擴(kuò)音機(jī)電路的設(shè)計(jì)--畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 齊魯理工學(xué)院齊魯理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目 擴(kuò)音器的設(shè)計(jì) 課 程 名 稱(chēng) 模擬電子啊技術(shù) 二 級(jí) 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 2015 級(jí) 學(xué) 生 姓 名 沈坤 學(xué) 號(hào) 201510530039 指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)起止時(shí)間：2016 年 12 月 12 日至 2016 年 12 月 16 日 成績(jī)目錄第 1 章方案設(shè)計(jì).2第 2 章單元電路設(shè)計(jì).22.1前置放大器的設(shè)計(jì).22.2音調(diào)控制器的設(shè)計(jì).32.2.1低頻工作時(shí)元器件參數(shù)的計(jì)算.52.2.2高頻工作時(shí)元器件參數(shù)的計(jì)算.72.3功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì).102.3.1確定電源電壓.102.3.2功率輸出級(jí)設(shè)計(jì).

2、112.3.3電阻R17R12的估算.112.3.4確定靜態(tài)偏置電路.112.3.5反饋電阻R13與R14的確定.12參考文獻(xiàn).13附錄 1總電路原理圖.14第 0 頁(yè)擴(kuò)音器的設(shè)計(jì)摘要：很多場(chǎng)合（如商場(chǎng)、學(xué)校、車(chē)站、體育場(chǎng)等）都安裝有廣播系統(tǒng)，它的主要功能是播放音樂(lè)、廣播通知和要聞。這些廣播系統(tǒng)都含有擴(kuò)音設(shè)備，用以把從話筒、錄放卡座、CD 機(jī)送出的微弱信號(hào)放大成能推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲的大功率信號(hào)。根據(jù)實(shí)際需要和放大器件的不同，擴(kuò)聲電路的設(shè)計(jì)也有很多種類(lèi)。作為電子線路的課題設(shè)計(jì)，本課題提出的擴(kuò)聲電路性能指標(biāo)比較低，主要采用理論課題里介紹的運(yùn)算放大集成電路和音頻功率放大集成電路來(lái)構(gòu)成擴(kuò)聲電路。這種性能指

3、標(biāo)低的擴(kuò)音器主要在于價(jià)格便宜，制作簡(jiǎn)單，不需要太多昂貴的集成塊。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞擴(kuò)聲；音頻功放；放大電路第 1 頁(yè)第 1 章方案設(shè)計(jì)采用運(yùn)算集成電路和音頻功率放大集成電路設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)話筒輸出信號(hào)具有放大能力的擴(kuò)聲電路。其電路方框圖如圖 1-1 所示：圖 1-1擴(kuò)聲電路原理框圖前置放大主要完成對(duì)小信號(hào)的放大，一般要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，頻帶要寬，噪聲要小；音量控制主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)高、低音的提升和衰減。第 2 章單元電路設(shè)計(jì)2.1前置放大器的設(shè)計(jì)由于話筒提供發(fā)信號(hào)非常弱，故一般在音調(diào)控制器前面要加一個(gè)前置放大器。該前置放大器的下限頻率要小于音頻控制器的低音轉(zhuǎn)折頻率，上限頻率要大于音頻控制器的高音轉(zhuǎn)

4、折頻率?？紤]到所設(shè)計(jì)電路對(duì)頻率響應(yīng)及零輸入（及輸入短路）時(shí)的噪聲、電流、電壓的要求，前置放大器選用集成運(yùn)算放大器 LF353。它是一種雙路運(yùn)算放大器，屬于高輸入阻抗低噪聲集成器件。其輸入阻抗高為 104M，輸入偏置電流僅有 5010-12A，單位增益頻率為 4MHZ，轉(zhuǎn)換速率為 13V/us，用做音頻前置放大器十分理想，其外引線圖如圖 2-1 所示第 2 頁(yè)圖 2-1LF353 外引線圖前置放大電路由 LF353 組成的兩極放大電路完成，如圖 2-2 所示。第一級(jí)放大電路的 Au1=10，即 1+R3/R2=10，取 R2=10K，R3=100K。取 Au2=10（考慮增益余量） ，同樣 R5

5、=10K，R6=100。電阻 R1、R2為放大電路偏置電阻，取R1=R4=100K。耦合電容 C1與 C2取 10uF，C4與 C11取 100uF，以保證擴(kuò)聲電路的低頻響應(yīng)。圖 2-2前置放大器其他元器件的參數(shù)選擇為：C3=100pF，R7=22K。電路電源為12V。第 3 頁(yè)2.2音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)音調(diào)控制器的功能是，根據(jù)需要按一定的規(guī)律控制、調(diào)節(jié)音響放大器的頻率響應(yīng)，更好地滿足人耳的聽(tīng)覺(jué)特性。一般音調(diào)控制器只對(duì)低音和高音信號(hào)的增益進(jìn)行提升或衰減，而中音信號(hào)的增益不變，音調(diào)控制器的電路結(jié)構(gòu)有多種形式，常用的典型電路結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。該電路的音調(diào)控制曲線（即頻率響應(yīng)）如圖 2-4 所示。

6、音調(diào)控制曲線中給出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)折頻率：Fl1表示低音轉(zhuǎn)折頻率，F(xiàn)l2表示中音下限頻率，F(xiàn)0表示中音頻率（即中心頻率） ，要求電路對(duì)此頻率信號(hào)沒(méi)有衰減和提升作用，F(xiàn)h1表示中音上限頻率，F(xiàn)h2表示高音轉(zhuǎn)折頻率。圖 2-3音調(diào)控制器電路第 4 頁(yè)f/HzAu/dB-20db/10倍數(shù)FL1100Hz10HzFH2圖 2-4音頻控制器頻率響應(yīng)曲線音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率的不同來(lái)選擇電位器、電阻及電容參數(shù)。2.2.1低頻工作時(shí)元器件參數(shù)的計(jì)算音調(diào)控制器工作時(shí)在低音時(shí)（即 FFl） ，由于電容 C5C6=C7故在低頻時(shí) C5可看成開(kāi)路，音頻控制電路此時(shí)可簡(jiǎn)化為圖 2-5，圖 2-6 所示電路。圖

7、 2-5 所示為電位器 RP1中間抽頭處在左端，對(duì)應(yīng)于低頻提升最大的情況。圖 2-6 所示電位器 RP1中間抽頭處在最右端，對(duì)應(yīng)于低頻衰減最大的情況。下面分別進(jìn)行討論。圖 2-5低頻提升電路第 5 頁(yè)圖 2-6低頻衰減器1、低頻提升由圖 2-5 可求出低頻提升電路的頻率響應(yīng)函數(shù)為式中，11218110)(0wljwwljwRRRPRUUji，1711RPRCwL )()(10171012RRCRRPwLRP當(dāng)頻率 F 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Fl1時(shí)，電容 C7近似開(kāi)路，此時(shí)的增益為8101RRRARPL當(dāng)頻率升高時(shí)，C7的容抗減小，當(dāng)頻率 F 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Fl1時(shí)，C7近似短路，此時(shí)的增益為8100RRA

8、在 Fl1FFl2的增益范圍內(nèi)電壓增益衰減率為-20dB/10 倍頻，即-6dB/倍頻（若40HZ 對(duì)應(yīng)的增益是 20dB，則 2 40HZ=80HZ 時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益是 14dB）本設(shè)計(jì)要求中頻增益為 A0=1（0dB） ，且在 100HZ 處有12dB 的調(diào)節(jié)范圍。故當(dāng)增益為 0dB 時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折頻率為 400HZ（因?yàn)閺?12dB 到 0dB 對(duì)應(yīng)兩個(gè)倍頻程，所以對(duì)應(yīng)頻率是 400HZ）因此音調(diào)控制器的低音轉(zhuǎn)折頻率f11=fl2/10=40HZ。電阻 R8，R10及 RP1的取值范圍一般為幾千歐姆到幾百千歐姆。若取值過(guò)大，則運(yùn)算放大器的漏電流的影響變大；若取值過(guò)小，則流入運(yùn)算放大器的電流

9、將超過(guò)第 6 頁(yè)其最大輸出能力。這里取 RRP1=470K。由于 A0=1，故 R8=R10。又因?yàn)閣l2/wl1=（RRP1+R10）/R10=10，所以 R8=R10=RRP1/（10-1）=52K，取R9=R8=R10=51K。電容 C7可由式求得：C7=0.00085uF，取)114. 32(117RPLRfCC7=0.01uF。2、低頻衰減在低頻衰減電路中，如圖 6 所示，若取電容 C6=C7，則當(dāng)工作頻率 f 遠(yuǎn)小于fL1，電容 C6近似開(kāi)路，此時(shí)電路增益1810RPLRRRA當(dāng)頻率 F 遠(yuǎn)大于 F12時(shí)，電容近似短路，此時(shí)電路增益8100RRA 可見(jiàn)，低頻端最大衰減倍數(shù)為 1/1

10、0(即-20dB)。2.2.2高頻工作時(shí)元器件參數(shù)的計(jì)算音調(diào)控制器在高頻端工作時(shí)，電容 C6，C7近似短路，此時(shí)音調(diào)控制電路可簡(jiǎn)化成圖 2-7 所示電路。為便于分析，將星形連接的電阻 R8=R9=R10轉(zhuǎn)換成三角形連接，轉(zhuǎn)換后如圖 2-8 所。所以 Ra=Rb=Rc=3R8。由于 Rc 跨接在電路的輸入端和輸出端之間，對(duì)控制電路無(wú)影響，故它可忽略不記。圖 2-7音調(diào)控制電路在高頻段時(shí)的簡(jiǎn)化等效電路第 7 頁(yè)圖 2-8音調(diào)控制電路高頻段簡(jiǎn)化電路的等效變換電路當(dāng) RP2中間抽頭處于最左端時(shí)，此時(shí)高頻提升最大，等效電路如圖 2-9 所示；當(dāng) RP2中間抽頭處于最右端時(shí)，此時(shí)高頻衰減最大，等效電路如圖

11、 2-10 所示。圖 2-9高頻提升電路第 8 頁(yè)圖 2-10高頻衰減電路1、高頻提升。由圖 2-9 可知，該電路是一個(gè)典型的高通濾波器，其增益函數(shù)為 2111(wHjwwHjwRaRbUiUojwA）其中，。5)1111CRRawH（51112CRwH當(dāng) F 遠(yuǎn)小于 Fh1 時(shí)，電容 C5可近似開(kāi)路，此時(shí)的增益為（中頻增益）10bRRAa當(dāng) F 遠(yuǎn)大于 Fh2 時(shí)，電容 C5 近似為短路，此時(shí)的電壓增益為11RaRRAbH當(dāng) Fh1FFh2 時(shí)，電壓增益按 20dB/10 倍數(shù)的斜率增加。由于設(shè)計(jì)任務(wù)中要求中頻增益 A0=1，在 10kHz 處有12dB 的調(diào)節(jié)范圍，所以求得 Fh1=2.5

12、kHz。又因?yàn)?H1/H2=（R11+Ra）/R11=AH，高頻最大提升量 AH 一般也取 10 倍，所以 Fh2=AHFh1=25kHz。由(R11+Ra)/R11=AH 得：R11=Ra/(AH-1)=17K,取 R11=18k。由 H2=1/R11C5得：C5=1/(2Fh2R11)=354pF,取 C5=330pF。高音調(diào)節(jié)電位器 Rp2的阻值與 Rp1相同，取 RRp2=470K。2、高頻衰減。在高頻衰減等效電路中，由于 Ra=Rb，其余元器件也相同。所以有高頻衰減的轉(zhuǎn)折頻率與高頻提升的轉(zhuǎn)折率相同。高頻最大衰減 1/10（即-第 9 頁(yè)20dB） 。2.3功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)功率輸出級(jí)電

13、路結(jié)構(gòu)有許多種，選擇由分立元器件組成的功率放大器或單片集成功率放大器均可。為了鞏固在電子線路課程中所學(xué)的理論知識(shí)，這里選用集成運(yùn)算放大器組成的典型 OCT 功率放大器，其電路如圖 2-11 所示，其中由運(yùn)算放大器組成輸入電壓放大驅(qū)動(dòng)級(jí)，由晶體管 VT1，VT2，VT3，VT4組成的復(fù)合管為功率輸出級(jí)。三級(jí)管 VT1與 VT2都為 NPN 管，仍組成 NPN 型的復(fù)合管。VT3與 VT4為不同類(lèi)型的晶體管，所組成的復(fù)合管導(dǎo)電極性由第 1 只腳決定，為 PNP 型復(fù)合管。圖 2-11功率放大電路2.3.1確定電源電壓功率放大器的設(shè)計(jì)要求是最大輸出功率。由公式WPO8max可得：可得?？紤]到輸LOm

14、RUPO/2/12maxRLUomUomPOm21LRPouommax2出功率管 VT2 與 VT4 的飽和壓降和發(fā)射極 R11與 R22的壓降，電源電壓常取VCC=（1.21.5）UOm。將已知參數(shù)帶入上式，電源電壓選取12V。第 10 頁(yè)2.3.2功率輸出級(jí)設(shè)計(jì)1、輸出晶體管的選擇。輸出功率管 VT2 與 VT4 選擇同類(lèi)型的 NPN 型大功率管。其承受的最大反向電壓為 UCEmax=2VCC。每只晶體管的最大集電極電流為ICmaxVCC/RL=1.5A，每只晶體管的最大集電極功耗為：PCmax=0.2POmax=1.6W。所以 ，在選擇功率三極管時(shí)，除應(yīng)使兩管 的值盡量對(duì)稱(chēng)外，其極限參數(shù)

15、還應(yīng)滿足系列關(guān)系：VBRCEO2VCC，ICMICmax，PCMPCmax，PCMPCmax。根據(jù)上式關(guān)系，選擇功率三極管為 3DD01。2、復(fù)合管的選擇。VT1與 VT3分別與 VT2與 VT4組成復(fù)合管，它們承受的最大電壓均為 2VCC，考慮到 R18與 R20的分流作用和晶體管的損失，晶體管 VT1與 VT3的集電極功耗：PCmax=（1.1-1.5）PC2max/2 而實(shí)際選擇 VT1，VT3參數(shù)要大于最大值。另外為了復(fù)合出互補(bǔ)類(lèi)型的三極管，一定要使 VT1，VT3互補(bǔ),其要求盡 VT3稱(chēng)性好?？蛇x用 VT1為 9013，VT3選用 9015。2.3.3電阻R17R12的估算R18與

16、R20用來(lái)減小復(fù)合管的穿透電流，其值過(guò)小會(huì)影響復(fù)合管的穩(wěn)定性，太大又會(huì)影響輸出功率，一般取 R18=R20=（510）Ri2。Ri2為 VT2管的輸入端等效電阻，其大小可用公式 Ri2=rbe+（1+2）R21來(lái)計(jì)算，大功率管的 rbe 約為 10， 為 20 倍。輸出功率管的發(fā)射極電阻 R21與 R22起到電流的負(fù)反饋?zhàn)饔?，使電路的工作更加穩(wěn)定，從而減少非線性失真。一般取 R21=R22=（0.050.1）RL。由于 VT1與 VT3管的類(lèi)型不同，接法也不一樣，因此兩只管子的輸入阻抗不一樣，這樣加到 VT1與 VT3管基極輸入端的信號(hào)將不對(duì)稱(chēng)。為此，增加 R17與 R19作為平衡電阻，使兩只

17、管子的輸入阻抗相等。一般選擇 R17=R19=R18Ri2。根據(jù)以上條件，選擇電路元器件值為：R21=R22=1，R18=R20=270，R17=R19=30。2.3.4確定靜態(tài)偏置電路為了克服交越失真，由 R15，R16，RP3和二節(jié)管 VD1，VD2共同組成兩對(duì)復(fù)合管的偏置電路，使輸出級(jí)工作于甲乙類(lèi)狀態(tài)。R15與 R16的阻值要根據(jù)輸出級(jí)輸出信號(hào)的幅度和前級(jí)運(yùn)算放大器的最大允許輸出電流來(lái)考慮。靜態(tài)時(shí)功率放大器的輸出端對(duì)地的電位為 0（VT1與 VT3應(yīng)處于微導(dǎo)通狀態(tài)） ，即 U0=0V。運(yùn)算放大器的輸出電第 11 頁(yè)位 UO30V。若取電流 IO=1mA，RRP3=0（RP3用于調(diào)整復(fù)合管

18、的微導(dǎo)通狀態(tài)，其調(diào)節(jié)范圍不能太大，可采用 1k 左右的精密電位器，其初始值應(yīng)調(diào)在零阻值，當(dāng)調(diào)整輸出級(jí)靜態(tài)工作電流或者輸出波形的交越失真時(shí)再逐漸增大阻值） 。則15153157 . 012RRVVccRRUVccIoDRPD所以 R15=11.3K,取 R15=11K。為了保證對(duì)稱(chēng),電阻 R16=11K。取RRP3=1K。電路中的 VD1與 VD2選為 1N4148。2.3.5反饋電阻R13與R14的確定在這里放大器選用 LF353，功率放大器的電壓增益可表示為：2011443RRRAuRP取 R14=1K,則 R13+RRP4=19K。為了使功率放大器增益可調(diào)，取R13=15K，RRP4=4.7K。電阻 R12是運(yùn)算放大器的偏置電阻，電容 C8是輸入耦合電容，其大小決定了擴(kuò)聲電路的下限頻率。取 R12=100K，C8=100uF。并聯(lián)在揚(yáng)聲器的 R23與 C10消振網(wǎng)絡(luò)，可以改善揚(yáng)聲器的高頻響應(yīng)。這里取R23=27，C10=0.1uF。一般取 C9=4.7uF。第 12