音響放大器課程設(shè)計與制作-模電課程設(shè)計,畢業(yè)設(shè)計說明書

/課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目:音響放大器設(shè)計與制作初始條件：集成芯片LM324三塊,LM386一塊,瓷片電容,電解電容,電位器若干,4Ω/0.5W揚聲器一個。要求完成的主要任務(wù):〔1技術(shù)指標如下：a．輸出功率：0.5W；b．負載阻抗：4歐姆；c．頻率響應(yīng)：fL~fH=50Hz~20KHz；d．輸入阻抗：>20K歐姆；e．整機電壓增益：>50dB；〔2電路要求有獨立的前置放大級〔放大話筒信號。〔3電路要求有獨立的功率放大級。時間安排：2016年1月10日查資料2016年1月11,12日設(shè)計電路2016年1月13日仿真2016年1月14日,15日實物調(diào)試2016年1月16日答辯指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任〔或責(zé)任教師簽名：年月日目錄摘要3Abstract4１電路方案的比較與論證51.1音響放大器的總設(shè)計51.2放大電路的比較與論證51.3音頻功率放大電路的比較與論證62核心元器件介紹72.1LM324的介紹72.2LM386的介紹93電路設(shè)計103.1直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計103.2話音放大器113.3混合前置放大器113.4音調(diào)控制器123.5功率放大電路的設(shè)計173.6總電路圖184用Multisim進行仿真184.1話放與混放性能測試184.2單獨功放性能測試204.3整體性能測試204.4仿真結(jié)果分析225音響放大器的技術(shù)指標的測試235.1相關(guān)性能參數(shù)的測量235.2整機信號試聽245.3實物調(diào)試24心得與體會25參考文獻26附件1：電路原理圖27附件2：元件清單28附件3：實物圖29附件4：本科生課程設(shè)計成績評定表30摘要本文介紹了音響的構(gòu)成、功能、及工作原理,音響放大器所需要設(shè)計的電路為話音放大器,混合前置放大器,音調(diào)控制器及功率放大器。話音放大器的作用是不失真的放大聲音信號。其輸入阻抗應(yīng)遠大于話筒的輸出阻抗；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,因此音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器組成。關(guān)鍵詞：音響放大器；話放級；混合前置放大器,音調(diào)控制級；功放級。AbstractThispaperintroducesthestructure,functionandworkingprincipleofthesoundsystem,andthedesignofthecircuitisthevoiceamplifier,thehybridpreamplifier,thepitchcontrollerandthepoweramplifier.Thefunctionofthevoiceamplifieristoamplifythesoundsignalwithoutdistortion.Theinputimpedanceshouldbefargreaterthantheoutputimpedanceofthemicrophone;pitchcontrollerismainlycontrollingandregulatingtheamplitudefrequencycharacteristicsoftheaudioamplifier,sothetonecontrolcircuitcanbecomposedofalowpassfilterandhighpassfilter.Keywords:Audioamplifier;audioamplifier;hybridpreamplifier,pitchcontrollevel;poweramplifier.１電路方案的比較與論證1.1音響放大器的總設(shè)計首先確定整機電路的級數(shù),再根據(jù)各級的功能及技術(shù)指標要求分配電壓增益,然后分別計算各級電路參數(shù),通常從功放級開始向前級逐級計算。根據(jù)本設(shè)計要求,輸入信號為5mv,負載為4Ω/0.5W的揚聲器,因此電路系統(tǒng)的總電壓增益Av=316<50dB>。各級分配如下圖。功放級增益由集成功放塊決定,取Av4=20<26dB>,音調(diào)控制級在f=1KHZ時,增益應(yīng)為<0dB>,但實際電路有可能產(chǎn)生衰減,取Av3=0.8<-2dB>。話放級與混合級一般采用運算放大器,但會受到增益帶寬積得限制,各級增益不宜太大,取Av1=8.5<26dB>,Av

2=3〔9.5dB>?？梢酝ㄟ^控制滑動變阻器來控制輸出,上述分配方案還可在實驗中適當(dāng)變動。功放級功放級音調(diào)級混合級話放級AV1=8.518.5dBAV2=39.5dBAV3=0.8-2dBAV4=2026dB5mv125mv42mv100mv2.0V圖1.1.1增益分配示意圖1.2放大電路的比較與論證方案一：采用uA741運算放大器設(shè)計電路,uA741通用高增益運算通用放大器,早些年最常用的運放之一,應(yīng)用非常廣泛,為雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓±22V,差分電壓±30V,輸入電壓±18V,允許功耗500mW。方案二：采用LM324通用四運算放大器,雙列直插8腳封裝,內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,四組運放相互獨立。它有5個引出腳,其中"+"、"-"為兩個信號輸入端,"V+"、"V-"為正、負電源端,"Vo"為輸出端。兩個信號輸入端中Vi-〔-為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+〔+為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。方案選?。簎A741是通用放大器,性能不是很好,滿足一般需求,而LM324四運放大器具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉等優(yōu)點。本設(shè)計放大倍數(shù)不高,LM324能達到頻響要求,故選用LM324四運放大器。1.3音頻功率放大電路的比較與論證方案一：采用SL34集成功率放大器,SL34是低電壓集成音頻功放,功耗低、失真小,工作電壓為6V,8負載時,輸出功率在300mW以上。主要用于收音機及其它功放。方案二：TDA2030芯片所組成的功放電路,它是一款輸出功率大,最大功率到達35W左右,靜態(tài)電流小,負載能力強,動態(tài)電流大既可帶動4-16Ω的揚聲器,電路簡潔,制作方便、性能可靠的高保真功放,并具有內(nèi)部保護電路。方案三：LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。LM386電源電壓4--12V,音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的,它的電源電壓范圍非常寬,最高可使用到15V,消耗靜態(tài)電流為4mA,當(dāng)電源電壓為12V時,在8歐姆的負載情況下,可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。方案選取：本課題要求音響放大器的額定功率在0.5w,然而TDA2030輸出功率太大,故選用LM386。頻率響應(yīng)fL～fH＝50Hz～20kHz；而單電源供電音頻功率放大器已經(jīng)達到所需要的目標。并且它較少元件組成單聲道音頻放大電路、裝置調(diào)整方便、性能指標好等特點。而BTL電路雖然也有以上的功能,但制作復(fù)雜,不利于維修。2核心元器件介紹2.1LM324的介紹LM324引腳圖簡介：LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比,它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下,靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源,因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中"+"、"-"為兩個信號輸入端,"V+"、"V-"為正、負電源端,"Vo"為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-〔-為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+〔+為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。實物如圖2.1.1,LM324的引腳排列見圖。圖2.1.1LM324LM324的特點：1.短跑保護輸出。2.真差動輸入級。3.可單電源工作：3V-32V。4.低偏置電流：最大100nA。5.每封裝含四個運算放大器。6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴展到負電源。8.行業(yè)標準的引腳排列。9.輸入端具有靜電保護功能。典型原理圖〔所示為電路的四分之一LM324系列采用兩個內(nèi)部補償,二級運算放大器,每個運放的第一級由帶輸入緩沖晶體管Q21和Q17的差動輸入器件Q20和Q18,以及差動到單端轉(zhuǎn)換器Q3和Q4。第一級不僅完成第一級增益的功能,而且要完成電平移動和減小跨導(dǎo)的功能。由于跨導(dǎo)的減小,僅需使用一個較小的補償電容〔僅0.5pF,從而就可以減小芯片尺寸,跨導(dǎo)的減小可由將Q20和Q18的極電集分離而實現(xiàn)。該輸入級的另一特征是,在單電源工作模式下,輸入共模范圍包含負輸入和地,無論是輸入器件或者差動到單端變換器都不會飽和,第二級含標準電流源負載放大器級。2.2LM386的介紹LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器,廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。LM386內(nèi)部電路LM386內(nèi)部電路原理圖如圖所示。與通用型集成運放相類似,它是一個三級放大電路。第一級為差分放大電路,T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管,作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負載；T3和T4信號從管的基極輸入,從T2管的集電極輸出,為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負載,可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。第二級為共射放大電路,T7為放大管,恒流源作有源負載,增大放大倍數(shù)。第三級中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管,與NPN型管T10構(gòu)成準互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓,可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端,引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電,故為OTL電路。輸出端〔引腳5應(yīng)外接輸出電容后再接負載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極,形成反饋通路,并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò),從而引入了深度電壓串聯(lián)負反饋,使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益。LM386的外形和引腳的排列如圖所示。引腳2為反相輸入端,3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時在引腳7和地之間接旁路電容,通常取10μF。圖2.2.2查LM386的datasheet,電源電壓4-12V或5-18V<LM386N-4>；靜態(tài)消耗電流為4mA；電壓增益為20-200；在1、8腳開路時,帶寬為300KHz；輸入阻抗為50K；音頻功率0.5W。3電路設(shè)計電路整體設(shè)計3.1直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計各種電器設(shè)備內(nèi)部均是由不同種類的電子電路組成,電子電路正常工作需要直流電源,為電器設(shè)備提供直流電的設(shè)備稱為直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源可以將220V的交流輸入電壓轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定不變的直流電壓,如圖3.1.1。電源組成框圖3.2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<最高頻率達到10kHz>。其輸入阻抗應(yīng)遠大于話筒的輸出阻抗,其放大倍數(shù)Av=1+R4/R1=8.5倍。3.3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。。根據(jù)<式3.3.1>Vi1為話筒放大器輸出的電壓,Vi2為放音機輸出的電壓,Vo為混合后輸出的電壓。所以取Rf=30KΩR2=10KΩ；音放機輸出插孔的信號電壓一般為100mV,已基本達到放大的要求不需要話。取R6=30kΩ。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,下面詳細介紹這兩級電路的工作原理及其設(shè)計方法。3.4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,理想的控制曲線如圖f0〔等于1kHz表示中音頻率,要求增益AV0=0dBfL1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。圖3.4.2音調(diào)控制器電路圖3.4.2音調(diào)控制器電路C5設(shè)電容C1=C2>>C3,在低頻區(qū)C3可以視作開路,電路作為低通濾波器；在中高頻區(qū),C1、C2可以視為短路,電路作為高通濾波器。具體分析如下：〔1當(dāng)時eq\o\ac<○,1>當(dāng)RP1的滑臂在最左端低頻時,對應(yīng)于提升最大的情況,如圖。圖3.4.3RP圖3.4.3RP1的滑臂在最左端的等效電路圖3.4.4RP1的滑臂在最右端的等效電路eq\o\ac<○,2>當(dāng)RP1的滑臂在最右端時,對應(yīng)于低頻衰減最大的情況,如圖。分析表明,圖2.4.2所示電路是一個一階有源低通濾波器,其增益函數(shù)的表達式為：<式3.4.1>式中或者,或圖2.4.3所示電路是一個一階有源低通濾波器,當(dāng)時,C2可視為開路,運放的反向輸入端可以視為虛地,R4的影響可以忽略,其增益函數(shù)的表達式為：在當(dāng),故可由下式：得：計算其模：此時的電壓增益相對于AVL下降了3dB。在當(dāng),故可由式3.4.1得：計算其模：此時的電壓增益相對于AVL下降了17dB。同理可以得出圖所示電路的相應(yīng)表達式,其增益相對于中頻區(qū)的衰減量?！?當(dāng)時C1、C2視為短路電路作為高通濾波器的等效電路如圖：圖3.4.5高通濾波器的等效電路圖3.4.5高通濾波器的等效電路將C1、C2視為短路,R1、R2、R4從星型連接改做為三角形連接后的電路圖如圖：RcRP2VoViRcRP2VoViC3R3RaRb圖3.4.6高通濾波器等效電路的轉(zhuǎn)換電路若取R1=R2=R4,則Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4eq\o\ac<○,1>當(dāng)RP2的滑臂在最左端高頻時,對應(yīng)于高頻提升最大的情況,如圖2.4.6：vovo圖3.4.7RP2的滑臂在最左端的等效電路圖3.4.8RP2的滑臂在最右端的等效電路eq\o\ac<○,2>當(dāng)RP2的滑臂在最右端時,對應(yīng)于高頻衰減最大的情況如圖。分析表明,圖所示電路是一個一階有源高通濾波器,其增益函數(shù)的表達式為：〔式3.4.2式中或者,或當(dāng)時,C3視為開路,此時電路電壓增益AVO=-1〔0dB。在當(dāng)時,因為,由式2.4.2得AV3=AVO此時電壓增益AV3相對于AVO提升了3dB。在當(dāng)時,C3視為開路,此時電壓增益AV4=AVO此時電壓增益AV4相對于AVO提升了17dB。在當(dāng)時,C3視為短路,此時電壓增益AVH=〔Ra+R3/R3同理可以得出圖所示電路的相應(yīng)表達式,其增益相對于中頻區(qū)的衰減量。圖3.4.9中頻區(qū)增益等效電路圖3.4.9中頻區(qū)增益等效電路根據(jù)音響放大器的設(shè)計技術(shù)指標,結(jié)合的表達式可知,、、的阻值一般取到幾千歐到幾百歐。現(xiàn)取,有,。取標稱值,則,。由前述的假設(shè)條件可得,,,,,。由于在低音時,音調(diào)控制電路輸入阻抗近似為,所以級間耦合電容可取。通過上述分析計算,各元件的參數(shù)如下圖3.4.10所示3.5功率放大電路的設(shè)計功率放大器<簡稱功放>的作用是給音響放大器的負載RL<揚聲器>提供一定的輸出功率。當(dāng)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。由Av=2R7/〔R5+R6//R18,根據(jù)增益的分配,當(dāng)1.8之間的電阻恰好為零時,此時電壓增益為20倍,故取R18=0。3.6總電路圖圖3.6.14用Multisim進行仿真4.1話放與混放性能測試話放仿真結(jié)果：輸入1kHz的5mVp正弦波的情況下放大倍數(shù)為8.5倍電路情況良好輸出波形：話放和混合放大器仿真結(jié)果：電壓增益25.7,電路情況良好圖4.1.3輸出波形：圖4.1.44.2單獨功放性能測試輸入信號100mVp,頻率1kHz,電壓增益Av=20,如圖4.2.1所示,波形良好,未出現(xiàn)失真,電路狀態(tài)良好。4.3整體性能測試1.輸入5mVp,50Hz信號,波形如圖4.3.1所示,未出現(xiàn)失真情況。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器功率可達到0.5W。2.輸入5mVp,1kHz的信號,電壓增益大于316滿足要求,增益如圖4.3.3所示,輸出輸入波形如圖4.3.4所示,未為出現(xiàn)失真。調(diào)節(jié)功率為0.5W。3.輸入5mVp,20kHz的信號,電壓增益大于316,如圖4.3.5所示,輸出輸入波形如圖4.3.6所示,未出現(xiàn)失真。調(diào)節(jié)功率為0.5W。4.4仿真結(jié)果分析在輸入頻率為5OHz~20KHz時,得到的波形良好,說明在50Hz~20KHz有良好的頻率響應(yīng)。并且得到的放大倍數(shù)也在316倍以上,達到了要求的衰減度,說明方案是可行的,仿真成功。5音響放大器的技術(shù)指標的測試5.1相關(guān)性能參數(shù)的測量1.額定功率：音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值時的最大功率稱為額定功率,其表達式為：PO=VO2/RL,式中,RL為額定負載阻抗,VO為RL兩端的最大不失真電壓有效值。測量時函數(shù)發(fā)生器輸出fi=1kHz正弦波作為音響放大器的輸入信號,功率放大器的輸出端接額定負載電阻,如有音調(diào)控制器,控制器的兩個電位器調(diào)節(jié)到中間位置,音量控制電位器調(diào)到最大值,用雙蹤示波器觀察Vi及Vo的波形,失真度測量儀監(jiān)測Vo的波形失真〔無失真度儀可用肉眼觀察無明顯失真。逐漸增大輸入電壓Vi,直到輸出的波形剛好不出現(xiàn)削波失真,此時對應(yīng)最大輸出電壓,同時可算出額定功率值。2.頻率響應(yīng)：調(diào)節(jié)音量旋鈕使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%,Vi=5mV,測量方法和其他實驗中幅頻特性曲線的測量方法相同。3.輸入阻抗：從音響放大器輸入端<話音放大器輸人端>看進去的阻抗稱為輸入阻抗,測量方法和放大器的輸人阻抗測量方法相同。4.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。測量時函數(shù)發(fā)生器輸出fi=1kHz正弦波作為音響放大器的輸入信號,功率放大器的輸出端接額定負載電阻,音調(diào)控制器的兩個電位器調(diào)節(jié)到中間位置,音量控制電位器調(diào)到最大值,測量方法是,使Vi從零開始逐漸增大,直到Vo達到額定功率值時的輸入電壓值即為輸入靈敏度。5.噪聲電壓：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,測量時功率放大器的輸出端接額定負載電阻,如有音調(diào)控制器,控制器的兩個電位器調(diào)節(jié)到中間位置,音量控制電位器調(diào)到最大值,輸入端對地短路,用示波器觀測輸出負載RL端的電壓波形,用交流毫伏表測量其有效值。6.整機效率：在輸出額定功率的情況下,將電流表串入VCC支路中,測得總電流I,則效率為5.2整機信號試聽用8Ω、0.5W的揚聲器代替負載電阻RL,進行以下功能試聽：1.話音擴音：將低阻話筒接話音放大器的輸人端,應(yīng)注意,揚聲器輸出的方向與話筒輸入的方向相反,否則揚聲器的輸出聲音經(jīng)話筒輸人后,會產(chǎn)生自激嘯叫。講話時,揚聲器傳出的聲音應(yīng)清晰,改變音量電位器,可控制聲音大小。2.Mp3音樂試聽：將MP3輸出的音樂信號,接入混合前置放大器,揚聲器傳出的聲音應(yīng)清晰,改變音量電位器,可控制聲音大小。3.混音功能：MP3音樂信號和話筒聲音同時輸出,揚聲器傳出的聲音應(yīng)清晰,適當(dāng)控制話音放大器與LineIn輸出的音量電位器,可以控制話音音量與音樂音量之間的比例。5.3實物調(diào)試1.對話放級進行調(diào)試：調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器,輸入1kHz,有效值為5mV的信號,用電表對輸出端電壓進行檢測,并用示波器觀察波形,測得輸出信號41.5mV,Av=8.3,滿足仿真要求。2.對混放級進行調(diào)試：輸入1kHz,有效值41.5mV的信號,測得輸出電壓信號134mV,Av=3.2,滿足仿真要求。3.對功放級進行調(diào)試：輸入1KHZ,有效值100mV的信號,測得輸出電壓2.914V,AV=30,放大倍數(shù)過大,通過檢測發(fā)現(xiàn)1端和8端接有電阻,使得增益表達式中分母變小,從而放大倍數(shù)增大。4.整機調(diào)試：用杜邦線將各級連接在一起,輸入信號,結(jié)果輸出交流信號為零,電路出現(xiàn)故障。心得與體會本學(xué)期我們開設(shè)了《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》這門課,正所謂"紙上談兵終覺淺,覺知此事要躬行。"學(xué)習(xí)任何知識,僅從理論上去求知,而不去實踐、探索是不夠的,通過這次課程