音响功率放大器.docx
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音响功率放大器
1设计任务与要求·························································1
1.1音响放大器的组成····················································1
1.2综合设计任务························································1
1.3设计音响放大器的要求················································1
2方案设计与论证························································2
2.1音响放大器各级增益的分配···········································2
2.2音响放大电路输入输出的阻抗匹配·····································2
3单元设计与参数计算·····················································3
3.1话筒信号放大电路···················································3
3.2音调控制电路·······················································4
3.3功率放大电路设计···················································10
4元件清单及总原理图·····················································11
4.1音响放大器的元器件列表·············································12
4.2音响放大器的总原理图···············································13
5安装与调试·····························································14
5.1电路布局与接线规则·················································14
5.2音响电路的安装·····················································14
5.3音响电路的调试·····················································15
6性能测试与分析·························································16
6.1音响放大器的主要参数测试···········································16
6.2音调电路性能及音调控制特性的测量···································16
7结论与心得·····························································18
参考文献································································19
一、设计任务与要求
1.1音响放大器的组成
音响放大器包括:
音频信号放大器,音调混响控制器,功率放大三个组成部分。
图1.1
1.2综合设计任务
用给定元器件设计一个能对外接收高阻话筒信号、能进行音调控制调节、能对外接8Ω扬声器输出功率达1W的音响放大器。
1.3设计音响放大器性能要求
1)输出功率:
POM≥1W扬声器阻抗ZL=8Ω采用单电源电压VCC=15V。
2)输入阻抗Ri>20kΩ
二、方案设计与论证
2.1音响放大器各级增益的分配
根据设计实验要求,音响放大整机电路可分为话放与混放级、音调控制级与功放级。
根据各级的功能及性能指标要求分配电压增益如下两种方案:
图2.1
音响放大电路增益分配方案1的特点是:
各级增益大体均分,话放级增益5dB较小,主要任务解决输入信号的阻抗匹配。
音调控制级主要任务是音调调节,虽然在电位器居中时增益为零,但在增益衰减调节时为-20dB;在增益提升调节时为20dB。
由于普通运放的上限频率较低,增益较高则上限频率更低,因此采用运放驱动大功率管电路可采用此增益分配。
图2.2
音响放大电路增益分配方案2的特点是:
功放级电压增益较大,比较适用于集成功放电路及采用三极管驱动大功率管的功放电路。
2.2音响放大电路输入输出的阻抗匹配
高阻话筒的输出电阻较高,为了使电路的输入阻抗匹配,话放电路宜采用阻抗较高同相输入电路。
因为音响的负载是8Ω的扬声器,在采用单电源时电源在12—15V,要求电路的输出电阻足够小,使音响能输出要求的功率。
三、单元电路设计与参数计算
音响设计参考单元电路分析
音响放大电路设计主要包含:
电话筒信号放大与混放电路、音调控制、功放电路路三大部分。
3.1话筒信号放大电路
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,而输出阻抗达到20kΩ,所以话音放大器的作用是不失真地放大声电信号。
其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗,可采用输入阻抗较大的同相放大器。
图3.1
Avf=1+Rf/R2Ri=R1(R1一般取几十千欧。
)
耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定,一般取
C1=C3=(3~10)/(2πRLfL)
反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。
本设计中采用LM324四集成运算放大电路。
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
管脚连接图如下图
图3.2
3.2音调控制电路
音响放大器的主要特性体现在音调控制电路上,这也是其与通用放大器的区别。
音调控制主要是控制预调音响放大器的幅频特性。
调控制器的电路图如图3所示。
运算放大器选用单电源供电的四运放LM324,其中RP33称为音量控制电位器,其滑臂在最上端时,音响放大器输出最大功率。
图3.3,音调控制曲线图3.4,音调控制
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,控制曲线如图3.3中折线所示。
图中,f0=1kHZ——中音频率,要求增益Av0==0dB;
fL1——低半频转折频率,一般为几十赫兹;
fL2=10fL1——中音频转折频率;
fH1——中音频率转折频率;
fH2=10fH1——高音频转折频率,一般为几十千赫兹。
由图可见,音调控制器只对低音频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与高通滤波器共同组成。
常见电路有专用集成电路,如五段音调均衡器LA3600,外接发光二级管频段显示器后,可以看见各个频段的增益提升与衰减变化。
在高中档收录机、汽车音响等设备中广泛采用集成电路音调控制器。
也有用运算放大器构成的音调控制器,如图3.4所示。
这种电路调节方便,元器件较少,在一般收录机、音响放大器中应用较多。
下面分析该电路的工作原理。
设电容C1=C2>>C3,在中、低音频区,C3可视为开路,在中、高音频区,C1、C2可视为短路。
(a)低频提升(a)低频衰减
图3.5,音调控制器的低频等效电路
①当f 分析表明,图(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器,其传输函数的表达式为 À(jw)= =- (2) 式中, 1=1/RP1C2或fL1=1/2 RP1C2(3) 2(RP1+R2)/RP1R2C2或fL2=(RP1+R2)/2 RP1R2C2(4) f AvL=(RP1+R2)/R1(5) f=fL1时,因为fL2=10fL1,由式 (2)得 ÀV1=- 模AV1=(RP1+R2)/ R1=AvL/ (6) 此时,电压增益ÀV1相对于AvL下降了3dB。 f=fL2时,由式 (2)得 ÀV2=- 模ÀV2= =0.14AvL(7) 此时电压增益相对AvL下降17dB。 fL1 同理可以得出图(b)所示电路的相应表达式,其增益相对于中步为衰减量。 音调控制器低频时的幅频持性如图3.3中左半部分的虚线所示。 图3.6,音调控制器的高频等效电路图3.7,图3.6的等效电路 ②f>f0时,音调控制器的高频等效电路如图3.6所示,由于此时C1、C2视为短路,R4与R1、R2组成星形连接,将其转换成三角形连接后的电路如图9所示,电阻的关系式为 Ra=R1+R4+(R1R4/R2) Rb=R4+R2+(R4R2/R1)(8) Rc=R2+R1+(R2R1/R4) 若取R1=R2=R4,则式(8)为 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4(9) 图3.7的高频等到效电路如图3.8所示,其中(a)为RP2的滑臂在最左端时,对应于高频提升最大的情况,(b)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(a)所示电路为一阶有源高通滤波器,其传输函数的表达式为 À(j )= =- (10) (a)高频提升(b)高频衰减 图3.8,图3.7的高频等效电路 式中, 3=1/(Ra+R3)C3或fH1=1/2 (Ra+R3)C3(11) 4=1/R3C3或fH2=1/2 R3C3(12) 与分析低频的方法相同,得到下列关系式: f f=fH1时,Av3= Avo=1.4(2.9dB)(13)f=fH2时,Av4= Avo=7.1(17dB)(14) f>fH2时,C3视为短路,此时电压增益为 AvH=(Ra+R3)/R3(15) fH1 音调控制器高频时的幅频持性如图3.3中右半部分的虚线所示。 实际应用中,通常是给出低频区fLx和高频区fHx处的提升量或衰减量x(dB),再根据下式求出转折频率fL2(fL1)和fH1(fH2),即 fL2=fLx·2x/6(16) fH1=fHx/2x/6(17) 由式(16)与(17)得到转折频率fL2=fLx·2x/6=400HZ, 则fL1=fL2/10=40Hz, fH1=fHx/2x/6=2.5khz,则fH2=10fH1=25kHz 由式(5)AvL=(RP1+R2)/R1≥20db, 现取RP31=470KΩ,R31=R32=470KΩ,则 AvL=(RP31+R32)/R31=11(20.8dB) 由式(3)得fL1=1/2 RP31C32 则 C32=1/(2 RP31fL1)=0.008µF,取标称值0.01µF,即C31=C32=0.01µF。 由式(9)得Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 则R1=R2=R4=47kΩRa=3R4=141kΩ 由式(12)得AVH=(Ra+R3)/R3≥20db 则R33=Ra/10=14.1kΩ取标称值13kΩ 由式(12)得fH2=1/2 R3C3 则C33=1/(2 R33fH2)=490pF取标称值510pF 取RP32=RP31=470kΩ,RP33=10KΩ,级间耦合与隔直电容C34=C35=10µF。 本设计中也采用用集成运算放大电路LM324 图3.9 3.3功率放大电路设计 功率放大器(简称功放)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。 本设计采用LM386集成共功率放大电路,LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机之中。 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。 输入端以地位参考,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。 LM的管外形及顶视图如下图所示 图3.10 图3.11 四、总原理图及元器件清单 4.1音响放大器元器件列表 音响放大器元器件列表 序号 名称 型号 数量 序号 名称 型号 数量 1 集成运放 LM324 1片 5 电位器 470K 2支 20K 1支 2 集成功放 LM386 1块 10K 3支 3 大功率电阻 10Ω/2W 1支 6 电解电容 470u/50V 2支 4 电阻/0.25W 100K 1支 20uF 2支 68K 1支 10uF 6支 47K 3支 7 瓷片电容 0.01uF 2支 39K 2支 510pF 1支 13K 1支 0.1uF 1支 10K 7支 8 话筒 1支 1K 1支 9 话筒插孔 1支 10 1支 10 喇叭 8/0.5W 1支 五、安装与调试 5.1电路布局与接线规则 在面包电路实验板上安装电路时,首先应熟悉其结构。 确认哪些孔眼是连通的,防止发生短路的事件。 ①电路布局时应安排好中心元器件(例如: 集成块大功率管)的位置,分单元电路安装,可调元件应放置在合适的位置以方便调节。 电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理,便于操作。 ②要充分利用面包板内部的连线,尽量减少不必要的接线。 要合理利用导线的不同颜色区分连线的功能。 例如: 红色线接电源正极、黑色线接地、绿色线接电路的直流回路线、黄色线接交流回路线、蓝色线接负电源负极等。 这样检查电路时就清晰明了。 5.2音响电路的安装 电路安装前,要先检测电阻、电容的大小,根据设计的电路,正确连接元器件。 电路安装完成后,要用万用表检测电源极性连接是否正确,元器件之间的连接是否可靠。 根据设计要求调节电压源的电压至规定值,一切正常后才能给待测电路通电调试。 实验调试过程中,最好采用按功能模块分别调试的分块调试方法,首先调试正弦波振荡电路是否产生符合要求的正弦波,然后在正弦波信号的作用下调试方波变换电路,检查是否产生符合要求的矩形波,最后调试三角波变换电路,检查波形幅度是否达到设计要求。 5.3音响电路的调试 ①调试前先对电路作直观检查。 ②静态调试: 静态调试时输入端接地,用万用表输出端对地直流电压,音响的话放、混放及音调电路均采用单电源运放,其静态输入输出端直流电压均为Vo=VCC/2。 单电源的OTL功放的输出端也为Vo=VCC/2。 运放驱动复合管功放电路静态直流电流应该很小,IO为几毫安。 如果电流过大,应先检查三极管管脚是否接错? 其次检查二极管是否接烦? 最后检查复合管的基极偏置电位器是否调得过大? ③动态检查: 在输入端接入规定的信号,用示波器观测各级输出电压大小及波形。 如果实测值与要求值相差过大,则应检查电路连接是否正确,检查元件参数是否满足要求。 ④怎样消除电路级联后可能产生的自激: 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0.1F小电容相并联。 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现象;电感性扬声器也容易引起自激,通常可以采用接入RC电路均可消除自激。 六、性能测试与分析 音响的额定功率: 音响放大器输出失真度小于某定值时的最大功率: Pom=VO2/RL 频率响应: 放大器的电压增益相对中频(1kHz)的电压增益下降3dB时(uo’=0.707uo),对应的高音频/低音频频率(fh/fL).记录频率特性测量数据,作出频率特性曲线。 输入阻抗: 分别测量话放级输入阻抗与MP3输入阻抗。 输入灵敏度: 音响放大器输出额定功率时的输入电压有效值,测量方法可参考测量额定功率PO时,测量输入信号电压的方法。 噪声电压: 在输入电压ui=0且输入端接地时,用毫伏表或示波器采用交流耦合方式测量输出电压uo值。 整机效率: 指音响输出额定功率Po比输入电源功率Pc, 即: η=(Po/Pc)% 其中Po: 输出额定功率;Pc: 输出额定功率时的输入电源功率。 6.1音响放大器的主要参数测试 ①话放电路与混放电路的测试: 先将前置放大电路的输入端接地,测量电路的静态电压电流,然后将信号源输出的频率f=1KHz电压uopp=50mv正弦信号接入输入端,测量前置放大电路的电压增益。 填入表-1中。 表-1前置放大电路测试表 Vcc 静态值 动态测试 Vo/V Io/mA ui uo Au 12 5.98 0.01 50mv 38.9mv 7.8 ②集成功率放大电路的测试 输出电压Vo=Vcc/2=6v效率η=(Po/Pc)%=53.6% 6.2音调电路性能及音调控制特性的测量: 音调控制特性及其测量方法: 1)输入信号ui(=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入,输出信号u0从输出端的耦合电容引出。 先测1kHz处的电压增益Au0,(设定指标为Au0=0dB)。 再分别测低频特性和高频特性。 2)测量低频音调特性: 将高音电位器居中,将低电位器RP1滑臂分别置于最左端和最右端,改变信号频率从20Hz至1kHz记下对应的电压增益。 七、结论与心得 两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识,也培养了我如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。 在设计过程中,与同学分工设计,和同学们相互探讨,相互学习,相互监督。 学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,着是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础. 参考文献 [1]童诗白华成英.模拟电子技术基础[M](第四版),北京: 高等教育出版社。 [2][英]DouglasSdlf.音频功率放大器设计手册[M](第四版),北京: 人民邮电出版社。
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