4音響放大器設計_電子線路設計與測試桂電模電實

1、第七節(jié) 音響放大器設計 學習要求 了解集成功率放大器內部電路工作原理, 掌握其外圍電路的設計與主要性能參數的測試方法； 掌握音響放大器的設計方法與電子線路系統(tǒng)的裝調技術。 1一、音響放大器的根本組成 話筒的輸出信號一般只有5mV左右,而輸出阻抗到達20k(亦有低輸出阻抗的話筒如20,200等)話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率到達10kHz)。其輸入阻抗應遠大于話筒的輸出阻抗。電子混響器是用電路模擬聲音的屢次反射,產生混響效果,使聲音聽起來具有一定的深度感和空間立體感。將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大 。主要是控制、調節(jié)音響放大器的幅頻特性給音響放大器的負

2、載RL(揚聲器)提供一定的輸出功率。21. 話音放大器 由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右,而輸出阻抗到達20k(亦有低輸出阻抗的話筒如20,200等),所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率到達10kHz)。其輸入阻抗應遠大于話筒的輸出阻抗。3AVF=1+RFR2Ri = R1 （R1一般取幾十千歐。） 耦合電容C1、C3可根據交流放大器的下限頻率fL來確定,一般取 C1 = C3 = (310）12RLfL反響支路的隔直電容C2一般取幾微法。 42. 混合前置放大器 混合前置放大器的作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大 。RFR1 VO= V1RF

3、R2V2)V1為話筒放大器輸出電壓；V2為放音機輸出電壓。 5音響放大器的性能主要由音調控制器與功率放大器決定,下面詳細介紹這兩級電路的工作原理及其設計方法。 63、音調控制器主要是控制、調節(jié)音響放大器的幅頻特性 f0（等于1kHz）表示中音頻率,要求增益AV0=0dB fL1表示低音頻轉折頻率,一般為幾十赫茲 fL2(等于10fL1)表示低音頻區(qū)的中音頻轉折頻率 fH1表示高音頻區(qū)的中音頻轉折頻率 fH2(等于10fH1)表示高音頻轉折頻率,一般為幾十千赫茲 音調控制器只對低音頻與高音頻的增益進行提升與衰減,中音頻的增益保持0dB不變。因此,音調控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成。

4、7 音調控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成設電容C1=C2C3,在中、低音頻區(qū),C3可視為開路,作為低通濾波器；在中、高音頻區(qū),C1、C2可視為短路,作為高通濾波器。 8當ff0時 當RP1的滑臂在最左端低頻時,對應于提升最大的情況 9當ff0時 當RP1滑臂在最右端時,對應于低頻衰減最大的情況 10當ff0時 分析說明,圖(a)所示電路是一個一階有源低通濾波器,其增益函數的表達式為 (3-7-2) 式中, 11當ff0時 當ffL1時,C2可視為開路,運算放大器的反向輸入端視為虛地,R4的影響可以忽略,此時電壓增益 12當ff0時 在f=fL1時,因為fL2 =10fL1 ,故可由式

5、模 此時電壓增益相對AVL下降3dB。 得13當ff0時 在f=fL2時,由式(3-7-2)得模 此時電壓增益相對AVL下降17dB。 14當f f0時 音調控制器的高頻等效電路如下圖 C1、C2可視為短路,作為高通濾波器。16當f f0時 將C1、C2視為短路,R4與R1、R2組成星形連接,將其轉換成三角形連接后的電路如下圖 假設取R1=R2=R4,則Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R417當f f0時 圖(a)為RP2的滑臂在最左端時,對應于高頻提升最大的情況 (a)18當f f0時 圖(b)為RP2的滑臂在最右端時,對應于高頻衰減最大的情況 (b)19當f f0時

6、 分析說明,圖(a)所示電路為一階有源高通濾波器,其增益函數的表達式為 式中, 20當f f0時 當ffH1（ f0時在f=fH2時,此時電壓增益AV4相對于AV0提升了17dB。 22當f f0時當f fH2時,3視為短路,此時電壓增益 AVH = (RaR3)/R3 23當f f0時 同理可以得出圖(b)所示電路的相應表達式,其增益相對于中頻增益為衰減量。24實際應用中 通常先提出對低頻區(qū)fLx處和高頻區(qū)fHx處的提升量或衰減量x(dB),再根據下式求轉折頻率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即 254、功率放大器 功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負載RL(揚聲器)提供一

7、定的輸出功率。當負載一定時,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。 26(1) LA4100 LA4102集成音頻功放 27(2) 集成功放的典型應用 圖3.7.13 LA4100接成OTL電路 28(2) 集成功放的典型應用-外部元件的作用 RF、CF與內部電阻R11組成交流負反響支路,控制功放級的電壓增益AVF,即 CB為相位補償電容。CB減小,帶寬增加,可消除高頻自激。CB一般取幾十皮法至幾百皮法。 29 CC為OTL電路的輸出端電容,兩端的充電電壓等于VCC/2,CC一般取耐壓值遠大于VCC/2的幾百微法的電容。 CD為反響電容,消除自激振蕩,CD一般取

8、幾百皮法。 30 CH為自舉電容,使復合管T12、T13的導通電流不隨輸出電壓的升高而減小。 C3、C4可濾除紋波,一般取幾十微法至幾百微法。 C2為電源退耦濾波,可消除低頻自激。 31二、音響放大器主要技術指標及測試方法 32 額定功率 音響放大器輸出失真度小于某一數值(如5%)時的最大功率稱為額定功率。其表達式為 式中,RL為額定負載阻抗；Vo(有效值)為RL兩端的最大不失真電壓。Vo常用來選定電源電壓VCC 33 額定功率測量Po的條件如下： 信號發(fā)生器的輸出信號(音響放大器的輸入信號)的頻率fi=1kHz,電壓Vi=5mV,音調控制器的兩個電位器RP1、RP2置于中間位置,音量控制電位

9、器置于最大值,用雙蹤示波器觀測vi及vo的波形,失真度測量儀監(jiān)測vo的波形失真。 注意 在最大輸出電壓測量完成后應迅速減小Vi,否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。 34 額定功率測量Po的步驟是： 功率放大器的輸出端接額定負載電阻RL(代替揚聲器),逐漸增大輸入電壓Vi,直到vo的波形剛好不出現削波失真(或3%),此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓,由式(3-7-22)即可算出額定功率Po。 35 音調控制特性 輸入信號vi (=100mV)從音調控制級輸入端的耦合電容參加,輸出信號v0從輸出端的耦合電容引出。先測1kHz處的電壓增益Av0(Av0=0dB),再分別測低頻特性和高頻特性。 3

10、6 音調控制特性 同樣,測高頻特性是將RP2的滑臂分別置于最左端和最右端,頻率從1kHz至50kHz變化,記下對應的電壓增益。 最后繪制音調控制特性曲線,并標注與fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等頻率對應的電壓增益。 37 頻率響應 放大器的電壓增益相對于中音頻fo(1kHz)的電壓增益下降3dB時對應低音頻截止頻率fL和高音頻截止頻率fH,稱fL fH為放大器的頻率響應。 測量條件同上,調節(jié)RP3使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%。 38 頻率響應 測量步驟是： 音響放大器的輸入端接vi (等于5mV),RP1和RP2置于最左端,使信號發(fā)生器的輸出頻率fi從20

11、Hz至50kHz變化(保持vi=5mV不變),測出負載電阻RL上對應的輸出電壓Vo,用半對數坐標紙繪出頻率響應曲線,并在曲線上標注fL與fH值。 39 輸入阻抗 將從音響放大器輸入端(話音放大器輸入端)看進去的阻抗稱為輸入阻抗Ri。 如果接高阻話筒,則Ri應遠大于20k。接電唱機,Ri應遠大于500k。 Ri的測量方法與放大器的輸入阻抗測量方法相同。 40 輸入靈敏度 使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓(有效值)稱為輸入靈敏度Vs。 測量條件與額定功率的測量相同,測量方法是,使Vi從零開始逐漸增大,直到Vo到達額定功率值時所對應的電壓值,此時對應的Vi值即為輸入靈敏度。 41 噪聲電壓

12、音響放大器的輸入為零時,輸出負載RL上的電壓稱為噪聲電壓VN。 測量條件同上,測量方法是,使輸入端對地短路,音量電位器為最大值,用示波器觀測輸出負載RL兩端的電壓波形,用交流毫伏表測量其有效值。 42 整機效率 式中,Po為輸出的額定功率；PC為輸出額定功率時所消耗的電源功率。 43三、設計舉例 例 設計一音響放大器,要求具有音調輸出控制、卡拉OK伴唱,對話筒與錄音機的輸出信號進行擴音。 44 已知條件 +VCC = +9V,話筒(低阻20)的輸出電壓為5mV,錄音機的輸出信號電壓為100mV。電子混響延時模塊1個,集成功放LA4102 1只,8/2W負載電阻RL 1只,8/4W揚聲器1只,集

13、成運放LM324 1只（或mA741 3只）。 45 主要技術指標 額定功率 Po1W( 20。 46設計過程 確定整機電路的級數 根據各級的功能及技術指標要求分配電壓增益 分別計算各級電路參數,通常從功放級開始向前級逐級計算 47設計過程 根據技術指標要求,音響放大器的輸入為5mV時,輸出功率大于1W,則輸出電壓Vo=2.8V?？傠妷涸鲆鍭v=Vo/Vi560倍(55dB)。 48(1) 功率放大器設計 功放級的電壓增益 R11=20K49(1) 功率放大器設計 如果出現高頻自激(輸出波形上疊加有毛刺),可以在13腳與14腳之間加0.15F的電容,或減小CD的值。 50(2) 音調控制器(含

14、音量控制)設計51(2) 音調控制器(含音量控制)設計 已知fLx=100Hz,fHx=10kHz,x=12dB。 由式(3-7-16)、(3-7-17)得到轉折頻率fL2及fH1； fL2 = fLx *2x/6=400Hz,則fL1 =fL2/10=40Hz ； fH1 = fHx /2x/6=2.5kHz ,則fH2= 10fH1=25kHz 。 52(2) 音調控制器(含音量控制)設計 由式(3-7-5)得AVL=(RP31+R32)/R3120dB。其中,R31、R32、RP31不能取得太大,否則運放漂移電流的影響不可忽略,但也不能太小,否則流過它們的電流將超出運放的輸出能力。一般取

15、幾千歐姆至幾百千歐姆。現取RP31=470k,R31=R32=47k,則 53(2) 音調控制器(含音量控制)設計 由式(3-7-3)得 取標稱值0.01F,即C31=C32=0.01F。 由式(3-7-9)得 R34=R31=R32=47k ,則 Ra=3R4=141k 54(2) 音調控制器(含音量控制)設計 由式(3-7-15)得 R33=Ra/10=14.1k 取標稱值13k由式(3-7-12)得 取標稱值470pF 取RP32=RP31=470k,RP33=10k,級間耦合與隔直電容C34=C35=10F。 55(3) 話音放大器與混合前置放大器設計 56(3) 話音放大器與混合前置

16、放大器設計 圖3.7.18所示電路由話音放大與混合前置放大兩級電路組成。其中A1組成同相放大器,具有很高的輸入阻抗,能與高阻話筒配接作為話音放大器電路,其放大倍數 57四、電路安裝與調試技術 581. 合理布局,分級裝調 音響放大器是一個小型電路系統(tǒng),安裝前要對整機線路進行合理布局,一般按照電路的順序一級一級地布線,功放級應遠離輸入級,每一級的地線盡量接在一起,連線盡可能短,否則很容易產生自激。 591. 合理布局,分級裝調 安裝前應檢查元器件的質量,安裝時特別要注意功放塊、運算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性,不能接錯。從輸入級開始向后級安裝,也可以從功放級開始向前逐級安裝。安裝一級調

17、試一級,安裝兩級要進行級聯(lián)調試,直到整機安裝與調試完成。 602. 電路調試技術 電路的調試過程一般是先分級調試,再級聯(lián)調試,最后進行整機調試與性能指標測試。 612. 電路調試技術 分級調試又分為靜態(tài)調試與動態(tài)調試。 靜態(tài)調試時,將輸入端對地短路,用萬用表測該級輸出端對地的直流電壓。話放級、混合級、音調級都是由運算放大器組成的,其靜態(tài)輸出直流電壓均為VCC/2,功放級的輸出(OTL電路)也為VCC/2,且輸出電容CC兩端充電電壓也應為VCC/2。 動態(tài)調試是指輸入端接入規(guī)定的信號,用示波器觀測該級輸出波形,并測量各項性能指標是否滿足題目要求,如果相差很大,應檢查電路是否接錯,元器件數值是否符

18、合要求,否則是不會出現很大偏差的。 622. 電路調試技術 單級電路調試時的技術指標較容易到達,但進行級聯(lián)時,由于級間相互影響,可能使單級的技術指標發(fā)生很大變化,甚至兩級不能進行級聯(lián)。產生的主要原因： 一是布線不太合理,形成級間交叉耦合,應考慮重新布線； 二是級聯(lián)后各級電流都要流經電源內阻,內阻壓降對某一級可能形成正反響,應接RC去耦濾波電路。R一般取幾十歐姆,C一般用幾百微法大電容與0.1F小電容相并聯(lián)。 632. 電路調試技術 由于功放級輸出信號較大,對前級容易產生影響,引起自激。集成塊內部電路多極點引起的正反響易產生高頻自激,常見高頻自激現象如圖3.7.19所示。 可以加強外部電路的負反響予以抵消,如功放級腳與之間接入幾百皮法的電容,形成電壓并聯(lián)負反響,可消除疊加的高頻毛刺。 642. 電路調試技術 常見的低頻自激現象是電源電流表有規(guī)則地左右擺動,或輸出波形上下抖動。 產生的主要原因是輸出信號通過電源及地線產生了正反響?？梢酝ㄟ^接入R