電子技術基礎課程設計全集成電路高保真擴音機

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 電子技術基礎課程設計電子技術基礎課程設計 題目：題目： 全集成電路高保真擴音機全集成電路高保真擴音機 院（系）：院（系）： 工程技術學院工程技術學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）（簽字） 教師職稱：教師職稱： 教授教授 起止時間：起止時間：2015. 06. 232015. 07. 06 課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 學 號學生姓名專業(yè)班級 課 程設計 （論文） 題目 全集成電路高保真擴音機全集成電路高保真擴音機 課程設計（論文）任務

2、設計參數(shù)： 1.采用全部或部分分立元件設計一種全集成電路高保真擴音機。 2.額定輸出功率wp5 0 3.負載阻抗。 8 l r 4.頻率響應 2020khz 設計要求： 1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標 及應用環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。 2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構 的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源， 敲定可行方案。 3 .設計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路， 逐個設計。 4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采 用

3、左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。 指導教師評語及成績 成績： 指導教師簽字： 年 月 日 摘 要 隨著信息時代的到來，計算機技術進入了快速發(fā)展的空前時期。與此同時， 電子信息技術的發(fā)展有關放大器在電子技術基礎中所處的位置越來越重要，它不 僅是電子信息專業(yè)的一個重要部分，而且在其他類專業(yè)工程中也是不可缺少的。 放大器電路作為子系統(tǒng)的應用，已迅速發(fā)展成為新一代電子不可缺少的核心部件， 其在現(xiàn)實生活中的運用非常廣泛。 擴音機電路是把微弱的聲音信號放大成能推動揚聲器的功率放大信號，主要 由運算放大器構成。電路結構分為前置放大，濾波器，功率放大三部分。 前置放大主要完成小信號的放大，一般要求

4、輸入阻抗高，輸出阻抗低，頻帶 寬，噪聲要小，音頻控制主要是實現(xiàn)對輸入信號高、低音的提升和衰減；功率放 大器決定了輸出功率，要求效率高，失真盡可能小，輸出功率大 關鍵詞：擴音機；揚聲器；功率放大；濾波 目 錄 第 1 章 緒論 .1 1.1 全集成電路高保真擴音機的應用意義.1 1.2 設計的要求及技術指標.1 1.3 設計方案論證.1 1.4 總體設計方案的流程及分析.2 第 2 章 全集成電路高保真擴音機電路設計 .3 2.1 方案的框圖及工作原理.3 2.1.1 前置放大電路.3 2.1.2 有源濾波器.3 2.1.3 功率放大器.4 2.2 擴音機各單元電路的設計.4 2.2.1 前置放

5、大電路設計.4 2.2.2 有源濾波放大電路的設計.5 2.2.3 功率放大器電路的設計.6 第 3 章 全集成電路高保真擴音機整體電路設計及仿真 .7 3.1 整體電路圖及工作原理.7 3.1.1 整機電路圖.7 3.2 電路參數(shù)仿真及計算.7 3.2.1 整機頻率響應的測試.8 3.2.2 最大輸出功率的測試.8 3.2.3 電壓增益的計算.9 3.2.4 整體電路的仿真.9 3.3 整機電路性能分析.10 3.3.1 整機電路圖.10 第 4 章 設計總結 .10 附錄一：參考文獻 .11 附錄二：所用元器件和測試儀器清單 .12 第 1 章 緒論 1.1 全集成電路高保真擴音機的應用意

6、義 隨著科學技術的不斷發(fā)展,各種專用集成電路大量涌現(xiàn)。在電子技術領域里， 集成電路大有取代分立元件的趨勢。在各種音響設備中，全集成電路高保真擴音 機由于工作可靠，外圍電路結構簡單，容易調(diào)試，內(nèi)部設有各種保護設施，不易 損壞的特點，不斷地被從事電子技術工程人員和無線電愛好者認可和接受。另外， 由于體積小，價格便宜，在學校、公司、技術企業(yè)，以及工廠，它都發(fā)揮了其他 任何東西不可替代的作用。 1.2 設計的要求及技術指標 設計要求： 1. 分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及 應用環(huán)境等，廣開思路，構思總體方案，繪制結構框圖。 2. 確定合理的總體方案。對所設計的方案進行分

7、析，以電路的先進性、結 構的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲 定可行方案。 3. 設計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路， 逐個設計。 4. 組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用 左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。 技術指標： 1）采用全部或部分分立元件設計一種全集成電路高保真擴音機。 2）額定輸出功率。wp5 0 3）負載阻抗。 8 l r 4）頻率響應 2020khz。 1.3 設計方案論證 前置放大主要完成小信號的放大，一般要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，頻帶 寬，噪聲要小，音調(diào)控制主要是濾除諧波，實

8、現(xiàn)對所需波段的有效放大；功率放 大器決定了整機的輸出功率、非線性失真系數(shù)等指標，要求效率高、失真盡可能 小、輸出功率大。設計時首先根據(jù)技術指標的要求，確定各級增益的分配，然后 對各級電路進行具體的設計。若,輸出電壓。wp8max 0 vrpu l 8max 00 要使輸入為 5mv 的信號放大到輸出的 8v，所需的總放大倍數(shù)為 1600。 擴音機中各級增益的分配為：前置級的電壓放大倍數(shù)為 100,功率放大級電壓 放大倍數(shù)為 16。 1.4 總體設計方案的流程及分析 總體流程如圖所示。 功率放大器 有源濾波器 前置放大器 輸入信號 揚聲器 圖 1.4：總體設計流程 電路分析說明： （1）前置放大

9、器 由于話筒提供的信號非常弱，一般只有 5mv 左右，而輸出阻抗達到 20k。 考慮到設計電路對頻率響應及零輸入時的噪聲、電流、電壓的要求，前置放大器 選用集成運算放大器 lf353。lf353 是一種雙路運算放大器，屬于高輸入阻抗低 噪聲的集成器件。 前置放大電路由 lf353 組成的兩級放大電路。前置放大器的作用是不失真的.放 大聲音信號，共輸入阻抗應遠大于話筒的輸出阻抗。 （2）有源濾波器的設計 高帶通濾波器允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干 擾和噪聲。該電路中，在前級為無限增益多路反饋二階帶通濾波器的基礎上，由 第二級反相放大比例放大器對他施加正反饋組成。從而，實現(xiàn)

10、了帶通濾波的作用。 （3）功率輸出級的設計 功率輸出及電路結構有許多種形式，這里選用 tda2030a 型單片集成功率放 大電路，其主要特點是 a、上升隨率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小。b、輸出功率比較大， 單片的 tda2030a 的輸出功率可達 18w。c、外圍電路簡單，使用方便。d、采用 單列直插的封裝形式，體積小。e、內(nèi)含各種保護電路，工作安全可靠。 第 2 章 全集成電路高保真擴音機電路設計 2.1 方案的框圖及工作原理 擴音機電路主要由前置放大電路，有源帶通濾波電路，集成運算放大電路組 成，總體框圖如圖： 輸 入 信 號 前 置 放 大 電 路 有 源 帶 通 濾 波 電 路 集 成 運 放

11、 電 路 圖 2.1：擴音機電路總體框圖 2.1.1 前置放大電路 功能：將前級輸出的微小的電信號在電壓幅度上進行放大。 工作原理：在測量用的放大電路中，一般傳感器送來的直流或低頻信號，經(jīng) 放大后多用單端方式傳輸。典型情況下，信號的最大幅度可能僅有若干毫伏，共 模噪聲可能高達幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對于總的精度至關重要。放 大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問題。因此前置放大電路應該是一個高 輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。 2.1.2 有源濾波器 功能：濾除各種噪聲信號，而使正常的語音信號通過。 工作原理：通帶濾波器能通過規(guī)定范圍的頻率，這個頻率范圍就是電路的帶 寬

12、 bw，濾波器的最大輸出電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率的頻率點上。帶通濾波器 0 f 的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì) q 越高。電路的 q 值可用公式求 出： wbq 0 f 可見，高 q 值濾波器有窄的帶寬，大的輸出電壓；反之低 q 值濾波器有較 寬的帶寬，勢必輸出電壓較小。要實現(xiàn)這么一個功能，我們可以將一個二階有源 低通濾波器與一個二階有源高通濾波器串聯(lián)起來，由二階有源低通濾波器來對高 頻信號進行抑制，由二階有源高通對濾波器隊地頻信號機行抑制，最終達到對信 號進行一定頻率范圍的抑制作用。 2.1.3 功率放大器 功能：放大電流，使信號能夠驅(qū)動負載（喇叭） 。 工作原理：功率放大器是一種能

13、量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換 成為高頻交流輸出。 2.2 擴音機各單元電路的設計 2.2.1 前置放大電路設計 各級放大電路均采用集成運放設計，且增益分配要均衡，輸入阻抗，共模抑 制比和噪聲主要取決于前置級，因此前置放大器的設計尤為重要。根據(jù)高輸入阻 抗的要求，應選用 jfet 的運放，本設計采用 lf411acn 型運放。該運放的 avo=4105，rid= 41011，kcmr =106db。儀用放大電路：kcmr=134db 本設計采用儀用放大器作為前置級。 u1 r1 r2 r3 r4 r5 r6 u2 u3 r7 圖 2.2.1：前置放大電路 2.2.2 有源濾波放大電路的

14、設計 第二級要完成的主要任務之一是進一步提高放大電路的電壓增益，其次為了 消除高，低頻的影響，需要設計一個帶通濾波器，由于對濾波器沒有特殊的要求， 本設計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構成帶通濾波器。 r1 r2 r3 c1 u1 圖 2.2.2 一階低通濾波器 c1 r1 r2 r3 u1 圖 2.2.3：一階高通濾波器 2.2.3 功率放大器電路的設計 功率放大的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換效率 盡可能高，非線性失真盡可能小。 當輸入信號足夠大，輸出電壓峰值達到時，此時最大不失真輸出 功率為： 直流電源提供的功率 電路效率 選擇輸出晶體管時: 每只晶體管

15、的最大允許管耗 最大集電極電流 反向擊穿電壓 功率放大電路如圖 2.2.4 所示。 圖 2.2.4 功率放大器電路 第 3 章 全集成電路高保真擴音機整體電路設計及仿真 3.1 整體電路圖及工作原理 c5 ic=0v r13 r14 u5 1 2 3 5 4 vcc r15 c6 ic=0v vdd r16 50 % r17 c7 ic=0v 工作原理：整體電路圖如圖 3.1.1 所示。 本設計采用 lf4111 系列的運算放大器，前級采用儀用放大電路，分配的增 益為四十倍，儀用放大器是有運放 u1、u2 按同相法組成第一級差分放大電路， 運放 u3 組成第二級差分放大電路，在第一級電路中輸入

16、信號分別加入到 u1 和 u2 的同相段 r1和 r6、r7組成的反饋網(wǎng)絡引入負反饋。 在帶通濾波的電路中，本設計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波 器構成帶通濾波器，來限制放大頻率的范圍。 輸入信號先經(jīng)經(jīng)前置放大，將輸入信號放大，放大后的信號進入音調(diào)電路，對 高低音段進行調(diào)節(jié)。輸出至音量電位器。經(jīng)平衡電位器后，功放輸出經(jīng)喇叭輸出 接座輸出至喇叭。功率放大電路的主要作用是向負載提供功率，需要輸出功率盡 可能大，非線性失真減小，效率盡可能高。因集成功率放大器性能好，安裝方便， 則選集成功率放大器。 3.1.1 整機電路圖 3.2 電路參數(shù)仿真及計算 3.2.1 整機頻率響應的測試 使用仿真

17、軟件中的波特圖示儀進行仿真實驗，觀察所得的幅頻響應ultisimm 曲線是否符合設計要求。進行仿真實驗后可得圖 3.2.1（a）與圖 3.2.1（b） ，由此 可知本次設計的電路符合設計要求。 r16 r15 u1 3 2 4 7 6 51 r10 50 % r2 r6 r7 u2 3 2 4 7 6 51 r3 u3 3 2 4 7 6 51 r4 r9 50 % r5 50 % r8 50 % r14 50 % u4 3 2 4 7 6 51 r13 r12 50 % r17 r11 c1 c2 r1 50 % vcc vdd c5 ic=0v r18 r19 u5 1 2 3 5 4 v

18、cc r20 c6 ic=0v vdd r21 50 % r22 c7 ic=0v 圖 3.2.1（a）：幅頻響應曲線 圖 3.2.1（b）：幅頻響應曲線 3.2.2 最大輸出功率的測試 在仿真軟件中連接電路，并將萬用表連在輸出端，進行仿真實驗，ultisimm 測量最大輸出電壓。并使用公式計算出最大輸出功率。 lmaxmax rvp 2 圖 3.2.2：電壓有效值 如圖 3.2.2 所示，萬用表測量得到電壓有效值，由此可得，電壓峰vv548. 5 值為，最大輸出功率vvvmax845 . 7 2wrvp lmaxmax 69 . 7 2 3.2.3 電壓增益的計算 由上述 3.2.2 中的電

19、壓測量值可知，又因輸入電壓為vvvmax845 . 7 2 ，則電路總體增益為vvm5 i 1569vva max 根據(jù)理論計算各級增益： 前置放大級： 80 232 rrra 音調(diào)和音量控制級：；1 2 a 功率放大級：；20 3 a 總的增益為各級增益之積：。1600a 3.2.4 整體電路的仿真 在仿真軟件中連接電路，并將示波器連聯(lián)入電路，進行仿真實驗，ultisimm 測得電路的輸入波形與輸出波形。經(jīng)過比較輸入波形與輸出波形可知，本次設計 的電路，波形失真較小。 圖 3.2.4 輸入與輸出波形 經(jīng)過本次的仿真實驗可知，設計電路時的理論值與仿真實驗所得的實際值誤差較 小，波形失真較小，并

20、基本能夠達到所設計的放大倍數(shù)。 綜上所述，本次設計的擴音機電路符合了設計要求。 3.3 整機電路性能分析 前面已經(jīng)提及，本次設計的全集成電路高保真擴音機主要由前置放大電路、 有源濾波電路、功率放大電路三部分構成。 擴音機工作時，輸入選擇電路主要對輸入信號進行選擇切換控制，得出所需 的信號輸入，輸入后的信號經(jīng)有源濾波電路進行頻率特性的校正和放大，使輸入 信號的頻率特性變得較為平坦，同時使各種信號源輸入的信號電平基本趨于一致， 避免了在轉(zhuǎn)換不同的信號源時聲音響度出現(xiàn)較大的變化。經(jīng)前置放大器放大處理 后的信號被送入功率放大器進行功率放大，以推動揚聲器重放出聲音。在功率放 大器中加入保護電路是為了保護

21、揚聲器免受電路沖擊電流的干擾或在電路出現(xiàn)故 障時燒毀揚聲器。 3.3.1 整機電路圖 r16 2m r15 1k u1 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r10 1k key=a 50 % r2 10k r6 24k r7 24k u2 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r3 10k u3 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r4 32k r9 1k key=a50 % r5 20k key=a 50 % r8 1k key=a50 % r14 2k key=a 50 % u4 lf411acn 3 2 4 7 6 51 r13 10k r12 1k key=a 5

22、0 % r17 100 r11 24k c1 3.3f c2 33nf r1 5k key=a 50 % vcc 12v vdd 0v c5 22f ic=0v r18 1m r19 22k u5 lm1875t 1 2 3 5 4 vcc 12v r20 3.9k c6 22f ic=0v vdd -12v r21 100k key=a 50 % r22 1 c7 220f ic=0v 第 4 章 設計總結 本次課設的題目是全集成電路高保真擴音機。電源地端，信號源以及 ch1 和 ch2 地端位置不恰當都會造成不同程度的干擾，要根據(jù)實際電路找出最佳的接 線位置，使波形達到最好的效果。沒接入信號的輸入端要接低，因為輸入的信號 5mv 較小，易受外界干擾。采用低頻運放芯片輔助過慮去高頻。 多級放大電路的第一級的反饋回路中需要在反饋電阻上并一個電容，用來濾 除噪音。 對于特定的頻率放大電路，可以通過串聯(lián)電容的方法來調(diào)節(jié)電路中阻抗 的大小，使得電路的性能更好。 在將直流源接到電路中時，需要接一大一小兩個電容，以