模块。
混合前置放大模块作用是将磁带放音机输出的音乐信号混合放大。
音调输出控制模块作用是主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。
功率放大模块作用是给音响放大的负载
(扬声器)提供一定的输出功率;其次这方案能很好的进行模拟仿真能够完成计算机调试的过程,减少我们在制作过程中的麻烦;也是我觉得最合适的方案,便宜且方便。
3.3TDA2030参数,特点及典型应用
TDA2006是德律风根生产的音频功放电路,采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图1所示,按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备,具有体积小、输出功率大、失真小等特点。
并具有内部保护电路。
意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产,虽然其内部电路略有差异,但引出脚位置及功能均相同,可以互换。
实物图
图1
3.3.1引脚情况:
1脚是正相输入端
2脚是反向输入端
3脚是负电源输入端
4脚是功率输出端
5脚是正电源输入端。
3.3.2电路特点:
[1].外接元件非常少。
[2].输出功率大,Po=18W(RL=4Ω)。
[3].采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度。
[4].开机冲击极小。
[5].内含各种保护电路,因此工作安全可靠。
主要保护电路有:
短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接(Vsmax=12V)以及负载泄放电压反冲等。
3.3.3极限参数
TDA2006极限参数:
参数名称 极限值 单位
电源电压(Vs) ±18 V
输入电压(Vin) Vs V
差分输入电压(Vdi) ±15 V
峰值输出电流(Io) 3.5 A
耗散功率(Ptot)(Vdi) 20 V
工作结温(Tj) -40-+150 ℃
存储结温(Tstg) -40-+150 ℃
3.3.4主要性能指标
功放的主要性能指标有输出功率,频率响应,失真度,信噪比,输出阻抗,阻尼系数等。
输出功率:
单位为W,由于各厂家的测量方法不一样,所以出现了一些名目不同的叫法。
例如额定输出功率,最大输出功率,音乐输出功率,峰值音乐输出功率。
音乐功率:
是指输出失真度不超过规定值的条件下,功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。
峰值功率:
是指在不失真条件下,将功放音量调至最大时,功放所能输出的最大音乐功率。
额定输出功率:
当谐波失真度为10%时的平均输出功率。
也称做最大有用功率。
通常来说,峰值功率大于音乐功率,音乐功率大于额定功率,一般的讲峰值功率是额定功率的5--8倍。
频率响应:
表示功放的频率范围,和频率范围内的不均匀度。
频响曲线的平直与否一般用分贝[db]表示。
家用HI-FI功放的频响一般为20HZ--20KHZ正负1db.这个范围越宽越好。
一些极品功放的频响已经做到0--100KHZ。
失真度:
理想的功放应该是把输入的讯号放大后,毫无改变的忠实还原出来。
但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较,往往产生了不同程度的畸变,这个畸变就是失真。
用百分比表示,其数值越小越好。
HI-FI功放的总失真在0。
03%--0。
05%之间。
功放的失真有谐波失真,互调失真,交叉失真,削波失真,瞬态失真,瞬态互调失真等。
信噪比:
是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比,用db表示,这个数值越大越好。
一般家用HI-FI功放的信噪比在60db以上。
输出阻抗:
对扬声器所呈现的等效内阻,称做输出阻抗。
阻尼系数:
是扬声器阻抗和放大器输出阻之间的比例
3.3.5注意事项
TDA2006具有负载泄放电压反冲保护电路,如果电源电压峰值电压40V的话,那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器,以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。
热保护:
限热保护有以下优点,能够容易承受输出的过载(甚至是长时间的),或者环境温度超过时均起保护作用。
与普通电路相比较,散热片可以有更小的安全系数。
万一结温超过时,也不会对器件有所损害,如果发生这种情况,Po=(当然还有Ptot)和Io就被减少。
印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦,因为这些线路有大的电流通过。
装配时散热片与之间不需要绝缘,引线长度应尽可能短,焊接温度不得超过260℃,12秒。
虽然TDA2006所需的元件很少,但所选的元件必须是品质有保障的元件。
3.3.6.理想运算放大器特性
在大多数情况下,将运放视为理想运放,就是将运放的各项技术指标理想化,满足下列条件的运算放大器称为理想运放。
开环电压增益
输入阻抗
输出阻抗
带宽
失调与漂移均为零等。
3.3.7.理想运放在线性应用时的两个重要特性:
(1)输出电压
与输入电压之间满足关系式
由于
,而
为有限值,因此,
。
即
,称为“虚短”。
(2)由于
,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即
,称为“虚断”。
这说明运放对其前级吸取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路和计算。
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,而输出阻抗达到20k亦有低输出阻抗的话筒,(如20,200等),所以话筒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。
AvF=1+Rf/R2
Ri=R1(R1一般取几十千欧)
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进行放大。
输出与输入电压间的关系为:
V0=-(RFV1/R1+RFV2/R2)
四、电路设计
根据课程任务设计书的要求,作出相关电路图,如下:
4.1主体OTL功率放大器图
OTL功率放大器:
可选择分立元件式,IC式,此处选择TDA系列IC,电源电压在6V-15V范围,可根据功率需求大小选择。
4.2、手持式扩音器附加图
手持式扩音器:
在所设计OTL功率放大器基础上,配接一话筒与前置放大电路即可,有关电阻阻值应根据扩音效果适当调整。
前置放大可设置或不设置,据实际情况而定。
此处选择电容式话筒(二线式),前置放大电路未设置。
4.3在protel99SE中作出相关的原理图,如下:
4.4在protel99SE中作出相关的PCB图,如下:
4.5元器件清单如下:
器件名称
型号
数量
封装
备注
电阻R1
22k
1
RAD0.3
电阻R2/R3/R4
100k
3
AXIAL0.4
R5/R8
4.7k
2
AXIAL0.4
R6
150k
1
AXIAL0.4
R7
1
1
AXIAL0.4
R9
1k
1
AXIAL0.4
电解电容C1
22uF
1
RB.2/.4
电解电容C2
22uF
1
RB.2/.4
电解电容C3
100uF
1
RB.2/.4
电解电容C4
2.2uF
1
RB.2/.4
瓷片电容C5
0.1uF
1
RAD0.4
电解电容C6
2200uF
1
RB.2/.4
瓷片电容C7
0.22uF
1
RAD0.4
电解电容C8
47uF
1
RB.2/.4
IC
TDA2006
1
SIP-5
二极管D1/D2
1N4001
2
DIODE0.4
扬声器
0.5W
1
SIP-2
电容式话筒
1
SIP-2
五、焊接及调试
5.1.1焊接技术
电路的主要工作是在电路板上焊接电子元器件,焊接质量的好坏直接影响着电路的性能,焊接质量主要取决于四个条件:
焊接工具,焊剂,焊料,焊接技术.为保证焊接质量,要求焊点光亮,圆滑,无虚焊.
a.元件引线要刮净,最好先挂锡再焊.因为引线表面经常有氧化物或油渍,不易"吃锡",焊接起来困难,即使勉强焊上也容易形成虚焊,因而必须将氧化物或油渍刮除干净.
b.焊接温度和时间要掌握好.温度不够,焊锡流动性差,很容易凝固;温度过高,焊锡流淌,焊点又不易存锡,两种情况都不易焊好.一般焊接时让烙铁头的温度高于焊锡熔点,烙铁头与焊点接触时间以使焊点锡光亮,圆滑为宜.如果焊点不亮或形成"豆腐渣"状,说明温度不够,焊接时间太短.这种情况由于焊剂没能充分挥发,很容易形成虚焊.此时需要增加焊接温度,只要将烙铁头在焊点上多停留些时间即可,不必加压力或来回移动.
c.扶稳不晃,上锡适量.焊接时,被焊物体必须扶稳扶牢,特别在焊锡凝固过程中不能晃动被焊元器件,否则很容易造成虚焊.烙铁沾锡多少要根据焊点大小来决定,最好所沾锡量能包住被焊物.如果一次上锡不够,可以下次填补,但要注意再次填补焊锡时,一定要待上次的锡一同熔化后方可移开烙铁头,使焊点熔结为一体.
d.电子电路常有一些基本单元组成,电路重复性和规律性较强.焊接时,一般先将电阻,电容,二极管等元件引线弯曲成所需形状,依次插入焊孔,并设法使元件排列整齐,然后统一焊接.检查焊点后剪去过长引线,最后焊接三极管,集成电路.器件的焊接时间一般要短一些,引脚也不宜剪得太短,防止焊接时烫坏管子.初学者可用镊子夹住管脚进行焊接.
e.焊接结束,首先检查电路有无漏焊,错焊,虚焊等问题.检查时可用尖嘴钳或镊子将每一个元件拉一拉,看有无松动,特别是要察看三极管管脚是否焊牢,如果发现有松动现象,要重新焊接.
5.1.2焊接的注意事项
焊接印制板,除遵循锡焊要领外,以下几点须特别注意:
(1)电烙铁,一般应选内热式20~35W或调温式,烙铁的温度不超过300℃的为宜。
烙铁头形状应分局印制板焊盘大小采用凿形或锥形,目前印制板发展趋势是小型密集化,因此一般常用小型圆锥烙铁头。
(2)加热方法,加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线(图5.2.7)。
对较大的焊盘(直径大于5mm)焊接时可移动烙铁,即烙铁绕焊盘转动,以免长时间停留一点导致局部过热,如图八所示。
图5.2.7烙铁对焊点加热
(3)金属化孔的焊接,两层以上电路板的孔都要进行金属化处理。
焊接时不仅要让焊料润湿焊盘,而且孔内也要润湿填充。
因此金属化孔加热时间应长于单面板。
图5.2.8大盘烙铁焊接图5.2.9金属化孔德焊接
(4)焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能,而要靠表面清理和预焊。
(5)耐热性差的元器件应使用工具辅助散热。
5.2焊后处理
(1)剪去多余引线,注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。
(2)检查印制板上所有元器件引线焊点,修补缺陷。
(3)根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。
一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。
5.3导线焊接
导线焊接在电子产品装配中占有重要位置。
实践中发现,出现故障的电子产品中,导线焊点的失效率高于印制电路板,有必要对导线的焊接工艺给予特别的重视。
5.4常用连接导线
(1)单股导线,绝缘层内只有一根导线,俗称“硬线”容易成形固定,常用于固定位置连接。
漆包线也属此范围,只不过它的绝缘层不是塑胶,而是绝缘漆。
(2)多股导线,绝缘层内有4~67根或更多的导线,俗称“软线”,使用最为广泛。
(3)屏蔽线,在弱信号的传输中应用很广,同样结构的还有高频传输线,一般叫同轴电缆的导线。
在此次的电路导线的连接中,就用到了屏蔽线。
5.5调试
实践表明,新安装完成的电路板,往往难于达到预期的效果。
这是因为人们在设计时,不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素,此外,电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。
通过电路板的测试和调整,可发现和纠正设计方案的不足,并查出电路安装中的错误,然后采取措施加以改进和纠正,就可使之达到预定的技术要求。
5.5.1主体OTL功率放大器调试
●加上电源电压,输出端电压应近似为电源电压一半,否则说明电路有故障;
●电位器处引线最好采用屏蔽线,以减小交流感应声;
●输入端加上合适大小输入信号,观察输出端信号大小、波形失真情况;
●根据波形失真情况、输出信号大小,来选择合适电源电压大小。
5.5.2手持式扩音器调试
●加上扩音器附加电路,试验喊话音量大小、失真度情况;
●根据声音失真情况、音量大小,来选择合适电源电压大小、话筒偏置电阻大小及负反馈元件大小。
设计电路由话筒放大与前置放大两级电路组成。
其中第一部分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筒放大器电路,其放大倍数Av1为
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- 音响 放大器 设计