音響放大器設(shè)計實(shí)驗(yàn)2011 (1)

1、音響放大器設(shè)計實(shí)驗(yàn)龍從玉編寫一、綜合設(shè)計任務(wù)與要求1、綜合設(shè)計任務(wù)用給定元器件設(shè)計一個能對外接受高阻話筒信號、進(jìn)行音調(diào)控制調(diào)節(jié)、外接揚(yáng)聲器輸出功率達(dá)1W的音響放大器。2、設(shè)計音響放大器性能要求2.1、 輸出功率：POM 1W 揚(yáng)聲器阻抗ZL=4/1W 電源電壓VCC=12V。2.2、 輸入阻抗 Ri20k2.3、 *音響頻率響應(yīng):fL=40Hz、 fH =15KHz。2.4、 *音調(diào)控制特性：1KHz:Au=0dB;二、可供實(shí)驗(yàn)元器件1、音響放大電路設(shè)計實(shí)驗(yàn)供應(yīng)元器件如表-1表-1 音響電路實(shí)驗(yàn)可供（可選）元器件列表序號名 稱型號數(shù)量序號名 稱型號數(shù)量1運(yùn)算放大器UA7414片8電解電容470

2、 u/50V2支或LM3241片10 uF8支2大功率管TIP411支1uF2支TIP421支9瓷片電容0.033uF2支3三極管90121支3300pF2支90131支0.1uF1支4二極管1N40072支音響電路公用測試元器件5電位器100K2支10話筒1支10K2支11MP31支1 K1支12揚(yáng)聲器1W/81支6大電阻10/2W1支*擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)可選元器件清單7電阻100K2支13集成功放TDA20031塊51K1支或LM3801塊20K4支14儀表運(yùn)放AD6231塊10K12支15電阻略若干2K2支16電容略若干2、音響放大電路設(shè)計實(shí)驗(yàn)供應(yīng)元器件的分類說明：2.1、必做實(shí)驗(yàn)部分可供元器件：

3、通用集成運(yùn)算放大器、三極管、大功率管、二極管、電位器、常用電阻和電容。2.2、音響測試元器件為調(diào)試與測試公用元器件，以實(shí)驗(yàn)教室為單位配置。2.3、選作實(shí)驗(yàn)部分選供元器件；音響集成功放模塊、儀表專用集成運(yùn)算放大器等。選做實(shí)驗(yàn)供應(yīng)元器件必須將設(shè)計電路與選擇元件清單，交指導(dǎo)老師審查簽字方可領(lǐng)取。三、綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)流程與電路設(shè)計參考方案1、一般電路實(shí)驗(yàn)綜合設(shè)計流程 如圖-1：圖-1 音響電路設(shè)計實(shí)驗(yàn)流程圖2、音響放大器各級增益的分配根據(jù)設(shè)計實(shí)驗(yàn)要求，音響放大整機(jī)電路可分為：話放與混放級、音調(diào)控制級與功放級。根據(jù)各級的功能及性能指標(biāo)要求分配電壓增益如下兩種方案：音響放大電路增益分配方案1音響放大電路增益分

4、配方案1的特點(diǎn)是：各級增益大體均分，話放級增益5dB較小，主要任務(wù)解決輸入信號的阻抗匹配。音調(diào)控制級主要任務(wù)是音調(diào)調(diào)節(jié)，雖然在電位器居中時增益為零，但在增益衰減調(diào)節(jié)時為-20dB；在增益提升調(diào)節(jié)時為20dB。由于普通運(yùn)放的上限頻率較低，增益較高則上限頻率更低，因此采用運(yùn)放驅(qū)動大功率管電路可采用此增益分配。音響放大電路增益分配方案2音響放大電路增益分配方案2的特點(diǎn)是： 功放級電壓增益較大，比較適用于集成功放電路及采用三極管驅(qū)動大功率管的功放電路。3、音響放大電路輸入輸出的阻抗匹配高阻話筒的輸出電阻較高，為了使電路的輸入阻抗匹配，話放電路宜采用阻抗較高同相輸入電路。同理，因?yàn)橐繇懙呢?fù)載是8的揚(yáng)聲器

5、，在采用單電源時電源在1215V，要求電路的輸出電阻足夠小，使音響能輸出要求的功率。四、音響放大器中單元電路分析音響放大電路設(shè)計主要包含：功放電路、話筒信號放大與混放電路、音調(diào)控制電路三大部分。設(shè)計實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是功放電路部分。雖然現(xiàn)在有性能極好的音響集成功放電路模塊，但是本設(shè)計實(shí)驗(yàn)采用普通運(yùn)放驅(qū)動大功率管的功放電路。1、采用通用運(yùn)放的前置放大電路由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20k(亦有低輸出阻抗的話筒如20，600等)，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲電信號(最高頻率達(dá)到20kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗，可采用輸入阻抗較大的同相放大器。采用同相輸入的放大電

6、路，在實(shí)際應(yīng)用中的自激噪聲較大?？稍谶\(yùn)放的輸出端與反向輸入端之間并接一個0.01uF的電容來消除自激。圖-2 采用通用運(yùn)放741的話放與混放電路圖音響放大電路采用單電源比雙電源電路要簡單，運(yùn)放的單電源接法只不過是將輸入輸出電壓的參考點(diǎn)由雙電源的零電位，改變?yōu)閱坞娫吹碾妷篤CC的1/2而已。事實(shí)上不僅LM324可采用單電源，UA741同樣可采用單電源接法，圖-3 就是圖-2運(yùn)放741的話放與混放都采用單電源供電的電路圖。圖-3用單電源供電的通用運(yùn)放741前置放大電路圖2、采用專用集成運(yùn)放的話放電路*（擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)選做）典型的儀表集成運(yùn)放AD632用雙電源電壓：±2.5-±5V，一

7、般用單電源電壓可取10V，但其雙電源性能也好，電路增益設(shè)置簡單，用僅用一個電阻就可設(shè)置電路增益值，在輸出端負(fù)載電阻應(yīng)大于10K時，輸出穩(wěn)定，作話筒信號放大性能良好。圖-4是采用雙電源的低阻話筒信號放大電路。圖-4 用AD623的話音放大電路圖AD623采用單電源供電時，要特別注意調(diào)偏置電壓，信號可采用橋式電路輸入，信號輸出則最好采用電容耦合輸出。3、采用運(yùn)放驅(qū)動功率管的OTL功放電路功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。 功放的常見形式OTL功放電路、OCL功放電路、

8、BTL平衡橋式功放電路，還有立體聲功放電路。采用單電源的運(yùn)放驅(qū)動功率管的功放電路如圖-5。其中，運(yùn)放為驅(qū)動級，晶體管Q1-Q4組成復(fù)合式晶體管互補(bǔ)對稱電路。圖-5 單電源供電運(yùn)放驅(qū)動功率管的OTL電路3.1、OTL功放電路的工作原理三極管Q1、Q3為同類型的NPN管，復(fù)合管則仍為NPN管，Q2、Q4為同類型的PNP管，復(fù)合管則仍為PNP管。（需要說明的是：如果Q2或Q4的管型與Q1或Q3不同，則其所組成的復(fù)合管的導(dǎo)電極性由第一支三極管的類型決定）。R4、R5及RW1及二極管D1、D2組成兩對復(fù)合管的基極偏置電路，靜態(tài)電流：IO=(VCC-2VD)/(R4+R5+RW1).VD為二極管的正向壓降

9、，為減小靜態(tài)功耗并克服交越失真，靜態(tài)時，Q1、Q2應(yīng)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)。電路的工作狀態(tài)為甲乙（AB）類狀態(tài)，選用二極管的材料類型注意要與三極管的類型一致（例如同為硅材料），RW1是微調(diào)電位器電阻不要太大。根據(jù)滿足下列關(guān)系：VQ1B-VQ2B=VD1+VD2+VRW1，使Q1 、Q2的偏壓約01.5V。R7、R8用于減少復(fù)合管的穿透電流，提高電路穩(wěn)定性，一般取一百至幾百歐姆。R6、R9為平衡電阻，可使Q1、Q2的輸出對稱，一般取幾十至幾百歐姆。（為了改善功放的性能，可在復(fù)合功率管的輸出管腳支路上對稱串聯(lián)反饋電阻，負(fù)反饋電阻值一般取1歐姆）。R10、C4為消振電路，有利于消除電感性揚(yáng)聲器易引起的高頻

10、自激，改善功放的高頻特性。C3=470uF輸出耦合電容，功放的下限頻率由此確定：fL=1/(2*RL*C3)3.2 、功放驅(qū)動電路的設(shè)置與計算：功放驅(qū)動運(yùn)放電路主要完成電壓放大任務(wù)，采用自舉式同相交流電壓放大器。C1輸入耦合電容，C2是自舉電容，同時有隔直流的作用。RF與RPF組成反饋電路，與R1共同確定運(yùn)算電路的比例系數(shù)，功放的電壓增益為：Au=1+(RF+RPF)/R1。3.3、功放靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置 功放電路參數(shù)完全對稱，靜態(tài)時功放的對稱中點(diǎn)（輸出端）的電壓VO，在單電源供電時應(yīng)為VCC的1/2，這就是交流零點(diǎn)。Q1、Q2的基極電壓，應(yīng)分別大致為交流零點(diǎn)上加上(或減去)一個二極管的正向壓降

11、VD。由于采用單電源，運(yùn)放的參考電壓由R2、R3組成分壓電路取得，單電源功放輸出端A點(diǎn)靜態(tài)電壓UA=VCC/2。（在雙電源供電時，輸出端對地靜態(tài)電壓UA=0）。 功放電路的靜態(tài)電流由IQ決定，IQ過小會有交越失真，IQ過大則會使功放的效率下降，一般可取IQ=2mA-3mA。對于功放硅管基極電壓在±0.5V左右。注意：因?yàn)楣Ψ烹娐氛w的的電壓增益是由式Au=1+(RF+RPF)/R1確定的。無論電路的輸出端是否接負(fù)載，輸出電壓都是定值，為了使功放電壓增益不隨負(fù)載變化，驅(qū)動運(yùn)放的實(shí)際電壓增益會隨負(fù)載變化而變化，所以，運(yùn)放在功放輸出端接負(fù)載時的實(shí)際電壓增益會大于功放電路的整體電壓增益。4、

12、OCL功放電路OCL功放電路采用雙電源供電，為防止在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中靜態(tài)工作點(diǎn)偏差大燒毀揚(yáng)聲器，最好在揚(yáng)聲器上串聯(lián)1000uF電容。圖-6 OCL功放參考電路圖5、采用集成功放的參考電路 *（擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)選做）典型的五端集成功放TDA200X系列，性能良好，功能齊全，外接元件少，并附有各種保護(hù)和消噪聲電路。典型TDA2003的單功放應(yīng)用電路如圖-712453TDA2003揚(yáng)聲器VCCVALUE=12VC110uFC30.1uFC2220uR1220R22.2C60.1uFCX0.033uFRX39C4220uR32.2C5220u8ui圖-7集成功放TDA2003應(yīng)用電路圖電路中的補(bǔ)償支路中的電阻取

13、RX=20R2 ，電容取CX=1/(2R1fC)。*如果采用兩個集成功放TDA2003，還可以接成BTL橋式功放電路。6、音調(diào)控制電路（選作）音響放大器的主要性能體現(xiàn)在音調(diào)控制電路上，這也是二階有源濾波電路的應(yīng)用。音調(diào)控制主要是控制預(yù)調(diào)音響放大器的幅頻特性。以圖-8所示的典型音調(diào)控制電路例來說明：以fo=1khz為音響的中音頻率，設(shè)其增益為0 dB；fL1低音轉(zhuǎn)折頻率（截止頻率），其增益為±17 dB；fL2低音頻區(qū)中音轉(zhuǎn)折頻率，其增益為±3 dB；fH1高音頻區(qū)中音轉(zhuǎn)折頻率，其增益為±3 dB；fH2高音轉(zhuǎn)折頻率（截止頻率），其增益為±17 dB?？梢?/p>

14、音調(diào)控制電路只對低音頻與高音頻的增益進(jìn)行提升或衰減，因此，音調(diào)控制電路可由低通濾波器與高通濾波器組成。在圖-8中RP1為低音控制電位器，其滑動端向左調(diào)向音調(diào)電路輸入端為低音提升，向右調(diào)相向輸出端為低音衰減。RP2為高音控制電位器，其滑動端向左調(diào)向音調(diào)電路輸入端為高音提升，向右調(diào)相向輸出端為高音衰減。高音、低音控制電位器RP1與RP2均置中端，則音調(diào)電路的增益為0dB (Au=1)。音調(diào)控制電路由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。在圖-8的電路中，由于C1=C2=0.033uF >>C3=C4=3300pF，當(dāng)f<fo，在中音、低音頻區(qū)，f<fo，C3與C4可視為開路，電路可作

15、為低通濾波器。音調(diào)控制電路、低音音調(diào)電位器調(diào)整、高音音調(diào)電位器調(diào)整與相應(yīng)的各種音調(diào)控制曲線如圖-7圖-8音調(diào)控制電路及音調(diào)控制特性曲線圖當(dāng)?shù)鸵粢粽{(diào)電位器RP1向左調(diào)向輸入端時，為低音增益提升；低音頻率:fL=1/(2RP1C2) 。電容電抗為：XC=1/(2fC2)令C1=C2>>C3=C4，在中低音頻區(qū)f<fo，電容C2的低音阻抗大，XC2|f=202.4M，XC2>>RP，可將C2視為開路，C3也是視開路，則當(dāng)RP1調(diào)向輸入端，低頻增益提升，AuL=(R1+RP1)/R1 。當(dāng)?shù)鸵粢粽{(diào)電位器向右調(diào)向輸出端時，為低音增益衰減，如圖-9所示。圖-9低音音調(diào)控制等效

16、電路圖同理，對于高音音調(diào)控制電路：當(dāng)f>fo，在中音、高音頻區(qū)，將C1、C2視為短路，R3與R1、R2組成星形連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖-10所示電路，可視為作為高通濾波器。對于f >fo, 電容C1=C2的高音阻抗XC1|f=20K=240, XC1<<RP1 可視為C1與C2短路，并將RP1短路，則等效電路簡化為圖-10(A)。再對圖-10(A)的電路做星角等效變換：Ra=R1+R3+R1*R3/R2=3R1、則：Ra=Rb=Rc=3R1=30k，圖-10(A)的電路等效變換如圖-10(B)。圖-10 高音音調(diào)控制等效電路圖在取R3/R4比值為5時，當(dāng)高

17、音音調(diào)電位器向左調(diào)向輸入端時，為高音增益提升，電路近似簡化，如圖-10(C)所示。因?yàn)殡娙軨3=C4在高音段的阻抗：XC3|f=20K=240 高音電位器向左調(diào)向輸入端，增益提升：Au-RA/(XC3+RW2) /RB/XC3 。同理，當(dāng)高音音調(diào)電位器向右調(diào)向輸右端時，電路近似簡化如圖-10（D）所示。高音增益為衰減。Au-(RB/(XC4 )/RA/(XC3+RW2) 。五、電路安裝、調(diào)試與測試1、電路布局與接線規(guī)則在面包電路實(shí)驗(yàn)板上安裝電路時，首先應(yīng)熟悉其結(jié)構(gòu)。確認(rèn)哪些孔眼是連通的，防止發(fā)生短路的事件。1.1、電路布局時應(yīng)安排好中心元器件（例如：集成塊大功率管）的位置，分單元電路安裝，可調(diào)

18、元件應(yīng)放置在合適的位置以方便調(diào)節(jié)。電路與外接儀器的連接端、測試端點(diǎn)要合理布置，便于操作。1.2、要充分利用面包板內(nèi)部的連線，盡量減少不必要的接線。要合理利用導(dǎo)線的不同顏色區(qū)分連線的功能。例如：紅色線接電源正極、黑色線接地、綠色線接電路的直流回路線、黃色線接交流回路線、藍(lán)色線聯(lián)接負(fù)電源的負(fù)極等。這樣檢查電路時就清晰明了。 2、音響放大電路的安裝電路安裝前，要先檢測三極管的好壞、電阻、電容的大小，根據(jù)設(shè)計的電路，正確連接元器件。電路安裝完成后，要用萬用表檢測電源極性連接是否正確，元器件之間的連接是否可靠。根據(jù)設(shè)計要求調(diào)節(jié)電壓源的電壓至規(guī)定值，一切正常后才能給待測電路通電調(diào)試。實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，最好采

19、用按功能模塊分別調(diào)試的分塊調(diào)試方法，首先調(diào)試用信號源的正弦信號對電路的工作狀態(tài)進(jìn)行測試，然后改變正弦信號頻率作音調(diào)電路調(diào)試，最后輸入信號源掃頻正弦信號用揚(yáng)聲器試聽、驗(yàn)收測試既用調(diào)制信號電壓的測試，又用話筒或MP3與揚(yáng)聲器試講、試聽。3、音響電路的調(diào)試3.1、調(diào)試前先對電路作直觀檢查。3.2、靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試時輸入端接地，用萬用表輸出端對地直流電壓，如果音響的話放、混放及音調(diào)電路均采用單電源運(yùn)放，則各運(yùn)放輸出端靜態(tài)直流電壓均為Vo=VCC/2。單電源的OTL功放的輸出端也為Vo=VCC/2。運(yùn)放驅(qū)動復(fù)合管功放電路靜態(tài)直流電流應(yīng)該很小，IO為幾毫安。如果電流過大，應(yīng)先檢查三極管管腳是否接錯？其次

20、檢查二極管是否接煩？最后檢查復(fù)合管的基極偏置電位器是否調(diào)得過大？3.3、動態(tài)檢查：在輸入端接入規(guī)定的信號，用示波器觀測各級輸出電壓大小及波形。如果實(shí)測值與要求值相差過大，則應(yīng)檢查電路連接是否正確，檢查元件參數(shù)是否滿足要求。3.4、怎樣消除電路級聯(lián)后可能產(chǎn)生的自激：各級電流都要流經(jīng)電源內(nèi)阻，內(nèi)阻壓降對某一級可能形成正反饋，可接入一組去耦合濾波電容，一般用幾百mF電解電容與0.1mF小電容相并聯(lián)。功放級輸出信號較大，對前級容易產(chǎn)生影響，引起自激；集成塊內(nèi)部電路多極點(diǎn)引起的正反饋易產(chǎn)生高頻自激現(xiàn)象；電感性揚(yáng)聲器也容易引起自激，通?？梢圆捎媒尤隦C電路均可消除自激，其中電阻R一般取幾歐姆，電容C可取0

21、.01微法。4、音響放大器的性能與參數(shù)測試4.1、音響放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：1）音響的額定功率：音響放大器輸出失真度小于某定值時的最大功率：Pom = Uom 2/RL = Iom 2*RL2）頻率響應(yīng)：放大器的電壓增益相對中頻(1KHz)的電壓增益下降3dB時(uo=0.707Uom)，對應(yīng)的高音頻/低音頻頻率(fH/fL).記錄頻率特性測量數(shù)據(jù)，做出頻率特性曲線。3）輸入阻抗:分別測量話放級輸入阻抗與MP3輸入阻抗。4）輸入靈敏度：音響放大器輸出額定功率時的輸入電壓有效值,測量方法可參考測量額定功率PO時，測量輸入信號電壓的方法。5）噪聲電壓：在輸入電壓ui=0且輸入端接地時，用毫伏表或示

22、波器采用交流耦合方式測量輸出電壓uo值。6）整機(jī)效率：指音響輸出額定功率Po比輸入電源功率Pc，即： =(Po/Pc)%其中Po：輸出額定功率；Pc：輸出額定功率時的輸入電源功率。4.2、音響放大器的主要參數(shù)測試1）話放電路與混放電路的測試：先將前置放大電路的輸入端接地，測量運(yùn)算放大電路的靜態(tài)電流IQ及輸出端靜態(tài)電壓UO，然后將信號源輸出的頻率f=1KHz電壓ui=50mv正弦信號接入運(yùn)放輸入端，測量運(yùn)算放大電路的電壓增益。填入表-1中。用兩級放大則應(yīng)增加一組測試記錄數(shù)據(jù)。表-1 前置放大電路測試表Vcc靜態(tài)值動態(tài)測試UO/VIQ/mAui/Vuo/VAu2）運(yùn)放驅(qū)動的復(fù)合功率管功率放大電路的

23、性能測量：功放電路輸入端接入1kHz信號電壓，調(diào)節(jié)復(fù)合管基極偏置電壓的電位器，消除輸出交越失真，然后斷開1kHz信號電壓，將功放電路輸入端接地，用萬用表直流電流檔，測量電源供給功放電路的靜態(tài)總電流IQ，測量運(yùn)放及各晶體管各極的靜態(tài)電壓及輸出端A點(diǎn)的靜態(tài)電壓UA，記錄在表-2中；保持已調(diào)好的功放的工作點(diǎn)不變，再次接入1KHz輸入信號，逐步提高信號電壓，并調(diào)節(jié)功放電路增益調(diào)節(jié)電位器Rf，使功放輸出為最大不失真電壓，測量功放輸出電壓Uom及功放輸出電流Iom，（因Iom >>功放靜態(tài)電流IQ，可采用直接讀出直流穩(wěn)壓電源顯示的輸出直流電流Im代替測量功放輸出電流Iom，）。計算運(yùn)放的輸入功

24、率Pc、輸出功率Pom及效率，記錄在表-2中。表- 2 分立元件功放電路的測試數(shù)據(jù)表 f =1khz靜態(tài)測量 ui=0動態(tài)測量負(fù)載測量 RL=10IQ/mAUb1/VUb2/VUe1/VUe2/VUA/VUi/VUom/VAuVCC/VIom/mAUom/VPom/WPC/W3）音響的頻率響應(yīng)的測量：音響放大器的在負(fù)載條件下，調(diào)節(jié)輸入信號頻率f，使音響的輸出電壓增益相對中頻(1kHz)的電壓增益下降3dB時(即uo=0.707uo)，對應(yīng)的高音頻/低音頻頻率(fH/fL)。自擬表格，記錄頻率特性測量數(shù)據(jù)，做出音響頻率特性曲線。4）音響放大器的音調(diào)控制特性的測試（選作）音響放大器的音調(diào)控制特性及

25、其測量方法：輸入信號ui (=100mV)從音調(diào)控制級輸入端的耦合電容加入，輸出信號u0從輸出端的耦合電容引出。先測1kHz處的電壓增益Au0,(設(shè)定指標(biāo)為Au0=0dB)。再分別測低頻特性和高頻特性。測量低頻音調(diào)特性：將高音電位器居中，將低電位器RP1滑臂分別置于最左端和最右端，改變信號頻率從20Hz至1kHz記下對應(yīng)的電壓增益。測量高頻音調(diào)特性：則將高音電位器居中，將RP2的滑臂分別置于最左端和最右端，頻率從1kHz至30kHz變化，記下對應(yīng)的電壓增益。最后繪制音調(diào)控制特性曲線，并標(biāo)注與fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等頻率對應(yīng)的電壓增益。 音調(diào)控制特性的測量,按6.2所述測量步驟進(jìn)行并將測量數(shù)據(jù)記錄在表-3中。表-3音調(diào)控制特性測量數(shù)據(jù)表 ui=100mv測量頻率點(diǎn)fL1fL2fofH2fH1調(diào)輸入頻率/hz301k10k低頻提升高頻衰減音調(diào)電位器低音調(diào)向輸入端中端高音調(diào)向輸出端uo/v140mv100mv71mvAu/dB30-3低頻衰減高頻提升音調(diào)電位器低音調(diào)向輸出端中端高音調(diào)向輸入端uo/v71mv100mv140mvAu/dB-303