語音放大器的設(shè)計(jì)

1、山 東 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)題 目 語音放大器的設(shè)計(jì)與制作 信息科學(xué)與工程 院（系） 電子信息工程 專業(yè)課程名稱 電子線路課程設(shè)計(jì) 語音放大器的設(shè)計(jì)與制作一 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個語音放大器及音量顯示裝置，要求具有音調(diào)輸出控制功能，并能夠?qū)υ捦不蚍乓魴C(jī)的輸出信號進(jìn)行擴(kuò)音，并自制穩(wěn)壓電源 。組成框圖如下：二 主要技術(shù)指標(biāo)（1）功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)（A）額定功率（B）負(fù)載阻抗 ；（C）頻率響應(yīng)（D）音調(diào)控制特性 1kHz處增益為0dB，100Hz處和10kHz處有的調(diào)節(jié)范圍，；（E）話筒的輸出電壓為5mV，放音機(jī)等其它信息源的輸出電壓為100mV。（F）輸入阻抗（2）音量顯示裝置要求分為六級顯示，由五個發(fā)光二極

2、管實(shí)現(xiàn)，五個管均不亮?xí)r輸出電平最低，五個管全亮?xí)r輸出電平最高。（3）穩(wěn)壓電源自行設(shè)計(jì)并制作穩(wěn)壓電源。三 主要元器件及簡介運(yùn)放LM324；功率放大器TDA2030，三端穩(wěn)壓器、二極管、喇叭（8/4W），音頻輸入接口、微音器、電阻、電容若干。1. 運(yùn)放LM324LM324系列是低成本的四路運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。在單電源應(yīng)用中，它們與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器類型相比具有幾個明顯的優(yōu)勢。該四路放大器可以工作于低至3.0 V或高達(dá)32 V的電源電壓，靜態(tài)電流是MC1741的五分之一左右（每個放大器）。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因此在眾多應(yīng)用中無需外部偏置元器件。輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。主要特性：短路

3、保護(hù)輸出 真正的差分輸入級 單電源供電：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A） 低輸入偏置電流：100 nA最大值（LM324A） 每個封裝有4個放大器 內(nèi)部補(bǔ)償 共模范圍擴(kuò)展至負(fù)電源 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳分配 輸入端的ESD鉗位提高了可靠性，且不影響器件工作 提供無鉛封裝使用LM324作為電路的放大器能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求2. TDA2030TDA2030是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、諧波失真和交越失真小等特點(diǎn)。并設(shè)有短路和

4、過熱保護(hù)電路等，多用于高級收錄機(jī)及高傳真立體聲擴(kuò)音裝置。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同,可以互換。電路特點(diǎn)： 1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。4.開機(jī)沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路、過熱、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）、負(fù)載泄放電壓反沖等。四 電路的分析與設(shè)計(jì)本電路的最終功能是將駐機(jī)式話筒的信號或手機(jī)的音樂信號放大并通過喇叭播放出來前面已經(jīng)介紹過TDA

5、的最大輸出功率可達(dá)18W，本電路要求輸出功率在5W左右（喇叭功率允許的情況下）。假設(shè)手機(jī)輸出信號的有效值為100mV，駐機(jī)式話筒的輸出信號有效值為5mV，要是輸出信號為5W，由Pomax=Uomax22Rl (1)可得最大輸出電壓約為9V，考慮到TDA的特性，取電源為±12V。下面考慮各級放大倍數(shù)。話筒輸出輸出信號為5mV，為了能夠與手機(jī)音樂信號共同使用同一個前置放大器，應(yīng)該將這個信號調(diào)整到音樂信號的同一數(shù)量級，所以微弱信號放大器的放大倍數(shù)為 Au1=1005=20 (2)在不考慮音調(diào)調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)的條件下，前置放大器和功放的放大倍數(shù)為：Au2Au4=90.1×2= (3

6、)在這里，不放取Au2=5.7，Au4=11。下面詳細(xì)介紹各級電路的設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果：1. 微弱信號放大器微弱信號放大器的放大倍數(shù)為20倍，由于信號來自話筒，為了更好的獲取信號，應(yīng)該將放大器的輸入阻抗設(shè)計(jì)的盡可能大，這里不放采用兩級電路實(shí)現(xiàn)微弱信號的放大，第一級為跟隨器，提供一個大的輸入阻抗；第二級為一個20倍的同相放大器，電路如下所示：上圖中，U1A構(gòu)成前置跟隨器，C2為級間耦合電容，用于濾除信號中的直流分量，第二級是一個放大倍數(shù)為R3/R2+1=21的同相放大器，R2，R3構(gòu)成反饋回路，R4為平衡電阻。當(dāng)微音器是峰值7mV的正弦波是輸入輸出信號波形如下圖所示：由波形圖可得，放大倍數(shù)大約為20

7、倍，符合要求。2. 前置信號放大器前置信號放大器用于放大手機(jī)輸出音樂或微弱信號放大器輸出的信號，前面分析已經(jīng)得到放大倍數(shù)為5.7倍，電路圖如下圖所示：圖中C4，C8為耦合電容，用于濾除信號中的直流分量，R5,R6構(gòu)成反饋回路，決定電路的放大倍數(shù)為R5/R4+1=5.7；R8為平衡電阻；R9為音量調(diào)節(jié)電阻，通過調(diào)節(jié)電位器的抽頭位置，可以改變輸出信號的大小。給該電路輸入一個有效值為100mV的正弦波時，信號波形如下所示：由圖可得，放大倍數(shù)約為5.7倍，符合設(shè)計(jì)要求。3. 音調(diào)調(diào)節(jié)電路常用的音調(diào)控制電路有三種：第一種是衰減式RC音調(diào)控制電路，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍較寬，但卻容易產(chǎn)生失真；第二種是反

8、饋型音調(diào)控制電路，這種電路的調(diào)節(jié)范圍小一些，但失真也小；第三種是圖示式頻率均衡器，這種電路較為復(fù)雜，一般用在高檔收錄機(jī)和音響設(shè)計(jì)中。為了使電路簡單且失真小，多數(shù)音調(diào)控制電路都采用第二種形式，即反饋型音調(diào)控制電路。其原理電路如圖4.2.1所示。它的增益為 4.2.1 圖4.2.1 反饋型音調(diào)控制電路原理圖根據(jù)信號不同，圖中的、的阻抗也各不相同，所以增益將隨著信號頻率的改變而改變。如果、所包含的RC元件不同，就可以組成四種不同形式的電路，如圖4.2.2所示。圖4.2.2 四種等效形式的反饋型音調(diào)控制電路 圖（a）所示電路中，電壓增益的表達(dá)式為 ， 4.2.2 由式4.2.2知，若C的取值較大，則只

9、在頻率低時起作用，因?yàn)楫?dāng)信號頻率在低頻區(qū)時，越低，則越大，增益越高。所以可以得到低音提升。 圖（b）所示電路中，電壓增益的表達(dá)式為 ， 4.2.3 由式4.2.3知，若C的取值較小，則只在頻率高時起作用，因?yàn)楫?dāng)信號頻率在高頻區(qū)時，越高，則越小，增益越低。所以得到了高音衰減。圖（c）所示電路中，電壓增益的表達(dá)式為 ， 4.2.4由式4.2.4知，若C的取值較小，則只在頻率高時起作用，因?yàn)楫?dāng)信號頻率在高頻區(qū)時，越高，則越小，增益越大。所以得到了高音提升。 圖（d）所示電路中，電壓增益的表達(dá)式為 ， 4.2.5 由式4.2.5知，若C的取值較大，則只在頻率低時起作用，因?yàn)楫?dāng)信號頻率在低頻區(qū)時，越低，

10、則越大，增益越低。所以可以得到低音衰減。若將上述四種電路綜合起來，可以得到反饋型音調(diào)控制電路如圖4.2.3所示。 圖4.2.3 反饋型音調(diào)控制電路設(shè)計(jì)方法根據(jù)要求，本設(shè)計(jì)的頻率特性為高、低音提升，中音衰減，其特性曲線與圖4.2.10的上半部分類似。（1）在信號低頻區(qū)(1)確定轉(zhuǎn)折頻率電路的帶寬在之間，已知和處的提升和衰減量，根據(jù)式4.2.17和4.2.18可求得 ， ， Ø 確定和的值 因?yàn)檫\(yùn)放的輸入阻抗很高，一般，所以和選用100k的電位器。Ø 根據(jù)式4.4.7和4.4.8可以求得 Ø 根據(jù)式4.4.13可以求得 取 Ø 耦合電容的計(jì)算由于在低頻時音調(diào)

11、電路的輸入阻抗近似為，所以要求耦合電容滿足： 需要說明的是，在高頻、低頻提升和衰減的幅頻特性曲線（圖4.4.10）中，為中音頻頻率，要求增益；為低音轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十赫茲，為中音轉(zhuǎn)折頻率； 為中音轉(zhuǎn)折頻率，為高音轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫茲。根據(jù)要求可以設(shè)計(jì)出如下圖所示的電路：該電路的波特圖如下所示：基本符合要求。4 功放電路查閱TDA2030的手冊可得到如下圖所示的典型電路圖：本設(shè)計(jì)采用雙電源供電，根據(jù)前面的分析，功放具有11倍的放大倍數(shù)，電路如下圖所示：圖中C14為耦合電容，用于濾除直流分量，C3，C13，C11，C12為電源退耦電容，防止功放自激；D1，D2兩個二極管是保護(hù)二極管，當(dāng)電源

12、接反是可防止功放被燒壞；R23，R27構(gòu)成反饋回路，并決定放大倍數(shù)為：5.1/0.47=11,；R25,C15構(gòu)成極點(diǎn)補(bǔ)償電路；R26代表阻抗為8歐姆的喇叭。給電路一個信號時，電路能將信號放大：由信號波形可以看出信號在幅值為9V伏時沒有出現(xiàn)失真，因此能夠達(dá)到要求。5. 音量顯示電路音量顯示電路的基本原理是先采集瞬時音量的大小，然后根據(jù)采集信號的大小控制led的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)音量顯示的功能，原理與AD轉(zhuǎn)換器類似，參照并行比較AD轉(zhuǎn)換器原理可以設(shè)計(jì)出以下電路：圖中運(yùn)放UA6構(gòu)成一個跟隨器，跟隨器的輸入電阻極大，從功放輸出端采集信號時不會影響喇叭放音；D3，C1,R7構(gòu)成峰值保持電路；R28R32分壓，

13、產(chǎn)生比較器的參考電壓；U8，U9構(gòu)成比較器根據(jù)輸入電壓與參考電壓的大小關(guān)系決定是否點(diǎn)亮led；led直接與運(yùn)放的輸出端連接，由于LM324內(nèi)部有輸出限流電路，所以即使LED兩端電壓較高，也不會被燒壞。6. 電源電路本設(shè)計(jì)中使用正負(fù)12V的電源，輸出功率不大于5W，三端穩(wěn)壓器L7812，L7912的輸出電流可達(dá)1A，因此使用它們足以為電路供電。利用L7812和L7912構(gòu)成的正負(fù)12V雙電源的典型電路如下圖所示：由于穩(wěn)壓管本身有一定壓降，并留出一定裕量，采用220V/36V的交流變壓器變壓；D1為整流橋，用來實(shí)現(xiàn)交流電的全波整流；C1，C2為濾波電容；為防止由輸入引線較長而帶來的電感效應(yīng)所產(chǎn)生的

14、自激振蕩以及減小波紋，在穩(wěn)壓芯片的輸入端并聯(lián)兩個小電容（104）；為進(jìn)一步減小輸出脈動和低頻干擾，在穩(wěn)壓芯片的輸出端并聯(lián)一個較大的電解電容；為減小由于負(fù)載電流瞬時變化而引起的高頻干擾，在穩(wěn)壓芯片的輸出端并聯(lián)一個較小的電容；當(dāng)輸入端意外短路時，給輸出端電容一個放電通路，防止電容兩端電壓作用于芯片調(diào)整管的be節(jié)，造成調(diào)整管be節(jié)擊穿而損壞，可在穩(wěn)壓芯片的輸出輸入之間接一個二極管；D4，D5構(gòu)成電源指示電路，電源工作時，LED被點(diǎn)亮。7. 整體電路圖（不包含電源部分）五、實(shí)驗(yàn)步驟 （測試結(jié)果分析，調(diào)試過程）1電路設(shè)計(jì)步驟 （1）確定整體方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定各單元電路的方案， 采用集成電路器件設(shè)計(jì)，

15、根據(jù)公式計(jì)算電路的元件參數(shù)。（2）系統(tǒng)總原理圖各單元電路圖和整體電路圖（見上）。 2安裝焊接調(diào)試按照電路原理圖焊接電路板，一級一級地焊。焊接時應(yīng)注意安全，同時要保證焊接的質(zhì)量。最后引出五根導(dǎo)線（分別作為+12V、-12V、地線、喇叭的接口（喇叭為了方便友引出一根地線）。（1）前置放大器的組裝與調(diào)試1.靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激振蕩。2.動態(tài)調(diào)試：測量電路的帶寬、輸入電阻等指標(biāo)。（2）有源濾波器的組裝與調(diào)試1.靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激振蕩。2.動態(tài)調(diào)試：測量電路的帶寬、電壓增益等指標(biāo)。（3）功率放大電路的組裝與調(diào)試靜態(tài)調(diào)試：不接輸入，觀察輸出有無振蕩來進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試。3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)（1）前置輸入對地短路，測量輸出噪聲電壓。（2）輸入頻率為1KHz的正弦信號，改變Ui幅值，用示波器觀察Uo的波形，記錄輸出最大不失真幅值及所對應(yīng)ui的變化范圍。（3）測量上限截止頻率、下限截止頻率和電壓放大倍數(shù)等指標(biāo)。4試聽系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)與各項(xiàng)指標(biāo)測試完畢之后，輸入mp3音樂信號，用揚(yáng)聲器代替RL，從揚(yáng)聲器中即可傳出美妙的音樂聲。接入麥克后，輸出語音。 從效果看，應(yīng)該是音質(zhì)清楚、無雜音、音量大，電路運(yùn)行穩(wěn)定為最佳設(shè)計(jì)。5實(shí)驗(yàn)中所遇到的問題及解決方案 我們第一次遇到的問題是有關(guān)電路設(shè)計(jì)，我們首先在multism中進(jìn)行了仿真，但是不管怎么調(diào)試，輸出的語音信號都會失真，通過查閱一些資料，我們加了一