模电课设《高保真全集成电路》.docx

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模电课设《高保真全集成电路》

摘要

全集成电路高保真扩音机，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

本次课程设计以高保真扩音机为设计对象，设计的主要内容包括全集成高保真扩音机的设计方案论证、全集成高保真扩音机各单元电路设计、全集成高保真扩音机整体电路设计。

首先，根据整体电路参数的计算、设计的要求、技术指标选取2个功率放大器TDA2030A、1个TL084运算放大器，然后根据性能指标选取其他的电气设备，包括整流二极管、发光二级管、电解电容、电阻、电源变压器、喇叭座、电位器等。

最后根据接线原则、性能指标以及技术指标设计前置放大、音调和音量、功率放大器和扬声器的电路图，选择可靠地接线方式，同时为了保证扩音机的高保真性以及降低信噪比安装了4个电位器。

作为音响系统中最基本的设备，本次全集成电路高保真扩音机设计改变了传统的设计和控制模式，能更好的适应电子技术、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。

关键词：

高保真扩音机；运算放大器；功率放大器；参数计算

Abstract

Theintegratedcircuithi-fiamplifiers,isthefundamentalequipmentintheacousticsystem,itstaskistocomefromthesignalsource（professionalaudiosystemisfromthemixer）theweakelectricalsignalisamplifiedtodrivethespeakersound.

Thiscourseisdesignedtohi-fiamplifiersasthedesignobject,designthemaincontentsincludetheintegrationofhi-fiamplifiersdesignschemedemonstration,fullyintegratedhi-fiamplifierseachunitcircuitdesign,fullyintegratedhi-fiamplifiersintegratedcircuitdesign.Firstofall,accordingtotheoverallcircuitparametercalculation,designrequirements,technicalindicatorsofthe2poweramplifierTDA2030A,1TL084operationalamplifier,andthenaccordingtotheperformanceindexofotherelectricalequipment,includingarectifierdiode,twolight-emittingtubes,electrolyticcapacitors,resistors,powertransformer,thehornbase,suchaspotentiometers.Finally,accordingtothewiringprinciple,performanceindexandtechnicalindexdesignofpreamplifier,toneandvolume,apoweramplifierandaloudspeakercircuitdiagram,selectreliableconnectionmode,atthesametimeinordertoensurethehighfidelityamplifierandreducingtheSNRinstalleda4potentiometer.

Asthefundamentalequipmentintheacousticsystem,theintegratedcircuithi-fiamplifiersdesignchangedthetraditionaldesignandcontrolmode,tobetteradapttotheelectronictechnology,themodernizationofindustrialproductionanddevelopmenttrendofsociallife.

Keywords:

hi-fiamplifiers;operationalamplifier;poweramplifier;parametercalculation

第1章绪论

模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。

它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。

随着社会的发展，人们对精神享受更加渴望，其中就包括音乐，音乐是人们抒发感情、表现感情、寄托感情的艺术，内涵着关联人们千丝万缕情感的因素。

音乐是对人类感情的直接模拟和升华。

为了满足人们的需求音响设备应运而生。

在各种音响设备中，全集成电路高保真扩音机由于工作可靠，外围电路结构简单，容易调试，内部设有各种保护设施，不易损坏的特点，不断地被从事电子技术工程人员和无线电爱好者认可和接受。

另外，由于体积小，价格便宜，在学校、公司、技术企业，以及工厂，它都发挥了其他任何东西不可替代的作用。

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。

按功能不同，可以前置放大器（又称前级）、功率放大器（又称后级）与合并式放大器。

前置放大器是扩音机之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。

前置放大器也称为前级。

将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器，我们家中常见的扩音机一般都是合并式的。

本次设计高保真扩音机，设计方面多，考虑问题多，需要综合分析扩音机的输入灵敏度、谐波失真、信号噪声比（信噪比）、增益，互调失真、瞬态失真、左、右声道串音衰减、左、右声道不平衡度等。

第2章全集成电路高保真扩音机设计方案论证

2.1全集成电路高保真扩音机的应用意义

随着科学技术的不断发展,各种专用集成电路大量涌现。

在电子技术领域里，集成电路大有取代分立元件的趋势。

在各种音响设备中，全集成电路高保真扩音机由于工作可靠，外围电路结构简单，容易调试，内部设有各种保护设施，不易损坏的特点，不断地被从事电子技术工程人员和无线电爱好者认可和接受。

另外，由于体积小，价格便宜，在学校、公司、技术企业，以及工厂，它都发挥了其他任何东西不可替代的作用。

2.2全集成电路高保真扩音机设计的要求、技术指标及性能指标

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对所设计的方案进行分析，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

技术指标：

采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。

额定输出功率

。

负载阻抗

。

频率响应20—20KHz

性能指标：

1.输出功率

  输出功率是扩音机最根本的指标。

输出功率又有额定输出功率、最大不失真输出功率、使用功率和音乐功率之分。

（1）额定输出功率（RMS）是指扩音机能连续正常输出的功率，一般扩音机上标注的功率为额定输出功率。

使用扩音机时，一般不允许输出功率超过额定功率。

（2）最大不失真输出功率（PM）是指在不过载或谐波失真不超出某规定数值的情况下，扩音机能输出的最大功率，它是衡量扩音机最大输出能力的指标。

并不是正常使用的功率。

扩音机工作时，由于语言和音乐节目是一些振幅变化很大的非正弦信号，瞬间超过额定功率是常常发生的。

扩音机如果没有一定的功率容量，就容易发生过载。

扩音机的最大输出功率一般应达额定功率的1.2～2倍。

实际测量时，往往输入100赫兹的正弦波，在输入端用示波器测出最大不失真的正弦信号电压，在进行功率的换算，即PM=（输出电压）2/负载阻抗。

  （3）使用功率是指扩音机和扬声器都在低失真状态下工作的平均使用功率。

以欣赏音乐为主的扩音机，使用功率时常只使用到最大输出功率的十分之一左右。

比如，在一般家庭中，欣赏音乐只需3W左右就足够，但时常选用最大输出功率为几十瓦甚至上百瓦的高保真扩音机，原因就在于此。

（4）音乐功率是指扩音机的瞬间最大输出能力,分为音乐功率（MPO）和音乐峰值功率（PMPO），这时放大器已经达到饱和。

一般音乐功率是额定功率的4倍左右，而另一指标音乐峰值功率则为额定功率的8～10倍。

  2．频率特性

  频率特性又叫频率响应。

它表示扩音机的增益与信号频率的关系，是扩音机的一项重要指标。

频率特性是用扩音机的高、低频的实际增益与中频增益相比较用分贝数来表示其均匀程度。

由于实际声音的频率有高有低（低的只有几十赫兹，高的可达几千赫兹，其泛音甚至可达两万赫兹），各种语言和音乐信号也不是单一频率的正弦信号，而是一种由许多不同频率的正弦信号，因此，要求扩音机对这些不同频率的电信号要能做大小相同的放大，才能保证复杂信号经过放大器后，不致出现失真。

理想的扩音机，其频率特性应从几赫兹到几千赫都是均匀的。

  3．输入灵敏度

  扩音机输出额定功率时所需要的输入信号电压叫做输入灵敏度。

如灵敏度低，则正常输入信号时，扩音机就达不到额定功率输出。

一般扩音机要求话筒插口灵敏度为3mV左右，拾音器插口灵敏度为100mV左右。

  4．谐波失真

  谐波失真是非线性失真的一种它是由放大器放大信号时的非线性引起的。

一个正弦波信号经放大器放大后，由于电子器件的非线性，输出信号的波形也会或多或少地产生畸变，即总有一点失真。

失真的后果是产生了新的谐波分量，使重放出来的声音失去原来的音色。

一个放大器，其元器件选得好、电路设计得当，非线性失真就很小。

  普及型扩音机的失真度在5～10%，高保真的扩音机则可在较宽的频率范围（如40～1600Hz）做到小于1%。

5.信号噪声比（信噪比）

  任何一个放大器都会产生噪声，只是大小不同而已。

当把一个输入信号加给放大器输入端时，输出端信号中即混有噪声信号。

我们把输出信号电压与输出的噪声电压之比叫信号噪声比，简称信噪比，用S/N表示，习惯上常用分贝（dB）表示。

扩音机的信噪比越大，表明混在信号里的噪声越小，放音质量越高。

计算公式为：

S/N=20lg（Uo/Un）dB

式中Uo——扩音机额定输出电压

Un——在额定条件下扩音机输出的噪声信号

6.增益

又称放大倍数，是衡量扩音机放大能力的指标，其值的大小等于扩音机的输出量/输入量，也用分贝表示，各种增益的表达式见下表：

表1.1扩音机增益的表达式

名称

一般表达式

对数表达式

名称

一般表达式

对数表达式

电压增益

Av=U2/U1

Av=20lg（U2/U1）

功率增益

Ap=P2/P1

Ap=20lg（P2/P1）

电流增益

Ai=I1/I2

Ai=20lg（I2/I1）

7.互调失真

当两个以上的信号输入扩音机时，由于扩音机的非线性，使得两个信号的频率互相调制而产生多余的和频与差频以及各次谐波互相调制产生的和频与差频，这种现象称为互调失真。

高保真音响系统要求互调失真应小于0.4%。

8.瞬态失真

瞬态失真是检验扩音机对脉冲信号的跟随能力的指标，一般将方波信号输入被测扩音机，用示波器观察其重放方波的畸变。

当瞬态响应不好时，其输出波形的前沿回变缓或上冲，后沿有拖尾。

为改善扩音机的瞬态响应，一般把放音频带的高频响应展宽到超音频段，如30～50kHz。

9.瞬态互调失真

瞬态互调失真是指扩音机输入信号时，由于放大器的想移，输出端便不能立刻得到应有的输出电压，使输入级也不能及时得到应有的负反馈电压。

扩音机在这一瞬间处于开环状态，输入级出现瞬时过载，过载瞬时输入电压会比正常值大几十倍，从而出现互调产物。

10.相位失真

主要由线性电抗元件对不同频率的信号有不用的响应，使信号产生相位的偏移。

11.动态范围

动态范围也是一个重要指标。

指信号中可能出现的最高电压与最低电压之比。

扩音机的动态范围必须大于节目的动态范围，才满足高保真声音的重放。

12.左、右声道串音衰减

又称左、右声道分离度，指立体声中左右声道信号相互串扰的程度。

若串扰量大，表明重放音乐的立体感将变差。

13.左、右声道不平衡度

指立体声中左右声道增益的不一致性，若不平衡度过大，重放的立体声像位置将产生偏移现象。

2.3设计方案论证

全集成电路高保真扩音机由前置放大、音调和音量控制、功率放大及电源电路四部分组成。

由于采用集成电路，电路简单。

在电源电路中，整流电路采用双绕组双电源电路，并采用高频特性好的小电容C20、C21，这样可以使电源的高频特性更好；在前置放大及音调电路中，采用双电源供电的运放TL084，TL084的电源经R23、C18、R24、C19等构成的RC电路滤波，这样使电源的波纹更小，这样可以降低噪声。

音调电路为反馈式音调电路。

电路的基本组成为反相放大器，其反馈网络有两个：

一个是W1、R4、R5、C2、C3构成的低音频段反馈量调整网络；另一个是由W2、R6、C4构成的高音频段反馈量调整网络。

根据运放的虚短理论，可以把两个网络看成是独立作用，互不干扰。

通过这两种网络，可实现对高、低音频段增益的调整。

音调电路输出，通过音量电位器W3分压调节。

调节W2可以改变分压输出的信号电压，从而可以改变音量的大小。

调节平衡电位器W4可以改变左右声道的附加衰减，从而调节左右声道信号的相对大小。

平衡电位器可以使立体声的声像基本位于在前方的中间范围。

在功率放大电路中，为防止移位产生高频自激；防止输出端的电感性负载（喇叭本身在某些频段呈感性）产生的冲激电压击穿TDA2030A内的功放输出管，在输出端设置了由R10和C8构成的RC网络。

在各级电路中，又设计了负反馈电路，保证信号稳定输出。

同时，为运算放大器和功率放大器提供了合适的直流偏置电路，保证其能正常工作。

2.4总体设计方案框图及分析

图2.1扩音机整机电路框图

电路分析说明

整机电路：

整机采用双电源供电。

输入的交流220V、50Hz电源经变压器T1降压和隔离后，输出双12V的电源。

整流电路为典型的双绕组双电源电路。

对于每一组电源（+15V电源或-15V电源），都是全波整流电路。

C16、C17为滤波电容。

TL084是采用双电源供电的运放，用于前置放大及音调电路。

TL084的电源经R23、C18、R24、C19等构成的RC电路滤波，这样使电源的波纹更小。

这样可以降低噪声。

小电容C20、C21的高频特性好，这样可以使电源的高频特性更好。

信号流程：

本机电路的左右声道的电路完全相同，这里以L声道为例进行分析。

从插座输入的信号经C1隔直后，经前置放大、音调电路后，输出至音量电位器。

经平衡电位器后，由隔直电容耦合进入IC2构成的双电源功率放大电路。

功放输出经喇叭输出接座输出至喇叭。

功放输出同时通过发光二极管指示输出电压的大小。

根据信号流程，利用信号注入法可以方便的判定故障的范围。

第3章全集成电路高保真扩音机各单元电路设计

3.1前置放大电路设计

图3.1前置放大电路设计

前置电路由IC1A及外围元件构成。

C1为隔直电容。

IC1A构成典型的同相放大器。

R2、R3构成电压串联负反馈网络，保证在本级中稳定输出交流信号并决定放大器的放大倍数。

本级放大倍数为（R2+R3）/R2=11。

R1为运算放大器同相输入端的直流偏置回路。

3.2音调和音量控制电路设计

前置的输出直接耦合至音调电路。

音调电路为反馈式音调电路。

电路的基本组成为反相放大器，其反馈网络有两个：

一个是W1、R4、R5、C2、C3构成的低音频段反馈量调整网络；另一个是由W2、R6、C4构成的高音频段反馈量调整网络。

根据运放的虚短理论，可以把两个网络看成是独立作用，互不干扰。

W2及外围元件构成的反馈网络，由于中心端与两端有C2、C3旁路中高频段信号，因而只改变低频信号的反馈量。

所以，当W2移动时，中、高频段的反馈量不变，放大器放大倍数均为1；而低频段的反馈量改变；当中心点最靠近R4时，放大器放大倍数为：

（RW1+R5）/R4（RW1为W1的电阻值）；而当靠近R5时，其反馈倍数为R5/（R4+RW1）。

W2及C4、C6构成的网络，由于电容C4的作用，调节W2时只影响高音段的反馈量，因而调W2可调高音段的增益（单元电路图如下所示）.

图3.1音调和音量控制电路设计

3.3功率放大器及扬声器电路设计

音调电路输出，通过音量电位器W3分压调节。

调节W2可以改变分压输出的信号电压，从而可以改变音量的大小。

W4为平衡电位器。

调节W4可以改变左右声道的附加衰减，从而调节左右声道信号的相对大小。

平衡电位器可以使立体声的声像基本位于在前方的中间范围。

C5为隔直电容。

IC2TDA2030A可看作为双电源功率运算放大器。

本电路接成同相放大器。

反馈网络由R8、R9、C6构成。

C6为隔直电容。

对于同相输入的直流信号，相当于构成跟随。

直流放大倍数为1，因此输出的直流工作点相当稳定。

对于交流信号，C6相当于短路，由此可见，本级的电压增益为：

（R8+R9）/R9。

R7为IC2同相输入端的直流偏置电阻。

输出端的R10和C8构成的RC网络有如下作用：

（A）、移位防止高频自激；

（B）、防止输出端的电感性负载（喇叭本身在某些频段呈感性）产生的冲激电压击穿TDA2030A内的功放输出管。

电源端电容C22、C23是用于滤除高频，有利于改善功率放大的高频响应。

图3.3功率放大器及扬声器电路设计

3.4电源电路设计

输入的交流220V、50Hz电源经变压器T1降压和隔离后，输出双12V的电源。

整流电路为典型的双绕组双电源电路。

对于每一组电源（+15V电源或-15V电源），都是全波整流电路。

C16、C17为滤波电容。

如图2.4所示。

图3.4电源电路设计

第4章全集成电路高保真扩音机整体电路设计

4.1整体电路图及工作原理

整体电路图详见图3.1所示。

工作原理：

输入信号先经C1隔直后，再经前置放大，将输入信号放大，放大后的信号进入音调电路，对高低音段进行调节。

输出至音量电位器。

经平衡电位器后，由隔直电容耦合进入IC2构成的双电源功率放大电路。

功放输出经喇叭输出接座输出至喇叭。

功放输出同时通过发光二极管指示输出电压的大小。

4.2电路参数计算

1）整机频率响应的测试

测量系统连接好。

低频信号发生器产生正弦波，电压表V1用于监测输入信号的电平。

电压表V2用于测量输出信号的大小，示波器用于监测输出信号的波形，RL为额定负载。

开始测量时，先将扩音机的音调电位器置于中心位置。

首先输入1KHz的正弦波，输入大小一般为额定输入小10dB。

调整音量电位器，使输出电压为额定输出电压低10dB。

读出V2的分贝数。

改变信号发生器的输出频率，同时用V1监测输出电平，保证输出电平不变。

把测量的输出分贝大小及换算后的相对分贝大小（将1KHz信号的大小为0dB，其它频率信号的大小与1KHz信号的大小的差值为其它信号的相对分贝大小）记录如下表。

表3.1整机频率响应的测试

信号频率

20Hz

100Hz

200Hz

1000Hz

6000Hz

10000Hz

20000Hz

输出分贝

相对分贝

0dB

根据计算出的相对分贝数，分析频率分布是否均匀。

如果均匀，说明设计的扩音机符合要求。

2）最大输出功率的测试

如图接线。

音量电位器适中，调节输入信号幅度，直至示波器的输出波形刚刚出现畸变为止。

再将输入信号降低1dB，读出V2的电压Vmax。

用下列公式可算出最大输出功率Pmax。

计算公式为：

Pmax=（Vmax）2/RL=（12）2/8=18W；

3）电压增益的计算

各级增益的计算：

前置放大级：

（R2+R3）/R2=（82k+10k）/82k=1.12；

音调和音量控制级：

（RW1+R5）/R4（RW1为W1的电阻值）=（50k+10k）/10k=6；

功率放大级：

（R8+R9）/R9=（22k+22k）/22k=2；

总的增益为各级增益之积。

A总=1.12+6+2=9.12；

4.3整机电路性能分析

前面已经提及，本次设计的全集成电路高保真扩音机主要由前置放大电路、音调控制电路、控制电路、功率放大电路、扬声器电路和电源电路四部分构成。

扩音机工作时，输入选择电路主要对收音调谐器、录音座、CD唱机和AV辅助输入等信号源的信号进行选择切换控制，得出所需的信号输入，输入后的信号经均衡放大电路进行频率特性的校正和放大，使输入信号的频率特性变得较为平坦，同时使各种信号源输入的信号电平基本趋于一致，避免了在转换不同的信号源时声音响度出现较大的变化。

音量控制的目的主要是在音量较小时提升高、低频信号成分，以补偿人耳听觉的不足，在低响度时得到较丰满的声音信号。

而音调控制电路主要是根据个人的喜好，调节电路的频率特性，适当提升或降低声音中的高低频成分，以满足听者的需求。

经前置放大器放大处理后的信号被送入功率放大器进行功率放大，以推动扬声器重放出声音。

在功率放大器中加入保护电路是为了保护扬声器免受电路冲击电流的干扰或在电路出现故障时烧毁扬声器，电源电路的设置是为集成运放电路元件提供合适的电压。

图4.1整机电路图

第5章设计总结

课程设计使我对电子技术基础这门学科有了进一步的了解和认识。

以前我只是注重理论知识的积累，往往忽略了它的实践意义。

在这次的课程设计过程中，我不仅温习了书本上的理论与知识，而且学会了如何把理论与实践相互结合。

知识与实践的相互转换。

课程设计完成之时，我反复思考并重新审视自己的设计，同时也和做同样设计的一个同学交流了一下。

在彼此的交流中，我又有了一些新的认识。

一开始进行设计的时候，由于我自身的知识储备不足，基本上都是参照相关资料进行。

这样，一方面可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。

另一方面，自己设计的时候，可以在原有基础上完全按照自己的思路独立进行，而且在解决遇到的问题时会引发自己的思考，虽说不上创新，但可能会有新的创意产生。

在这方面我自感做的不是很好，这就要求自己在今后的学习中要不断的扩充知识，同时还要加强自身探索能力的培养。

这一点，我想同样适用于其它各门功课。

如果没有探索性研究，我们就只会拘泥于现有的形式，永远不会推动科技的发展。

科学技术是第一生产力。

在设计过程