語音放大電路設(shè)計(jì)

1、語音放大電路設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)的目的1. 通過對語音放大器的設(shè)計(jì)，掌握低頻小信號放大電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法。2. 進(jìn)一步理解集成運(yùn)算放大器和集成功放的工作原理，掌握有源濾波器和功放電路的設(shè)計(jì)過程。3. 了解一般電子電路的設(shè)計(jì)過程和裝配與調(diào)試方法。4. 了解語音信號的有關(guān)知識(shí)。二、系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)1. 話筒放大器輸入信號：輸入阻抗：共模抑制比：2. 語音濾波器（帶通濾波器）帶通頻率范圍：300Hz3kHz3. 功率放大器額定輸出功率：負(fù)載阻抗：電源電壓：頻率響應(yīng)：三、預(yù)習(xí)要求1. 復(fù)習(xí)集成預(yù)算放大器、有源濾波電路及功率放大電路的相關(guān)知識(shí)，了解靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的調(diào)試方法。2. 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，確定各級

2、的電壓放大倍數(shù)和各單元電路的設(shè)計(jì)方案，并確定電路中各元件的參數(shù)值。3. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和測試內(nèi)容自擬實(shí)驗(yàn)方法和調(diào)試步驟。調(diào)試注意：1） 在進(jìn)行直流微弱信號運(yùn)算時(shí)，要注意運(yùn)算放大器的調(diào)零。2） 必要時(shí)進(jìn)行相位補(bǔ)償，避免自激震蕩。3） 由于電路的閉環(huán)輸出電阻極小，所以測量輸出電阻時(shí)所加載電阻不能太小，以免損壞運(yùn)算放大器。四、語音放大器方案首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定整個(gè)語音放大電路的級數(shù)，再根據(jù)各單元電路的功能及技術(shù)指標(biāo)分配各級的電壓增益，然后確定各級電路的元件參數(shù)。由于話筒輸出的信號一般左右，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)語音放大器的輸入信號為、輸出功率為時(shí)，系統(tǒng)的總電壓放大倍數(shù)?？紤]到電路損耗的情況，取。所以系統(tǒng)

3、各級電壓放大倍數(shù)分配：話筒放大器7.5，語音濾波器2.5，功率放大器32。設(shè)計(jì)方案如下： 圖1 語音信號放大器框圖五、語音放大器設(shè)計(jì)1. 話筒放大器由于話筒輸出信號一般只有左右，而共模噪聲可能高達(dá)幾伏，故放大器輸入漂移和噪聲的因數(shù)以及放大器本身的共模抑制比都是在設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素。因此話筒放大電路應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移、能與高阻話筒配接的小信號前置放大器電路。由于受到運(yùn)放增益帶寬的限制，該級增益不易太大，一般取。電路如圖2所示，其中組成同相放大器，具有很高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話筒放大器電路，其放大倍數(shù)為 （1）圖2 話筒放大器電路R為均壓電阻， C2為耦合電

4、容。2. 語音濾波器聲音時(shí)通過空氣傳播的一種連續(xù)的波，稱為聲波。聲音的傳播攜帶了大量信息，是人類傳播信息的一種重要媒體。一般把頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波，這兩類聲音人耳是聽不到的。人耳可以聽到的聲音時(shí)頻率在20Hz 20kHz之間的聲波，稱為音頻信號。人的發(fā)音器官發(fā)出的聲音頻率在80Hz3.4kHz之間，但人說話的信號頻率通常在300Hz3kHz之間，人們把這種頻率范圍的信號稱為語音信號。語音濾波器實(shí)際上是二階有源帶通濾波器，因此根據(jù)語音信號的特點(diǎn)和要求所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的頻率范圍應(yīng)在300Hz3kHz之間。帶通濾波器能夠通過規(guī)定范圍內(nèi)的頻率，這個(gè)頻率

5、范圍就是電路的帶寬。將低通濾波器電路和高通濾波器電路串聯(lián)起來就構(gòu)成帶通濾波器，條件是低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率，兩者覆蓋的帶通就形成了帶通響應(yīng)。濾波器的最大輸出電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率的頻率點(diǎn)上。帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì)因數(shù)Q越高，電路的Q值可用如下公式求出：，由上公式可知，高Q值的濾波器帶寬較窄，但輸出電壓較大；低Q值的濾波器有較寬的帶寬，但輸出電壓較小。在設(shè)計(jì)帶通濾波器之前，首先討論典型的二階有源濾波器。 （1）二階有源LPF 基本原理 典型二階有源低通濾波器如圖3所示，為抑制尖峰脈沖，在反饋回路可增加電容 ，的容量一般為22pF51pF。若濾波器

6、每節(jié)RC回路衰減6dB/倍頻程，每級濾波器衰減12dB/倍頻程。其傳遞函數(shù)的關(guān)系式為： （2）圖 3 二階有源LPF 式（2）中,分別表示如下： 通帶增益 固有頻率 (3) 品質(zhì)因數(shù) 設(shè)計(jì)方法設(shè), ,則 (4) 由式（4）得知，fn、Q可分別有R、C值和運(yùn)放增益Auf的變化來單獨(dú)調(diào)整，相互影響不大，因此該設(shè)計(jì)法對要求特性保持一定而在較寬范圍內(nèi)變化的情況比較適用，但必須使用精度和穩(wěn)定性較高的元件。在圖3中，Q值按照近似特性可有如下分類： 為巴特沃思特性 為貝塞爾特性 為切比雪夫特性設(shè)計(jì)實(shí)例 要求設(shè)計(jì)如圖3所示的具體巴特沃思特性（）的二階有源LPF，已知fn=1KHZ.。取, ,由式（4）可得：

7、（2） 二階有源HPF 基本原理 HPF與LPF幾乎具有完全的對偶性，把圖3中的R1、R2和C1、C2位置互換就構(gòu)成如圖4所示的二階有源HPF。二者的參數(shù)表達(dá)式與特性也有對偶性，二階HPF的傳遞函數(shù)為： (5)式中： (6) 設(shè)計(jì)方法HPF中R、C參數(shù)的設(shè)計(jì)方法也與LPF相似。設(shè)C1=C2=C,R1=R2=R,根據(jù)所要求的，,可得 (7)圖4 二階有源HPF錯(cuò)誤！未找到引用源。設(shè)計(jì)實(shí)例 設(shè)計(jì)如圖4所示的具有巴特沃思特性的二階有源HPF（），n=1kHz。計(jì)算R、C的參數(shù)值。選取，求得Auf=1.58，C1=C2=C=1000pF。錯(cuò)誤！未找到引用源。二階有源帶通濾波器錯(cuò)誤！未找到引用源?；驹?/p>

8、理帶通濾波器（BPF）能通過規(guī)定范圍的頻率，這個(gè)頻率范圍就是電路的帶寬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(diǎn)上。錯(cuò)誤！未找到引用源。參考電路BPF的電路形式較多，下面列舉一、二供參考。(a) 文氏橋式帶通濾波器大家所熟悉的RC橋式振蕩電路其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)選擇性很好的有源帶通濾波器電路。該電路在滿足R1=R2=R，C1=C2=C的條件下，Q值與中心頻率分別為： (8) 式中,而帶通電壓增益為 (9)（b）寬帶帶通濾波器在滿足LPF的帶通截止頻率高于HPF的帶通截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的LPF和HPF串接起來可以實(shí)現(xiàn)Butteworth通帶響應(yīng)，如圖5所示。用該方法

9、構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用于測量信號噪聲比（S/N）的音頻帶通濾波器，如在電話通令系統(tǒng)中，采用圖5所示濾波器，能抑制低于300Hz和高與3000Hz的信號，整個(gè)通帶增益為8dB，運(yùn)算放大器為741。 圖 5 寬帶BPF3. 功率放大電路圖6 功率放大電路功率放大電路的作用是將前級電路送來的微弱電信號進(jìn)行放大，從而推動(dòng)揚(yáng)聲器完成電（信號）聲（信號）的轉(zhuǎn)換過程。要求功率放大電路的輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換效率盡可能高，非線性失真盡可能小。功率放大電路的電路形式很多，本設(shè)計(jì)采用電路簡單、工作穩(wěn)定的集成功率放大器LM386。它的電源電壓范圍非常寬，在412V之間，最高可使用

10、到15V。LM386的消耗靜態(tài)電流為4mA，它的典型輸入阻抗為50。若在1腳、8腳之間接一較大電容，電路的增益可達(dá)200倍。若將1腳、8腳開路，則放大器的負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng)，電路的增益為20倍。因此，在1腳、8腳之間接電位器和電容，調(diào)節(jié)電位器，則集成功放的電壓增益可在20200之間任意調(diào)整。電路中的輸入信號經(jīng)電容接入同相輸入端3腳，反向輸入端2腳接地，故構(gòu)成單端輸入方式。由于采用單電源工作，故須將輸出端（5腳）通過大容量電容220輸出，以構(gòu)成OTL電路。10和0.047構(gòu)成揚(yáng)聲器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可吸收揚(yáng)聲器的反電動(dòng)勢，用以抵消揚(yáng)聲器線圈電感在高頻時(shí)產(chǎn)生的不良影響，改變功率放大電路的高頻特性和防止高頻自激。4

11、腳為接地端，6腳以及所接的電容為正電源端和電源濾波電容，濾波電容可降低電源高頻阻抗，防止電路高頻自激，其目的是使LM386工作穩(wěn)定。7腳接旁路電容，大容量電容220還可以隔直耦合輸出。 靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為VCC/2，LM386的最大不失真輸出電壓的峰-峰值大約為電源電壓VCC，RL為負(fù)載，最大輸出功率表達(dá)式為： （10）此時(shí)的輸入電壓有效值的表達(dá)式為： （11）AU的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)3。4語音放大器總體電路 圖7 語音放大器總體電路六、語音放大器調(diào)試在實(shí)驗(yàn)電路板上組裝所設(shè)計(jì)的電路，檢查無誤后通電源進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試時(shí)要注意先進(jìn)行基本單元電路的調(diào)試，然后再系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。也可以對單元電路采取邊組裝

12、邊調(diào)試的方法，最后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。1.話筒放大器1) 靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激震蕩。2) 動(dòng)態(tài)調(diào)試：在輸入端輸入信號（輸入正弦信號、幅值與頻率自選），測量輸出電壓，并觀察和記錄輸出電壓與輸入電壓的波形（幅值、相位關(guān)系），算出放大倍數(shù)。3) 測量幅頻特性，求出上、下限截止頻率。2.語音濾波器1) 靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激震蕩。2) 測量幅頻特性。計(jì)算出帶通濾波電路的帶寬。3) 在通帶范圍內(nèi)，輸入端輸入信號（輸入正弦信號、幅值與頻率自選），測量輸出電壓，算出通帶電壓放大倍數(shù)（通帶增益）。3.功率放大電路1) 令功率放大電路輸入為零（將輸入端短路），用示波器觀察輸出端有無自激，若有自激，應(yīng)采用措施消除自激

13、。2) 在功率放大電路輸入端加入1kHz的正弦信號電壓，逐漸加大輸入電壓的幅度，使輸出信號達(dá)到最大不失真輸出，用毫伏表測出輸出電壓，并記錄此時(shí)間輸入電壓的幅度。計(jì)算出、和，填入自擬的表中。4.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)經(jīng)過以上對各級放大電路的局部調(diào)試之后，可以逐步擴(kuò)大到整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。1) 令輸入信號（前置級輸入對地短路），測量LM386輸出端5腳直流輸出電壓應(yīng)為。2) 輸入的正弦信號，改變幅度，用示波器觀察輸出電壓波形的變化情況，記錄輸出電壓最大不失真幅度所對應(yīng)的輸入電壓的變化幅度。3) 輸入為一定值的正弦信號（在不失真范圍內(nèi)取值），改變輸入信號的頻率，觀察的幅值變化情況，記錄下降到0.707之內(nèi)的頻率變化范圍。4) 計(jì)算總電壓放大倍數(shù)。5) 模擬試聽效果。去掉信號源，改接話筒或收音機(jī)的耳機(jī)輸出口，用喇叭代替RL，聽到音質(zhì)清楚的聲音或音樂。七、設(shè)計(jì)報(bào)告（1） 整理各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填入自擬的表格中。（2） 畫出有源帶通濾波器的幅頻特性曲線，畫出各級輸入、輸出電壓的波形（標(biāo)出 幅值、相位關(guān)系），分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。（3） 將實(shí)驗(yàn)測量值分別與理論值進(jìn)行比較，分析誤差原因。（4） 整體測量結(jié)果和視聽結(jié)果，分析是否滿足設(shè)計(jì)要求。（5） 整理在整個(gè)調(diào)試過程中和試聽中所遇到的問題以及解決的辦法。八、主要元器件集成運(yùn)算放大器 uA741 3片