音响放大器综合设计实验.docx
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音响放大器综合设计实验.docx
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音响放大器综合设计实验
音响放大器综合设计实验
龙从玉编写
一、实验目的
1.掌握运用电路仿真软件进行模拟电路辅助设计的方法;
2.掌握用运放与功率管设计音频功率放大电路的方法;
3.掌握典型音频功率放大电路的安装、调试与参数测试的方法。
4.学习音调控制电路的设计、调试与测试方法。
5.尝试混响延时电路设计与调试。
二、实验说明
1.该设计实验采用电路设计软件仿真、单元电路安装调试和音响总装调试与性能参数测试分三步进行,以提高学生的综合设计与实践动手能力。
2.音响放大电路设计前应复习相关理论知识并了解相关实验测试技术;
1)话筒信号放大(前置放大电路)的设计与测试部分:
通用运放的基本应用与话筒信号的输入阻抗匹配;
学习专用仪表运放在小信号前置放大电路的应用。
2)功率放大器的设计部分在两中实用设计方案可选(重点)
①采用通用运放驱动功率管的功率放大器的设计、调试与测试;
②采用运放驱动集成功放电路的功率放大器设计、调试与测试。
3)音调控制电路的设计、调试与性能测试部分(选作部分)
音响音调控制电路的设计与计算测试方法;
音响音调控制电路的测试方法。
4)音响放大电路综合设计实验(扩展内容):
数字混响延时电路的应用。
1.音响放大器综合设计实验安排:
第一阶段:
音响放大电路设计与软件仿真。
相关电路理论复习、音响放大电路设计方案选择及音响放大电路的电路理论设计在课外完成。
设计音响放大电路的Proteus仿真调试与测试,必须有相关的电路图及数据图表。
时间为4学时。
第二阶段:
分单元电路进行调试与测试并验收。
话筒信号放大电路与混放电路、功放电路为基本要求。
音调控制电路与专用前置放大电路设计与测试为选作部分。
一般在课前要接好电路板,在实验课堂做调试测试,实验时间为8学时。
第三阶段:
音响放大电路的总装调试与性能参数测试并验收。
对通过测试的单元电路进行总装、调试与测试,实验验证设计的电路,记录测量结果。
该阶段任务要求在课内完成,时间为4学时。
课外完成规范的设计实验报告。
音响放大器综合设计实验
一、综合设计任务与要求
1.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。
2.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
*3)音响频率响应:
fL=40Hz、fH=15KHz。
*4)音调控制特性:
1KHz:
Au=0dB;
40Hz与15KHz:
AuL=AuH≈±20dB.
说明:
带(*)的指标要求为选作内容。
二、可供实验元器件
音响放大电路设计实验供应元器件如表-1
表-1音响电路实验可供(可选)元器件列表
序号
名称
型号
数量
序号
名称
型号
数量
可供元件清单
可供元件清单
1
运算
放大器
UA741
4片
8
电解电容
470u/50V
2支
或LM324
1片
10uF
8支
2
大功率管
TIP41
1支
1uF
2支
TIP42
1支
9
瓷片电容
0.022uF
2支
3
三极管
9012
1支
2200P
2支
9013
1支
0.1uF
1支
4
二极管
1N4007
2支
*(可选)元器件清单
5
电位器
100K
2支
10
集成功放
TDA2003
1块
10K
2支
或LM380
1块
1K
1支
11
仪表运放
AD623
1块
6
大电阻
10Ω/2W
1支
12
电阻
略
若干
7
电阻
100K
2支
13
电容
略
若干
51K
1支
音响放大电路测试元器件
20K
4支
14
话筒
1支
10K
12支
21
MP3
1支
2K
2支
22
扬声器
1W/8Ω
1支
音响放大电路设计实验供应元器件的分类说明:
①必做实验部分可供元器件:
通用集成运算放大器、三极管、大功率管、二极管、电位器、常用电阻和电容。
②选作实验部分选供元器件;音响集成功放模块、仪表专用集成运算放大器等。
选供元器件必须将设计电路与选供元件清单,交指导老师审查签字方可领取。
③音响测试元器件为调试与测试公用器件,以实验教室为单位配置。
三、综合设计实验流程与电路设计参考方案
1.一般电路实验综合设计流程如图-1:
图-1音响电路设计实验流程图
2.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:
音响放大电路增益分配方案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。
音响放大电路增益分配方案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。
3.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。
同理,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。
四、音响设计参考单元电路分析
音响放大电路设计主要包含:
功放电路、话筒信号放大与混放电路、音调控制电路三大部分。
设计实验重点是功放电路部分。
虽然现在有性能极好的音响集成功放电路模块,但是设计采用普通运放驱动大功率管的功放电路
1.采用通用运放前置放大电路
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,而输出阻抗达到20kΩ(亦有低输出阻抗的话筒如20Ω,200Ω等),所以话音放大器的作用是不失真地放大声电信号(最高频率达到20kHz)。
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。
一般输入电路采用同相输入,在实际应用中的自激噪声较大。
可在此运放的输出端与反向输入端间接入一个0.01uF的电容来消除自激。
±±
图-2采用通用运放741的话放与混放电路图
音响放大电路采用单电源比双电源电路要简单,运放的单电源接法只不过是将输入输出电压的参考点由双电源的接地的零电位,改变为单电源电压VCC的1/2而已。
事实上不仅LM324可采用单电源,UA741同样可采用单电源接法,图-3就是图-2运放741的话放与混放都采用单电源供电的电路图。
图-3用单电源供电的通用运放741前置放大电路图
2.采用专用集成运放的话放电路*(可供选做)
典型的仪表集成运放AD632用双电源电压:
±2.5---±5V,一般用单电源电压可取10V,但其双电源性能也好,电路增益设置简单,用仅用一个电阻就可设置电路增益值,在输出端负载电阻应大于10K时,输出稳定,作话筒信号放大性能良好。
图-4是采用双电源的低阻话筒信号放大电路。
图-4用AD623的话音放大电路图
AD623采用单电源供电时,要特别注意调偏置电压,,信号输入可采用桥式电路,信号输出最好采用电容耦合输出。
3.采用运放驱动大功率管的OTL功放电路
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。
功放的常见形式OTL功放电路、OCL功放电路、BTL平衡桥式功放电路,还有立体声功放电路。
采用单电源的运放驱动功率管的功放电路如图-5。
其中,运放为驱动级,晶体管Q1-Q4组成复合式晶体管互补对称电路。
图-5单电源供电运放驱动功率管的OTL电路
1)功放电路的工作原理
三极管Q1、Q3为同类型的NPN管,复合管则仍为NPN管,Q2、Q4为同类型的PNP管,复合管则仍为PNP管。
(需要说明的是如果Q2或Q4的管型与Q1或Q3不同,则其所组成的复合管的导电极性由第一支三极管的类型决定)。
R4、R5及RW1及二极管D1、D2组成两对复合管的基极偏置电路,静态电流:
IO=(VCC-2VD)/(R4+R5+RW1).
VD为二极管的正向压降,为减小静态功耗并克服交越失真,静态时,Q1、Q2应工作在微导通状态,
电路的这种状态为甲乙(AB)类状态,选用二极管的材料类型注意要与三极管的类型一致(例如同为硅材料)RW2是微调电位器电阻不要太大。
满足下列关系:
VQ1B-VQ2B=VD1+VD2+VRW2。
R7、R8用于减少复合管的穿透电流,提高电路稳定性,一般取一百至几百欧姆。
R6、R9为平衡电阻,可使Q1、Q2的输出对称,一般取几十至几百欧姆。
(为了改善功放的性能,可在复合功率管的输出管脚支路上对称串联反馈电阻,负反馈电阻值一般取1欧姆至2欧姆)。
R10、C4为消振电路,有利于消除电感性扬声器易引起的高频自激,改善功放的高频特性。
C3=470uF输出耦合电容,功放的下限频率由此确定:
fL=1/(2π*ZL*C3)
2)功放驱动电路的设置与计算:
功放驱动运放主要完成电压放大任务,采用自举式同相交流电压放大器。
C1输入耦合电容,C2是自举电容,有隔直的作用。
RF与RPF组成反馈电路,与R1共同确定运算电路的比例系数,功放的电压增益为:
Au=1+(RF+RPF)/R1。
3)功放静态工作点的设置
功放电路参数完全对称,静态时功放的对称中点(输出端)的电压VO,在单电源供电时应为VCC的1/2,这就是交流零点。
Q1、Q2的基极电压,应分别大致为交流零点加加减二极管的正向压降VD。
由于采用单电源,运放U1的参考电压由R2、R3组成分压电路取自单电源。
(在双电源供电时,输出端对地电压VO=0)。
功放电路的静态电流由IO决定,IO过小会有交越失真,Io过大则会使功放的效率下降,一般可取IO=2mA—3mA。
4.采用集成功放的参考电路
典型的武端集成功放TDA200X系列,性能良好,功能齐全,外接元件少,并附有各种保护和消噪声电路。
典型TDA2003的单功放应用电路如图-6
图-6单集成功放TDA应用电路图
电路中的补偿支路中的电阻取RX=20R2,电容取CX=1/(2πR1fC)。
*当然,用两个集成功放TDA2003,可以接成BTL桥式功放电路。
5.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。
以下典型的音调控制电路如图-7为例来说明:
以fo=1khz为音响的中音频率,设其增益为0dB;
fL1低音转折频率(截止频率),其增益为±17dB;
fL2低音频区中音转折频率,其增益为±3dB;
fH1高音频区中音转折频率,其增益为±3dB;
fH2高音转折频率(截止频率),其增益为±17dB。
可见音调控制电路只对低音频与高音频的增益进行提升或衰减,因此,音调控制电路可由低通滤波器与高通滤波器组成。
典型音调控制电路如图-7:
图中RP1为低音控制电位器,其滑动端向左调向音调电路输入端为低音提升,向右调相向输出端为低音衰减。
RP2为高音控制电位器,其滑动端向左调向音调电路输入端为高音提升,向右调相向输出端为高音衰减。
高音、低音控制电位器RP1与RP2均置中端,则音调电路的增益为0dB(Au=1)。
音调控制电路由低通滤波器与高通滤波器构成。
在图-7的电路中,由于C1=C2=0.033uF>>C3=C4=3300pF,当f 图-7音调控制电路及音调控制特性曲线图 当低音音调电位器向左调向输入端时,为低音增益提升; 低音频率: fL=1/(2πRP1C1) 令C1=C2>>C3,在中低音频区f 因电容C3的阻抗XC3|f=20≈2.4M,XC3>>RP1,C3视为开路; 当RP1调向输入端C1,低频增益提升,AuL=(R1+RP1)/R1。 当低音音调电位器向右调向输出端时,为低音增益衰减,如图-8所示。 图-8低音音调控制等效电路图 同理,对于高音音调控制电路: 当f>fo,在中音、高音频区,将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所示电路,可视为作为高通滤波器。 f>fo,电容C1=C2的阻抗XC1|f=20K=240Ω,C1与C2可视为短路,等效电路简化为图-9(A)。 对电路作星角变换: Ra=R1+R3+R1*R3/R2=3R1、 Ra=Rb=Rc=3R1=30k,等效电路二次简化为图-9(B)。 图-9高音音调控制等效电路图 在取R3/R4=5时,当高音音调电位器向左调向输出端时,为高音增益提升,电路近似简化,如图-9(C)所示。 因为电容C3=C4在高音段的阻抗: XC3|f=20K=2400Ω 高音电位器调向输入端,增益提升: Au≈-[RA//(XC3+RW2)]/[RB//XC3]。 同理,当高音音调电位器向右调向输入端时,电路近似简化如图-9(D)所示。 高音增益为衰减。 Au≈-(RB//(XC4)/[RA//(XC3+RW2)]。 五、电路安装、调试与测试 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。 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。 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。 4.音响放大器的性能与参数测试 音响放大器的主要技术指标: a)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 b)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。 c)输入阻抗: 分别测量话放级输入阻抗与MP3输入阻抗。 d)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。 e)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。 f)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。 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 ②运放驱动的复合晶体管功率放大电路的性能测量: 功放电路输入端接入1kHz信号电压,调节复合管基极偏置电压的电位器,消除输出交越失真,然后将功放电路输入端接地,测量运放驱动的OTL功放电路的运放及各晶体管各级静态电压与电路电流,记录在表-3中; 保持已调好的功放的工作点不变,再次接入1KHz输入信号,逐步提高信号电压,并调节电位器Rf,使输出为最大不失真电压,测量功放输出电压uo及功放负载时输入电流Iom,记录在表中 表-2功放电路的测试数据表f=1khz 静态测量ui=0 动态测量 负载测量RL=10Ω IO mA Ub1 /v Ub2 /v Ue1 /v Ue2 /v Uo /v Ui /v Uo /v Au Vcc /v Iom mA Uo /v Pom /W Pc /W η ③选作1: 音响的频率响应的测量: 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如表-2,作出频率特性曲线。 ③选作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。 3)测量高频音调特性: 则将高音电位器居中,将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端,频率从1kHz至30kHz变化,记下对应的电压增益。 最后绘制音调控制特性曲线,并标注与fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等频率对应的电压增益。 音调控制特性的测量按6.2所述测量步骤进行并将测量数据记录在表-3中。 表-3音调控制特性测量数据表ui=100mv 测量频率点 fL1 fL2 fo fH2 fH1 调输入频率/hz 30 1k 10k 低频提升 高频衰减 音调电位器 低音调向输入端 中端 高音调向输出端 uo/v 140mv 100mv 71mv Au/dB 3 0 -3 低频衰减 高频提升 音调电位器 低音调向输出端 中端 高音调向输入端 uo/v 71mv 100mv 140mv Au/dB -3 0 3 依据表-3的音调控制特性测量数据,作出本音响放大器的音调控制特性曲线。 六、设计、仿真及实验问题研究 1.功放电路的复合管中的功率管是否必须用TIP41、TIP42各一个? 能否用两个TIP41或两个TIP42? 为什么? 。 2.功放电路中二极管D1、D2的作用是什么? 应该选用硅管还是锗管? 3.普通集成运放UA741在单电源供电接法中应注意哪些问题? 4.音响放大电路的自激啸叫是主要产生在哪些环节的? 因怎样消除? 七、设计报告要求 1、设计的任务和要求。 2、方案设计和比较,说明所选方案的理由。 3、电路各部分原理分析、元器件选择和参数计算。 4、测试结果及分析: 5、总结与建议 总结所设计中存在的问题,提出改进的设想;完成本设计后的收获、体会和建议。 附: 关于音响功率的几种不同标示法的说明: 1)额定功率(RMS: 正弦波均方根)标示法: 美国联邦贸易委员会于1974年规定了功率的定标标准在20~20000Hz范围内谐波失真>1%时测得的有效功率。 2)音乐输出功率(MPO),不失真音乐输出功率(MusicPowerOutpur)的缩写,它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率,也就是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。 音乐输出功率为额定输出功率的2倍。 3)峰值音乐输出功率(PMPO)失真它是最大音乐输出功率,是功放电路的另一个动态指标,若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。 (很多音响器材标示的就是峰值音乐功率啊! ) 通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率,音乐输出功率大于最大输出功率,最大输出功率大于额定输出功率,峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-6倍。 图-10单电源供电运放驱动功率管音响放大参考电路图
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- 音响 放大器 综合 设计 实验