音響系統(tǒng)放大器設(shè)計(jì)

1、5音響系統(tǒng)放大器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 一般說明：音響系統(tǒng)中的放大器決定了整個(gè)音響系統(tǒng)放音的音質(zhì)、信噪比、頻率響應(yīng)以 及音響輸出功率的大小。高級(jí)音響中的放大器通常分為前置放大器和功率放大及 電源等兩大部分。前置放大器乂可分為信號(hào)前置放大器和主控前置放大器。信號(hào)前置放大器的 作用是均衡輸入信號(hào)并改善其信噪比；主控前置放大器的功能是放大信號(hào)、控制 并美化音質(zhì)；功率放大器及電源部分的主要功能是提供整機(jī)電源及對前置放大器 來的信號(hào)作功率放大以推動(dòng)揚(yáng)聲器。其組成框圖如圖所示：調(diào)諧器唱機(jī)話筒噪聲濾波器功率放人器信號(hào)前置放大器音量調(diào)節(jié) 平衡調(diào)節(jié)主控前置放人器揚(yáng)聲器電源1.2設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)音響系統(tǒng)放

2、大器。具體要求如下:負(fù)載阻抗心=40；額定功率Po = 10W ；帶寬BW50Hz 15kHz失真度/<1%:音調(diào)控制低音(100Hz) ±12dB;高音(10kHz) ±12dB; 頻率均衡特性符合RIAA標(biāo)準(zhǔn);(7) 輸入靈敏度 話筒輸入端W5mV;調(diào)諧器輸入端WlOOmV;(8) 輸入阻抗R500kQ ;(9) 整機(jī)效率n 50%；二、方案設(shè)計(jì)與論證本設(shè)計(jì)由語音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器及功率放大器五部分組 成。此設(shè)計(jì)方案具有使用元件少，電路簡單明了等特點(diǎn)。其工作原理如下：當(dāng)語音信號(hào)由話筒輸出后，進(jìn)入語音放大器放大。信號(hào)連 同磁帶放音機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)一同進(jìn)入

3、混合前置放大器，并進(jìn)行放大。放大后的信號(hào) 進(jìn)入音調(diào)控制器，然后進(jìn)入功率放大器進(jìn)行功率放大后，由揚(yáng)聲器輸出聲音。晶體管放大器具有細(xì)膩動(dòng)人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動(dòng)態(tài)范圍等 特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用晶體管件設(shè)計(jì)放大器。還可以配合來自聲源特別是數(shù)碼聲 源的音質(zhì)而設(shè)計(jì)和使用。它不會(huì)使聲音降級(jí)。此外它還具有效率高，電力損失小 等優(yōu)點(diǎn)。2.1放大電路的比較與論證方案一：釆用UA741運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路，UA741通用高增益運(yùn)算通用放 大器，早些年最常用的運(yùn)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5

4、00mWo方案二：采用LM324通用四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。它有5個(gè)引 出腳，其中“+”、為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、為正、負(fù)電源端，“為輸 出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中V-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端V6的信號(hào)與 該輸入端的位相反；V1+ (十)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端乂的信號(hào)與該輸 入端的相位相同。方案選?。篣A741是通用放大器，性能不是很好，滿足一般需求，而LM324 四運(yùn)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)放 大借數(shù)不高，LM324能達(dá)到頻響要求，故選用LM32

5、4四運(yùn)放大器。2.2音頻功率放大電路的比較與論證方案一：釆用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(fù)載時(shí)，輸出功率在300mW以上。主要用于收 音機(jī)及其它功放。方案二：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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音 機(jī)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(shí)，在8歐姆的負(fù)載情況下，可提供幾百mW的功率。它的 典型輸入

6、阻抗為50K。方案三：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(dá)35W左右，靜態(tài)電流小，負(fù)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)電流大既可帶動(dòng)4-16Q的揚(yáng) 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(hù)電路。方案選?。罕菊n題要求音響放大器的輸出功率在5W以上，然而LM386達(dá)不到這功率, 故選用TDA2030。頻率響應(yīng)圮fH=50Hz15kHz；而單電源供電咅頻功率放大 器己經(jīng)達(dá)到所需要的目標(biāo)。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(biāo)好等特點(diǎn)。而BTL電路雖然也有以上的功能，但制作復(fù)雜，不 利于維修。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1話音放大器與混合前

7、置放大器的設(shè)計(jì)由于話筒的輸出信號(hào)一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20kQ（亦有低輸 出阻抗的話筒如20Q, 200Q等），所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信 號(hào)（最高頻率達(dá)到10kHz）o其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。圖1-1所示電路由話音放大器與圖4-4混合前置放大器兩級(jí)電路組成，其中 U1A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)A=1+R2/R1=16.8 ovccl«<C210uF|.話簡信號(hào)（5mv）才 LM3甲ADR2 -AAr 158kLC1笊1uFR1AAA/lOkL圖1-1話音放大器電路圖圖1-1中的混合

8、前置放大器的電路中，U1A作反相放大器。電路中電容C3、C2是用作噪聲去耦合的，可以用小體積大容量的袒電容或普通電解電容，一般選為10PFo耦合電容的作用是阻止前后兩級(jí)電路的信號(hào)相互干擾影響，并且不Key=A圖12混合前置放大器的電路3.2音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)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1-4中折線所示。圖1-3中，f°表示中音頻率，要求增益Avo=0dB； /口表示低 音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十赫茲；九,（等于10九J表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折Av/dB頻率；幾】表示高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率；幾2 （等于10.%）表示高音頻轉(zhuǎn)折頻 率，一般為幾十千赫茲

9、習(xí)。20dB/10 倍頻201730 3: hz(1kHz) ；、!仏圖1-3詹調(diào)控制曲/"I>H2音調(diào)控制放大器的作用是實(shí)現(xiàn)對低音和高音的提升和衰減，以彌補(bǔ)揚(yáng)聲器等 因素造成的頻率響應(yīng)不足。技術(shù)指標(biāo)通常為：低音（ 100Hz）土 12dB,高音 （10kHz）±12dBo目前的高級(jí)音響設(shè)備大多已采用“多頻段頻率均衡”電路來達(dá)到更 好地校正頻響效果.音調(diào)控制放大器一般取它的中頻增益為1,但要能滿足音調(diào) 的調(diào)節(jié)范圍。由此得出功率放大部分的電壓增益應(yīng)大于70倍，即37dB以上。常用的音調(diào)控制電路有衰減式音調(diào)控制電路和反饋式音調(diào)控制電路兩類，由 于后者失真較小，所以應(yīng)用較廣

10、。本系統(tǒng)釆用反饋式音調(diào)控制電路如圖1-4所示。470k：.50%Key=ACCV圖1-4音調(diào)控制器電路音調(diào)控制器只對低音的增益進(jìn)行提升與衰減，中音頻的增益保持OdB不變。 因此，咅調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。由運(yùn)算放大器構(gòu)成 的音調(diào)控制器，圖1-4所示。這種電路調(diào)節(jié)方面，元器件較少，在一般收音機(jī)， 音響放大器中應(yīng)用較多。該音調(diào)控制放大器是由一個(gè)音調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器所組成的負(fù)反饋放 大器，其中R14和R17是分別調(diào)節(jié)高音和低音的兩個(gè)電位器，調(diào)節(jié)R14和R17 兩個(gè)電位器以改變反饋系數(shù)，從而改變放大器的幅頻特性，以達(dá)到音調(diào)控制作用。 3.3功率放大電路的設(shè)計(jì)功率放大器，簡稱“

11、功放”。很多情況下主機(jī)的額定輸出功率不能勝任帶 動(dòng)整個(gè)音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時(shí)就要在主機(jī)和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來補(bǔ)充所需 的功率缺口，而功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用， 在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望其 輸出的功率盡可能大，其輸出信號(hào)的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高，功 放的常見電路有 OTL(Oiitput TiansfomieHess)電路和 OCL(Oiitput Capacitorless)電 路。有用集成運(yùn)算放大器和晶體管組成的功放，也有專用集成電路功放。TDA2030A是SGS公司生產(chǎn)的單聲道功放IC,該IC體積

12、小巧，輸出功率大, 最大功率到達(dá)40W左右；并具有靜態(tài)電流小(50niA以下)，動(dòng)態(tài)電流大(能承 受3.5A的電流)；負(fù)載能力強(qiáng)，既可帶動(dòng)4-16Q的揚(yáng)聲器，某些場合乂可帶動(dòng)2G 其至1.6G的低阻負(fù)載；音色中規(guī)中舉，無明顯個(gè)性，特別適合制作輸出功率中 等的高保真功放等諸多優(yōu)點(diǎn)。vcc2V1D31N400111<«CCU3C222.2mFC21TDA20：R29R28 4.7kQR2(100kQ3840C202iF10uFC18 IN1>R27|l00kQ半C192；uF圖1-5 功率放大電路音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值（如Y<1%）時(shí)的最大功率稱為額定功 率，

13、其表達(dá)式為：P0=V02/RL式中，心為額定負(fù)載阻抗；vo （有效值）為心兩端的最大不失真電壓。VO常 用來選定電源電壓Vg（ Vcc>2V0）o四、總原理圖及元器件清單1總原理圖61?YOC92.元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注RI、R3、10k8R4、R9、RIO、R19、R20.R25R2158k1R7、R839k2R1513k1R31lk1R12、100k4R26、R27.R29R5、RI3、47k3R18R284.7k1R6、R11、10k滑動(dòng)變阻器3R30R14、470k滑動(dòng)變阻器2R17、Clluf電解容1C2、C6、lOuf3C12C3、C5、lOuf電解容6C4、C

14、7、C8、C18C9、CIOlOiif2Cll510pf1C134.7uf1C1922uf1C202uf1C21lOOnf1C222.2mf1U1LM3241U3TDA20301D3、D4二極管2五、仿真調(diào)試與分析5.1靜態(tài)工作點(diǎn)測試接上電源（次級(jí)為12伏），不帶負(fù)載情況下接通電源，按下電路板上電源開 關(guān)，測試濾波電容兩端輸出電壓應(yīng)為14v左右。若出現(xiàn)異常應(yīng)該立即斷電。5.2最大輸出功率測試將4G負(fù)載接入功率輸出端。再將信號(hào)源調(diào)至頻率f=1000hz,輸出電壓為IV, 接到音頻放大器的聲道輸入端。將音調(diào)調(diào)節(jié)電位器調(diào)到最大。功率輸出端接上示 波器、毫伏表。圖1-6測試的接法調(diào)節(jié)音量電位器，使輸出

15、信號(hào)失真度THD=1%時(shí)，測出功率放大器的輸出電 壓Vo的值，由公式P=Vo2/16計(jì)算放大器的最大輸出功率。5.3頻率特性測試調(diào)節(jié)100011Z輸入信號(hào)幅度（或調(diào)音量電位器），使輸出信號(hào)為IV。測出電 路輸入信號(hào)的大小Vi的值。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率，保持輸入信號(hào)Vi的大小不變,測量輸出信號(hào)的大小。找出上下限頻率FH和FL,求出通頻帶BW=FH-FLo5.4輸出結(jié)果1.話音放大器輸出波形2.混合前:放大電路與話音放大電路輸出波形C-TimebaseSea足 110 rns'Div X position oy7F Add»| Bs»a| a»b|C haene

16、l AScale 150 mV/Div Y positioni oAC | Q DC CY posiboe oTriggerSea俺 15 V/DivAC | 0 DC - | CLevel |o| VType Sing. | Nor. | Auto None#3.音調(diào)控制電路輸出波形Channel A&ca»e |2OD uV/DivChannel BScale |-5 V/Div-丁険已 EC皆頁勻廠_i亠nY posit k>ni oY positk>n (0Level1。 1vAC | 0 DC-CAC | 0(0C -| (f Type Sir)g.|

17、Nor. | Auto | NoneScale 110 ms/DivX position |0 pWT Add| a<A|AB|x'Tim»e2 ISO cCtxannel_A155 039Channel BT2-T14.功率放大器輸岀波形六、結(jié)論與心得本次課程設(shè)計(jì)很好的結(jié)合了我們所學(xué)習(xí)的模電知識(shí)，對設(shè)計(jì)者的要求首先要 對模電知識(shí)的熟練應(yīng)用，了解前置放大器與功率放大器的原理以及元件參數(shù)設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)。做出音響很具有實(shí)際用處。實(shí)際的音響除了簡單放大之外還有很多功能調(diào) 節(jié)，所以經(jīng)過一個(gè)多星期的資料收集與查詢，乂經(jīng)過兒天的總體構(gòu)思，我決定做 一個(gè)分為四部分，可以對話筒以及音源都能

18、夠放大，并且可以調(diào)節(jié)高低頻率的音設(shè)計(jì)過程中，每一元件都需要精心的計(jì)算，電路圖的設(shè)計(jì)也需精心琢磨。所 有這一切培養(yǎng)了做學(xué)問嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和科學(xué)精神；本次設(shè)計(jì)為今后學(xué)習(xí)其至工作積累 了經(jīng)驗(yàn)。在焊接過程中遇到了多多少少的問題，需要自己細(xì)心耐心解決。因?yàn)?搞設(shè)計(jì)的如果沒有耐心和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑?，是不可能有所成就的。養(yǎng)成這樣的習(xí)慣對自 己以后的道路很有幫助。在本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中自己也暴露出不少缺點(diǎn)，其中包括電 子電路基本知識(shí)不扎實(shí)、對電子設(shè)計(jì)類軟件和集成電子產(chǎn)品不了解等。針對自身 的不足，查漏補(bǔ)缺。在以后的學(xué)習(xí)中要多查閱電子學(xué)習(xí)資料，以豐富自己的理論 知識(shí)，夯實(shí)理論基礎(chǔ)。作為當(dāng)代大學(xué)生，僅僅掌握理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需 要大量的實(shí)踐，加強(qiáng)素質(zhì)，成為一需合格的大學(xué)生。七、參考文獻(xiàn)1 謝自美電子電路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)測試武昌：華中理工人學(xué)出版社，1994.2 余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程M.北京：高等教育出版社，2006： 78813 江曉安，董秀敏，楊松華.數(shù)字電子技術(shù)M.西安：西安電子科技人學(xué)出版社，2008： 158164.4 羅杰，謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試（第4版）M.北京：電子工業(yè)出版社