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考虑到实际电路的损耗,选择放大倍三、设计原理与电路1、前置放大级设计由于话筒提供的信号非常弱,一般在音调控制器前面加一个前置放大器。
考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求,前置放大器选用集成运算放大器。
NE5532是高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路。
与很多标准运放相似,但它具有更好的噪声性能,优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽,电源电压范围大等特点。
图2NE5532直流电气特性参数图3NE5532交流电气特性参数图4前置放大级电路图Au=30-R12/R11=-30,取R11=1KΩ,R12=30KΩ根据运算放大器的性质,R13为补偿电阻,以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性;
其值为当输入为u=0时,各支路电阻的并联,取R13=R12//R11=7.5KΩ。
2、音调控制级设计音调控制器功能为:
调节音响放大器的频率响应,更好地满足人耳的听觉特性。
音调控制器对高音和低音进行提升或衰减,对中音信号增益不变,该级电路图如下。
所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重,以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果、或补偿扬声器系统及放音场所的音响不足。
这个控制过程其实并没有改变节目里各种声音的音调(频率),所谓音调控制只是个习惯叫法,实际上是高、低音控制或音色调节。
一个良好的音调控制电路,要有足够的高、低音调节范围,但又同时要求高、低音从最强到最弱的整个调节过程里,中音信号(通常指1000赫)不发生明显的幅度变化,以保证音量大致不变。
音调控制电路大致可分为两大类:
衰减式和负反馈式。
衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽,但因中音电平要作很大衰减,并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变。
所以噪声和失真大一些。
负反馈式音调控制电路的噪声和失真较小,但调节范围受最大负反馈量的限制,所以实际的电路常和输入衰减联合使用,成为衰减负反馈混合式。
本级运放选用LF353,其输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路,并且用镜像恒流源做负载来提高增益;
在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级,用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益;
主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路,为了保证放大器的稳定性,在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络,跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作;
输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器,两个100Ω的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流,200Ω的电阻用来限制输出短路电流。
以下为LF353运算放大器的部分特性和参数。
图6LF353参数下图为音调控制曲线:
L1L2H1H2Au图7频率特性控制曲线图中fo=1kHzfL1fH1中音频率(亦称中心频率),要求增益Aum=0dB;
低音转折频率,一般为几十赫兹;
中音转折频率;
fL2=10fL1中音转折频率;
fH2=10fH1高音转折频率,一般为几十千赫兹。
音调控制器设计音调控制器如图8中由A3及外围电路组成。
根据题意:
100Hz和10kHz处有+12dB调节范围。
即fLx=100Hz,X=12dB,代入fL2=fLx·
2x/6得fL2=fLx*2x/6=100Hz·
2·
12/6=400Hz,fL1=fL2/10=40Hz,同理fHx=10kHz,X=-12dB得fH1=fHx·
2x/6=2.5kHz,fH2=10fH1=25kHz。
Uow2图8由运放构成的音调控制器通常使C1=C2>
>
C3;
R1=R2;
并使在中频区C3可视为开路,在中、高音频区C1、C2可视为短路。
低频(f 图9(a)为Rw1的滑臂在最左端,对应于低频提升最大的情况。
图9(b)为Rw2的滑臂在最左端,对应于低频衰减最大的情况。
URUoUo(a)低频提升(b)低频衰减图9音调控制器的低频等效电路低频区频率特性分析在低频区,音调控制器的等效电路如图9所示。
其中(a)为Rw1的滑臂在左端,对应于低频提升最大的情况,(b)为Rw2的滑臂在右端,对应于低频衰减最大的情况。
分析表明,图9(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器其传输函数表达式UAjOUiRR22W1R11j11j式中:
11Rw1C2(或fL112Rw1C2)2Rw1R3(或fRw1R2C2L22Rw1R2C2Rw1R2)当f<fL1时,C2可视为开路,同时,R4的影响通常可以忽略,即认为R4支路短路,于是从图(a)可得电压增益为AuL当ffL1,考虑到fL1Rw1R2R1fL20.1,由传递函数表达式可得RW1R210.1jAu1R11j其模为Au1Rw1可见电压增益Au1相对于AuL下降了3dB。
当ffL2时,由式传递函数表达式可得RW1R21jAu2R1110j其模为Au1RW1R220.14AuLR110此时电压增益相对于AuL下降了17dB。
由图7的实线可以看出,在fL1fLXfL2的范围内,电压增益的衰减速率为-20dB/10倍频。
亦即-6dB/倍频。
可用同样方法对图9(b)进行分析,并不难得出其增益相对于中频的衰减量。
高频(f>
1kHz)时的情况当f>
f0时,C1、C2短路,音频控制器高频等效电路如图10。
Rw2ow2(b)转换后的音调控制器等效电路(a)高频区音调控制器等效电路图10音调控制器高频等效电路若取R1R2R4,则可写出转换前后的电阻关系为RaRbRc3R13R23R4当Rw2的滑臂至最左端和最右端时,可将图10(b)所示电路分别绘成图11(a)和(b)所示电路。
可以看出,图11(a)所示电路为一阶有源高通滤波器,其传输函数为(a)高频提升图11高频等效电路(b)高频衰减UR1j/3AjobUiRa1j/4式中:
311(或fH1)(RaR3)C32RaR3C311(或fH2)R3C32R3C34按上述低频等效电路的同样的分析方法,可得下列结果:
ffH1时,C3可视为开路,电压增益Aum1(0dB)ffH1时,Au3um(3dB)ffH2时,Au4Aum7.07(17dB)ffH2时,C3可视为短路,此时电压增益为AuHRaR3R3由图7的右半部实线可以看出,在fH1fHXfH2的范围内,电压增益的提升速率为20dB/10倍频,亦即6dB/倍频。
可用同样的方法对图10(b)进行分析,并不难得出其增益相对于中频的衰减量。
在实际设计时,一般是给出低频区某频率fLX处和高频区某频率fHX处的提升量或衰减量X(dB),再根据以下两式分别求出转折频率fL2fL1和fH1fH2,即fL2fLX2fH2fH1X2/6根据以上分析再结合实际情况,考虑到滤波要求做出以下实际电路X6图12实用音调控制级3、功率放大级设计在很多电子设备中,要求放大电路的输出级能够带动某种负载,例如驱动仪表,使指针偏转;
驱动扬声器,使之发声;
或驱动自动控制系统中的执行机构等。
总之,要求放大电路有足够大的输出功率。
本电路设计中是为了驱动扬声器来达到扩音的目的。
本电路中选用LM386作为功率放大电路运放。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少,电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。
输入端以地为参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
本实验中使用的接法Au=20。
下图为功率放大级电路图:
图12功率放大级在途中U1(V+)=8V,根据输出功率的计算公式,达到最大输出功率约为1W,满足电路设计要求。
四、电路的组装与调试影响电路输出结果有很多因素,包括通频带,最大输入电流,输入阻抗,输出阻抗。
尤其是当多级运放级联是,得到的结果与分级调试时有着巨大的差别,所以当分别完成前置放大级,音调控制级,功率放大级后应将三级级联然后进行总的调试,以使电路功能能够达到最初的实验设计要求,合理适用。
下图为总电路原理图:
图13音频放大电路上图为电路总实验图,实验使用proteus软件仿真a)输入振幅为5mv,频率为1Khz的正弦波:
图141kHZ函数信号发生器图15三级输出波形示波器图像中,ChannelA代表前置放大级输出波形,每小格幅度为0.2mv;
ChannelB代表音调控制级输出波形,每小格幅度为0.2mv;
ChannelC代表功率放大级输出波形,每小格幅度为1mv。
同时在示波器图形中我们可以清楚的看到音调控制级对于中频信号f=1kHZ放大倍数为一倍,即增益为0dB,满足电路设计需求。
b)输入振幅为5mv,频率为100HZ的正弦波:
图16100HZ正弦信号发生器RV6处于中间时示波器图像:
根据以上图像分析:
示波器图像中,ChannelA代表前置放大级输出波形,每小格幅度为0.2mv;
当输入信号为低频信号f=100HZ时,音调控制级输出波形在RV6处于最左端时幅值最大,最右端时幅值最小,除去一些影响因素,对于100HZ的低频信号基本上能够实现具有±
12dB可调节范围的功能。
但是本电路存在一定的问题,即在左端调节末端存在电路的失真问题,正在研究解决。
c)输入振幅为5mv,频率为10kHZ的正弦波:
图1510kHZ正弦信号发生器RV7处于中间时示波器图像:
根据以上电路分析:
当输入信号为高频信号信号f=10kHZ时,音调控制级输出波形在RV6处于最左端时幅值最大,最右端时幅值最小,除去一些影响因素,对于10kHZ的高频信号基本上能够实现具有±
有波形图可以清楚的看到当滑动变阻器处于最左端时,正弦波形具有底部失真,说明电路还有很大的改进空间。
由于时间较为仓促,暂时未找到解决方法。
以上三部分调试是针对100HZ,1kHZ,10kHZ的信号进行测试的。
主要是测试音调控制级的对低频,中频,高频信号的增益控制,经过调试的到如下结论:
音调特性在1kHZ处增益为0dB,100HZ和10kHZ处的增益基本具有±
因为时间仓促,实验电路还有很多细节未完善,导致部分技术指标不能达到设计要求,存在一定问题。
`d)输入振幅为5mv,频率为10HZ的正弦波:
此时RV6和RV7都处在50%的位置,波形图如下由波形可见10HZ低频信号能够通过该电路。
e)输入振幅为5mv,频率为40kHZ的正弦波:
此时RV6和RV7都处在50%的位置,波形图如下由波形可见40kHZ高频信号能够通过该电路。
综上所述,电路参数基本满足频率响应范围10HZ-40kHZ的要求。
因为本课程设计仅仅立足于电脑软件仿真,并不进行实物组装,且实物组装而来的系统与实验仿真系统得到的结果存在一定差别,所以系统调试步骤省略。
五、设计总结a)故障问题及分析本次大的问题遇到一个,即是在做好前置放大级无法与后级级联,这个问题总共困扰了我两个星期,两周内课程设计内容毫无进展,中间进行过多问题的排查,经过和老师讨论分析得到原因是:
前级与后级电流不一致。
但是在改进过程中并没有真正解决问题,原因可能并不在此。
在一次仿真中,我将前级的同相比例运算电路改接为反相比例运算电路,竟然与后级级联成功,得到现有的实验电路。
本次课程设计遇到的其他问题都是一些基本概念问题,都较好解决。
b)实验感想纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。
本次课程设计终于让我们认识到课本知识与实际应用的差别。
我的设计内容主要涉及到模拟电子技术的内容,包括滤波器,运算放大器,阻抗匹配,频率响应等内容。
这些平时都在课本上,试卷上,很难走到我们实际生活当中。
当实际应用起来的时候我们会发现本来熟悉的知识会那么的陌生,简简单单的同相比例运算电路也会接错,由此可见我们平时掌握的知识是多么的肤浅。
作为一个初学者,在设计电路的时候竟然忽略了阻抗匹配,最大输入电流,电源电压等基本参数的要求,简单的将各级放大电路级联,造成了很多错误。
等等这些都是课本知识与实际应用的差别。
再者,我也发现了自己知识迁移能力较差,在信号与系统、模拟电子技术课程中我们学习了滤波器,可是当实际应用是却不会使用,例如音调控制级电路的实质就是滤波器,这简单的知识是在翻阅大量资料后才知道,浪费了大量时间!
反映问题的同时我也学到了很多课本上学习不到的内容,几种常用运算放大器的使用,例如NE5532,LF353,LM386,TDA2030等,其中包括他们的引脚接法,电路参数;
还学习了电路仿真软件proteus,multisim的基础应用,能够使用他们做出简单电路的仿真;
最后阶段我简单的了解了protel制板软件的应用。
因为时间有限,未作出相应结果。
作为一名电子专业学生,最重要的是把知识转化为实际的产品,而不是停留在课本上进行理论分析。
课程设计只是我们从书本走向实际应用的第一步,且其题目简单而又初级,难以满足我们的知识需求,更难以跟进以后电子信息产业发展的脚步。
所以每一个电子专业的学生都应立足于实际应用,立足于社会发展需求,立足于科技最前沿,做出优秀的产品,成为优秀的电子工程师!
元器件清单:
参考文献:
[1]清华大学电子学教研组编,童诗白华成英主编.模拟电子技术基础.第四版.北京:
高等教育出版社,2006年5月[2]电子电路综合设计实验教程,北京:
北京邮电大学电路中心,2011年2月[3]刘宝玲等.电子电路基础,北京:
高等教育出版社,常用音频放大电路常用音频放大电路BA328立体声前置放大电路BA328具有双路前置放大电路,它具有外接元件少,安装方便等特点,单8脚直插封装。
电路特点如下:
工作电压范围宽,噪声小,开环增益高,左右声道平衡性好。
常用于磁带录放音机,汽车立体声收音机及家用音响设备。
BA328极限参数如下:
最高电源电压18V,最大功耗:
540mW,工作温度:
-25-70℃。
BA532音频功率放大电路BA532与用于OTL电路的低频功率放大电路,输出功率高达5.8W,内设负载短路、过电压和过热保护电路,单列10脚封装,电路特点有:
在电源电压为13.8V时,8Ω负载阻抗,THD=10%时,输出功率可达5.8W,纹波抑制比高达40dB,引脚与BA511A、BA521相同。
常用于汽车立体声收录音机,收音机、电视机和磁带录音机中作功率输出电路。
BA5364.5W双声道功率放大电路BA536是一个双声道音频功率放大电路,它具有通道平衡好、增益差小,12脚DIP单列直插封装,电路具有如下特点:
输出功率每声道4.5W(4Ω负载阻抗,12V电源电压时),5.5W(3Ω负载阻抗,12V电源电压时)。
纹波抑制比55dB,失真度:
THD=1.5%(Po=0.5W时),串音小于57dB,工作电压5-12V,可以方便地构成BTL电路。
极限参数:
Vcc=18V,功耗:
工作温度:
-20-75℃。
音频放大电路音频放大电路AN7115音频功率放大电路AN7114在Vvv=9.0V,THD=10%,RL=8Ω条件下,输出功率可达2.1W,噪声输出3mV。
极限参数:
Vcc=13V,耗散功率(不带散热器)为1.2W,带散热器的条件下为2.25W。
工作温度-20—70℃,适合于小型便携式收录音机及音响设备作功率放大器。
AN7114音频功率放大电路AN7114在Vvv=6.0V,THD=10%,RL=8Ω条件下,输出功率可达0.6W,噪声输出3mV。
Vcc=11V,耗散功率(不带散热器)为1.2W,带散热器的条件下为2.25W。
BA313带ALC录放音电路BA313是一个内置自动电平控制电路(ALC)的录放音前置放大电路,常用于盒式磁带录音机,9脚DIP双列直插封装,电路具有如下特点:
自动电平控制范围宽,工作电压范围宽(3—12V),高增益,低失真,低噪声。
BA328立体声前置放大电路BA328具有双路前置放大电路,它具有外接元件少,安装方便等特点,单8脚直插封装。
在电源电压为13.8V时,8Ω负载阻抗,THD=10%时,输出功率可达5.8W,纹波抑制比高达40dB,引脚与BA511A、BA521相同。
BA5364.5W双声道功率放大电路BA536是一个双声道音频功率放大电路,它具有通道平衡好、增益差小,12脚DIP单列直插封装,电路具有如下特点:
输出功率每声道4.5W(4Ω负载阻抗,12V电源电压时),5.5W(3Ω负载阻抗,12V电源电压时)。
HA1377是日本日立公司生产的功率放大集成电路,在一块硅片上有两组功放电路,具有较高的输出功率,13.2V电源电压下,在4Ω负载THD=10%时可获得5.8W输出功率。
在BTL连接时,在以上相同条件可获得17W的输出功率。
适合于便携式、台式单声道及立体声双声道录音机等音响设备,采用12引线单列直插式塑料封装结构,外形如图1。
电路特点:
[1].谐波失真小,在100Hz-10kHz下不大于1%。
[2].电路内部具有耐浪涌保护电路。
[3].内部设有热切断保护电路。
[4].外接元件少。
典型应用电路及电气参数:
图2为HA1377在双通道工作时的典型应用电路,图3为BTL连接典型应用电路,表1为HA1377电气参数,表2为极限参数。
使用说明:
HA1377与HA1377A为同一种封装形式,其外形尺寸、引脚功能排列相同。
电参数和应用图也相同,一般情况下可以互换。
不同点是:
HA1377A可以用于BTL连接,而HA1377则不能用于BTL连接。
TDA2030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。
[1].外接元件非常少。
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- 音频 放大 电路