實(shí)驗(yàn)11-音響放大器設(shè)計(jì)

第七節(jié)音響放大器設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)要求

了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理，掌握其外圍電路的設(shè)計(jì)與主要性能參數(shù)的測試方法；掌握音響放大器的設(shè)計(jì)方法與電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)。

一、音響放大器的基本組成話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20kΩ(亦有低輸出阻抗的話筒如20Ω，200Ω等)話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達(dá)到10kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。電子混響器是用電路模擬聲音的多次反射，產(chǎn)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(jī)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(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性給音響放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。1.話音放大器

由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20kΩ(亦有低輸出阻抗的話筒如20Ω，200Ω等)，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達(dá)到10kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。AVF=1+RFR2Ri=R1（R1一般取幾十千歐。）

耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定，一般取C1=C3=(3～10）12RLfL反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。2.混合前置放大器

混合前置放大器的作用是將磁帶放音機(jī)輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大。RFR1VO=－V1＋RFR2V2)V1為話筒放大器輸出電壓；V2為放音機(jī)輸出電壓。

音響放大器的性能主要由音調(diào)控制器與功率放大器決定，下面詳細(xì)介紹這兩級電路的工作原理及其設(shè)計(jì)方法。3、音調(diào)控制器主要是控制、調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)折頻率

fH1表示高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率

fH2(等于10fH1)表示高音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫茲

音調(diào)控制器只對低音頻與高音頻的增益進(jìn)行提升與衰減，中音頻的增益保持0dB不變。因此，音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。

音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成設(shè)電容C1=C2>>C3，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。

①當(dāng)f<f0時(shí)

當(dāng)RP1的滑臂在最左端低頻時(shí)，對應(yīng)于提升最大的情況

①當(dāng)f<f0時(shí)當(dāng)RP1滑臂在最右端時(shí)，對應(yīng)于低頻衰減最大的情況①當(dāng)f<f0時(shí)

分析表明，圖(a)所示電路是一個(gè)一階有源低通濾波器，其增益函數(shù)的表達(dá)式為

(3-7-2)

式中，

①當(dāng)f<f0時(shí)當(dāng)f<fL1時(shí)，C2可視為開路，運(yùn)算放大器的反向輸入端視為虛地，R4的影響可以忽略，此時(shí)電壓增益

①當(dāng)f<f0時(shí)在f=fL1時(shí)，因?yàn)閒L2=10fL1，故可由式模

此時(shí)電壓增益相對AVL下降3dB。得①當(dāng)f<f0時(shí)在f=fL2時(shí)，由式(3-7-2)得模

此時(shí)電壓增益相對AVL下降17dB。①當(dāng)f<f0時(shí)

同理可以得出圖(b)所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對于中頻增益為衰減量。

②當(dāng)f>f0時(shí)音調(diào)控制器的高頻等效電路如圖所示

C1、C2可視為短路，作為高通濾波器。②當(dāng)f>f0時(shí)

將C1、C2視為短路，R4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所示若取R1=R2=R4，則Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4②當(dāng)f>f0時(shí)RP2的滑臂在最左端時(shí)，對應(yīng)于高頻提升最大的情況,等效電路見圖(a)(a)②當(dāng)f>f0時(shí)RP2的滑臂在最右端時(shí)，對應(yīng)于高頻衰減最大的情況，等效電路見圖(b)。(b)②當(dāng)f>f0時(shí)

分析表明，圖(a)所示電路為一階有源高通濾波器，其增益函數(shù)的表達(dá)式為

式中，

②當(dāng)f>f0時(shí)當(dāng)f<fH1（<3）時(shí)，C3視為開路，此時(shí)電壓增益AV0=-1(0dB)。

在f=fH1時(shí),因fH2=10fH1由此時(shí)電壓增益AV3相對于AV0提升了3dB。

得②當(dāng)f>f0時(shí)在f=fH2時(shí),此時(shí)電壓增益AV4相對于AV0提升了17dB。

②當(dāng)f>f0時(shí)當(dāng)f

fH2時(shí)，Ｃ3視為短路，此時(shí)電壓增益

AVH=(Ra＋R3)/R3

②當(dāng)f>f0時(shí)

同理可以得出圖(b)所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對于中頻增益為衰減量。(b)實(shí)際應(yīng)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(jù)下式求轉(zhuǎn)折頻率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即4、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(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，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。

(1)LA4100~LA4102集成音頻功放(2)集成功放的典型應(yīng)用圖3.7.13LA4100接成OTL電路

(2)集成功放的典型應(yīng)用--外部元件的作用

①RF、CF與內(nèi)部電阻R11組成交流負(fù)反饋支路，控制功放級的電壓增益AVF，即

②CB為相位補(bǔ)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。

③CC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(yuǎn)大于VCC/2的幾百微法的電容。

④CD為反饋電容，消除自激振蕩，CD一般取幾百皮法。

⑤CH為自舉電容，使復(fù)合管T12、T13的導(dǎo)通電流不隨輸出電壓的升高而減小。

⑥C3、C4可濾除紋波，一般取幾十微法至幾百微法。

⑦C2為電源退耦濾波，可消除低頻自激。二、音響放大器主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法

額定功率

音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(如<5%)時(shí)的最大功率稱為額定功率。其表達(dá)式為

式中，RL為額定負(fù)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

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(diào)控制器的兩個(gè)電位器RP1、RP2置于中間位置，音量控制電位器置于最大值，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(yīng)迅速減小Vi，否則會(huì)因測量時(shí)間太久而損壞功率放大器。

額定功率測量Po的步驟是：功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)，逐漸增大輸入電壓Vi，直到vo的波形剛好不出現(xiàn)削波失真(或<3%)，此時(shí)對應(yīng)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。

音調(diào)控制特性

輸入信號vi(=100mV)從音調(diào)控制級輸入端的耦合電容加入，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。

音調(diào)控制特性測低頻特性的方法：將RP1的滑臂分別置于最左端和最右端時(shí)，頻率從20Hz至1kHz變化，記下對應(yīng)的電壓增益。

音調(diào)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(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。

頻率響應(yīng)

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(shí)對應(yīng)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(yīng)。測量條件同上，調(diào)節(jié)RP3使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%。

頻率響應(yīng)

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20Hz至50kHz變化(保持vi=5mV不變)，測出負(fù)載電阻RL上對應(yīng)的輸出電壓Vo，用半對數(shù)坐標(biāo)紙繪出頻率響應(yīng)曲線，并在曲線上標(biāo)注fL與fH值。

輸入阻抗

將從音響放大器輸入端(話音放大器輸入端)看進(jìn)去的阻抗稱為輸入阻抗Ri。如果接高阻話筒，則Ri應(yīng)遠(yuǎn)大于20k。接電唱機(jī)，Ri應(yīng)遠(yuǎn)大于500k。

Ri的測量方法與放大器的輸入阻抗測量方法相同。

輸入靈敏度

使音響放大器輸出額定功率時(shí)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達(dá)到額定功率值時(shí)所對應(yīng)的電壓值，此時(shí)對應(yīng)的Vi值即為輸入靈敏度。

噪聲電壓

音響放大器的輸入為零時(shí)，輸出負(fù)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(fù)載RL兩端的電壓波形，用交流毫伏表測量其有效值。

整機(jī)效率

式中，Po為輸出的額定功率；PC為輸出額定功率時(shí)所消耗的電源功率。三、設(shè)計(jì)舉例例設(shè)計(jì)一音響放大器，要求具有音調(diào)輸出控制、卡拉OK伴唱，對話筒與錄音機(jī)的輸出信號進(jìn)行擴(kuò)音。

已知條件

+VCC=+9V，話筒(低阻20)的輸出電壓為5mV，錄音機(jī)的輸出信號電壓為100mV。電子混響延時(shí)模塊1個(gè)，集成功放LA41021只，8/2W負(fù)載電阻RL1只，8/4W揚(yáng)聲器1只，集成運(yùn)放LM3241只（或mA7413只）。

主要技術(shù)指標(biāo)

額定功率Po≥1W(

<3%)；負(fù)載阻抗RL=8；截止頻率fL=40Hz，fH=10kHz；音調(diào)控制特性1kHz處增益為0dB，100Hz和10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH≥20dB；話放級輸入靈敏度5mV；輸入阻抗Ri>>20。

設(shè)計(jì)過程確定整機(jī)電路的級數(shù)根據(jù)各級的功能及技術(shù)指標(biāo)要求分配電壓增益分別計(jì)算各級電路參數(shù)，通常從功放級開始向前級逐級計(jì)算設(shè)計(jì)過程根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，音響放大器的輸入為5mV時(shí)，輸出功率大于1W，則輸出電壓Vo>=2.8V?？傠妷涸鲆鍭vΣ=Vo/Vi>560倍(55dB)。(1)功率放大器設(shè)計(jì)功放級的電壓增益

R11=20K(1)功率放大器設(shè)計(jì)如果出現(xiàn)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。

(2)音調(diào)控制器(含音量控制)設(shè)計(jì)(2)音調(diào)控制器(含音量控制)設(shè)計(jì)已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。由式(3-7-16)、(3-7-17)得到轉(zhuǎn)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。

(2)音調(diào)控制器(含音量控制)設(shè)計(jì)由式(3-7-5)得AVL=(RP31+R32)/R31≥20dB。其中，R31、R32、RP31不能取得太大，否則運(yùn)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(yùn)放的輸出能力。一般取幾千歐姆至幾百千歐姆?，F(xiàn)取RP31=470k，R31=R32=47k，則

(2)音調(diào)控制器(含音量控制)設(shè)計(jì)由式(3-7-3)得

取標(biāo)稱值0.01F，即C31=C32=0.01F。

由式(3-7-9)得R34=R31=R32=47k，則Ra=3R4=141k

(2)音調(diào)控制器(含音量控制)設(shè)計(jì)由式(3-7-15)得

R33=Ra/10=14.1k取標(biāo)稱值13k由式(3-7-12)得

取標(biāo)稱值470pF

取RP32=RP31=470k，RP33=10k，級間耦合與隔直電容C34=C35=10F。

(3)話音放大器與混合前置放大器設(shè)計(jì)(3)話音放大器與混合前置放大器設(shè)計(jì)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(shù)

四、電路安裝與調(diào)試技術(shù)1.合理布局，分級裝調(diào)音響放大器是一個(gè)小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機(jī)線路進(jìn)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(yīng)遠(yuǎn)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(chǎn)生自激。

1.合理布局，分級裝調(diào)

安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時(shí)特別要注意功放塊、運(yùn)算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性，不能接錯(cuò)。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(diào)試一級，安裝兩級要進(jìn)行級聯(lián)調(diào)試，直到整機(jī)安裝與調(diào)試完成。2.電路調(diào)試技術(shù)

電路的調(diào)試過程一般是先分級調(diào)試，再級聯(lián)調(diào)試，最后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試與性能指標(biāo)測試。

2.電路調(diào)試技術(shù)分級調(diào)試又分為靜態(tài)調(diào)試與動(dòng)態(tài)調(diào)試。

靜態(tài)調(diào)試時(shí)，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(diào)級都是由運(yùn)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(yīng)為VCC/2。

動(dòng)態(tài)調(diào)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(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足題目要求，如果相差很大，應(yīng)檢查電路是否接錯(cuò)，元器件數(shù)值是否合乎要求，否則是不會(huì)出現(xiàn)很大偏差的。

2.電路調(diào)試技術(shù)單級電路調(diào)試時(shí)的技術(shù)指標(biāo)較容易達(dá)到，但進(jìn)行級聯(lián)時(shí)，由于級間相互影響，可能使單級的技術(shù)指標(biāo)發(fā)生很大變化，甚至兩級不能進(jìn)行級聯(lián)。產(chǎn)生的主要原因：

一是布線不太合理，形成級間交叉耦合，應(yīng)考慮重新布線；

二是級聯(lián)后各級電流都要流經(jīng)電源內(nèi)阻，內(nèi)阻壓降對某一級可能形成正反饋，應(yīng)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)。

2.電路調(diào)試技術(shù)由于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，常見高頻自激現(xiàn)象如圖3.7.19所示。

可以加強(qiáng)外部電路的負(fù)反饋予以抵消，如功放級①腳與⑤之間接入幾百皮法的電容，形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，可消除疊加的高頻毛刺。

2.電路調(diào)試技術(shù)常見的低頻自激現(xiàn)象是電源電流表有規(guī)則地左右擺動(dòng)，或輸出波形上下抖動(dòng)。產(chǎn)生的主要原因是輸出信號通過電源及地線產(chǎn)生了正反饋?？梢酝ㄟ^接入RC去耦濾波電路消除。

2.電路調(diào)試技術(shù)為滿足整機(jī)電路指標(biāo)要求，可以適當(dāng)修改單元電路的技術(shù)指標(biāo)。圖3.7.20為設(shè)計(jì)舉例整機(jī)實(shí)驗(yàn)電路圖，與單元電路設(shè)計(jì)值相比較，有些參數(shù)進(jìn)行了較大的修改。

3.整機(jī)功能試聽用8/4W的揚(yáng)聲器代替負(fù)載電阻RL，可進(jìn)行以下功能試聽：

話音擴(kuò)音將低阻話筒接話音放大器的輸入端。應(yīng)注意，揚(yáng)聲器輸出的方向與話筒輸入的方向相反，否則揚(yáng)聲器的輸出聲音經(jīng)話筒輸入后，會(huì)產(chǎn)生自激嘯叫。講話時(shí)，揚(yáng)聲器傳出的聲音應(yīng)清晰，改變音量電位器，可控制聲音大小。

電子混響效果將電子混響器模塊按圖3.7.20接入。用手輕拍話筒一次，揚(yáng)聲器發(fā)出多次重復(fù)的聲音，微調(diào)時(shí)鐘頻率，可以改變混響延時(shí)時(shí)間，以改善混響效果。

音樂欣賞將錄音機(jī)輸出的音樂信號，接入混合前置放大器，改變音調(diào)控制級的高低音調(diào)控制電位器，揚(yáng)聲器的輸出音調(diào)發(fā)生明顯變化。

卡拉OK伴唱錄音機(jī)輸出卡拉OK磁帶歌曲，手握話筒伴隨歌曲歌唱，適當(dāng)控制話音放大器與錄音機(jī)輸出的音量電位器，可以控制歌唱音量與音樂音量之間的比例，調(diào)節(jié)混響延時(shí)時(shí)間可修飾、改善唱歌的聲音。

整機(jī)框圖設(shè)計(jì)任務(wù)P123功能要求具有話筒擴(kuò)音、音調(diào)控制、音量控制等功能。已知條件

集成功率放大器LA41021只，高阻話筒20kΩ1個(gè)，其輸出信號為5mV，集成運(yùn)算放大器mA7412只，10Ω/2W負(fù)載電阻1只，8Ω/4W揚(yáng)聲器1只，電源電壓：話放、音調(diào)級為±9V

功放級＋９Ｖ

七、設(shè)計(jì)任務(wù)主要技術(shù)指標(biāo)額定功率Po≥0.3W