音響放大器課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　音響放大器設(shè)計報告</b></p><p>　　一 . 設(shè)計要求 </p><p>

2、;　　設(shè)計一個音響放大電路，當輸入信號源和話筒的聲音時，輸出一個放音和音量都可調(diào)音響。具體要求：</p><p>　　輸出功率P大于或等于1W,負載阻抗R=8,失真<5%。頻響特性:低頻截止頻率fL=40HZ，高頻截止頻率fh=20KHZ（人耳的聽覺范圍）。</p><p>　　音調(diào)控制：中頻f0=1KHZ處增益是0dB，當頻率為100HZ和8KHZ處有 12dB的調(diào)節(jié)范圍

3、，低頻和高頻段得最大增益為20dB（放大倍數(shù)AVLm和AVHm均是10倍。</p><p>　　話筒輸出靈敏度是5~8mv。</p><p>　　二 . 設(shè)計的作用、目的</p><p>　　音響放大電路是把麥克風和拾音（從錄音機、電唱機中取出）信號一起混合放大但又不出現(xiàn)失真的電路?？梢苑糯髆p3,碟機等輸出的模擬信號，我們常見的音頻功放和此原理大致相同，將此電路應

4、用于實際，可以放大音樂，并且人們可以調(diào)節(jié)其音調(diào)和聲音的大小，其中的音調(diào)控制級電路可以調(diào)節(jié)音頻信號低頻段和高頻段的增益，從而達到不用的試聽效果。通過對此音頻放大的模擬，我們可以從中學到很多貼近生活的知識，了解常其內(nèi)部原理，于此同時又能鞏固我們學習的模擬電路知識，將課本上所學與實際相聯(lián)系，培養(yǎng)我們設(shè)計電路，模擬電路的興趣，為我們進一步的學習打下堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　三. 設(shè)計的具體實現(xiàn)</p>

5、<p><b>　　1.系統(tǒng)概述</b></p><p>　　音響設(shè)備是是使用廣泛的電子設(shè)備，其中電路是音響放大器。盡管由于功能和性能的不同其電路有所不同，但基本組成相同，其原理框圖:圖1.1</p><p><b>　　圖1.1原理框圖</b></p><p>　　該電路主要由三部分組成，混合前置放大級，音

6、調(diào)控制級，和功率放大級三大部分組成。</p><p>　　第一級，混合前置放大級，模擬選用的是LM324AD集成運放芯片，將輸入的話筒信號和磁帶放音機信號做加法運算。其中話音放大級輸出5-8 mv的微弱電壓，仿真中用幅值為5 mv的正弦波代替。磁帶收音機輸出用幅值為50 mv的正弦波代替。</p><p>　　第二級，音調(diào)控制級。為了達到理想的試聽效果，讓輸入的音頻信號在低頻段100 HZ

7、 處和高頻段8000 HZ處各有12dB的增益。其中中頻段1kHZ處增益為0dB，電壓放大倍數(shù)為一倍，實際上有衰減，故取0.8倍。</p><p>　　第三級，為功率放大級，此處使用的是由集成運放與晶體管組成的OCL功率放大器電路。電壓放大倍數(shù)為60倍，增益為28dB。</p><p><b>　　設(shè)計總體方案</b></p><p>　　設(shè)計

8、思路是先整體后局部。按照各級功能及技術(shù)要求，首先確定各級增益分配，而又分別選擇，設(shè)計各級電路元器件以及參數(shù)。通常從功放級開始向前逐步設(shè)計。根據(jù)技術(shù)指標要求音響放大器輸入信號5mv，功率輸出p>=1w,由公式</p><p>　　P=U2/R>=1W,得出U>=2.8v,取u=4v,則整體放大電路電壓放大倍數(shù)AU=4V/5mv=800</p><p>　　(增益約為55.5

9、dB)。功率級屬于大信號輸入（100mv以上）其電壓放大倍數(shù)一般為幾十倍。當音調(diào)在中頻段是既(f=1khz)時，電壓放大倍數(shù)為1倍(增益為0dB)，但在實際中會有衰減，所以一般取0.8倍?；旆藕驮捦卜糯蠹?，不但要考慮自身輸入的信號大小，還要考慮在集成運放中增益帶寬積的限制一般混放級Au取幾倍話放級取10倍左右。 </p><p><b>　　其大致框圖如1.2</b></p>

10、<p><b>　　圖1.2大致框圖</b></p><p><b>　　5mv </b></p><p>　　→ 150 → 120mv → 3v </p><p><b>　　50mv </b></p><p>　　

11、2. 單元電路設(shè)計，仿真與分析</p><p>　　2.1功率放大電路（第三級）</p><p>　　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。由集成運放與晶體管組成的OCL功率放大器電路如圖1.3所示，其中，運放為驅(qū)動級，晶體管T1～T4級成復合式晶體管互補對稱電

12、路</p><p>　　圖1.3功率放大器電路圖</p><p><b>　　電路工作原理</b></p><p>　　三極管T1、T2為相同類型的NPN管，所組成的復合管仍為NPN型。T3、T4為不同類型的晶體管，所組成的復合管的導電極性由第一只決定，即為PNP型。R5、R6、R15及二極管D1、D2所組成的支路是兩對復合管的基極偏置電路，靜

13、態(tài)是支路電流I0可由下式計算： </p><p>　　I0=(2Vcc-2VD)/(R4+R5+RP2) （2.1.1）VD為二極管的正向壓降</p><p>　　為減小靜態(tài)功耗和克服交越失真，靜態(tài)時T1、T3應工作在微導通狀態(tài)，即滿足下列關(guān)系：VAB/VD1+VD2/BE1+VBE3 </p><p>　　稱此狀態(tài)為有

14、甲乙類狀態(tài)。二極管D1、D2與三極管T1、T3應為相同類型的半導體材料，如圖D1、D2為硅二極管2CP10，則T1、T3也應為三極管。R15用于調(diào)整復合管的微導通狀態(tài)，其調(diào)節(jié)范圍不能太大，一般采用幾百歐姆或1K?電位器（最好采用精密可調(diào)電位器）。安裝電路時首先應使R15的阻值為零，在調(diào)整輸出級靜態(tài)工作電流或輸出波形的交越失真時再逐漸增大阻值。否則會因R15的阻值較大而使復合管損壞。</p><p>　　R8、R1

15、0用于減小復合管的穿透電流，提高電路的穩(wěn)定性，一般為幾十歐姆至幾百歐姆，R11、R12為負反饋電阻，可以改善功率放大器的性能，一般為幾歐姆。R7、R9稱為平衡電阻使T1、T3的輸出對稱，一般為幾十歐姆至幾百歐姆。R13、C3稱為消振網(wǎng)絡(luò)，可改善負載為揚聲器時的高頻特性。因揚聲器呈感性，易引起高頻自激，此容性網(wǎng)絡(luò)并入可使等效負載呈阻性。此外，感性負載易產(chǎn)生瞬時過壓，有可能損壞晶體三極管T2、T4。R13、C3的取值視揚聲器的頻率響應而定，

16、以效果最佳為好。一般R12為幾十歐姆，C3為幾千皮法至0.1F。</p><p>　　功放在交流信號輸入時的工作過程如下：當音頻信號Vi為正半周時，運放的輸出電壓Vc上升，VB亦上升，結(jié)果T3、T4截止，T1、T2導通，負載RL中只有正向電流iL，且隨Vi增加而增加。反之，當Vi為負半周時，負載RL中只有負向電流iL且隨Vi的負向增加而增加。只有當Vi變化一周時負載RL才可獲得一個完整的交流信號。</p&g

17、t;<p><b>　　靜態(tài)工作點設(shè)置：</b></p><p>　　設(shè)電路參數(shù)完全對稱。靜態(tài)時功放的輸出端O點對地的電位應為零，即VO=0，常稱O點為“交流零點”。電阻R1接地，一方面決定了同相放大器的輸入電阻，另一方面保證了靜態(tài)時同相端電位為零，即V+=0。由于運放的反相端經(jīng)R3、RP1接交流零點，所以V-=0。故靜態(tài)時運放的輸出Vc=0。調(diào)節(jié)RP1電位器可改變功放的負反饋

18、深度。電路的靜態(tài)工作點主要由I0決定，I0過小會使晶體管T2、T4工作在乙類狀態(tài)，輸出信號會出現(xiàn)交越失真，I0過大會增加靜態(tài)功耗使功放的效率降低。綜合考慮，對于數(shù)瓦的功放，一般取I0=1mA～3mA，以使T2、T4工作電甲乙類狀態(tài)。</p><p><b>　　仿真過程：</b></p><p>　　圖1.4 功率放大器仿真圖</p><p>

19、　　在仿真過程中，給輸入端加一幅值為120mv,周期為1000Hz的正弦波，通過示波器可得到其波形如圖1.4</p><p>　　當輸入幅值為120mv頻率1000HZ的正弦波時，輸出幅值為3.215v的不失真正弦波，其幅值和放大倍數(shù)已滿足條件。放大倍數(shù)Au3=3/0.12=25。</p><p>　　2.2音調(diào)控制（第二級）

20、 </p><p>　　音調(diào)控制級的目的是調(diào)節(jié)音響放大器的頻率響應，以滿足人們對不同音調(diào)</p><p>　　的不同需求。常用的有衰減式，反饋式，圖解式，其中反饋式因調(diào)節(jié)方便，元件較少，在中小功率的電路中很常見。反饋式音調(diào)控制級得框圖和頻響如圖1.5</p><p>　　圖1.5音調(diào)控制頻率響應</

21、p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　音調(diào)控制級是以中頻一千赫茲增益零分貝為基礎(chǔ)，對低音頻區(qū)和高音頻區(qū)的增益進行提升和衰減。中頻f=1kHZ時，C1和C2相當于短路，C3開路，Rp2很大相當于開路，中頻時AU=R2/R1=1(相當于0dB).</p><p>　　綜合考慮各電阻的選取原則，一般R1,R2,R3取幾至幾十千歐，

22、此處</p><p>　　R1=R2=R3=R=43KΩ，RP1=RP2=470KΩ。</p><p>　　由fl=40HZ=1/2πRC1得C1=0.01UF,由高頻段等效模型得Ra=3R=129kΩ</p><p>　　由fh=20000HZ=1/2πRaC3得C3=470PF.</p><p>　　其中C0為耦合電容，可以濾去低頻段的直

23、流分量，使第一級和第二級靜態(tài)工作點互不影響。</p><p>　　音調(diào)控制器的組成和音調(diào)調(diào)節(jié)的基本原理。其實質(zhì)就是一反饋網(wǎng)絡(luò)，組成RC網(wǎng)絡(luò)和放大器組成閉環(huán)系統(tǒng)，放大器要求輸入電阻無窮大，輸出電阻無窮小，所以采用的集成運算放大器較好。經(jīng)過嘗試，最后選用multisim中通用型集成運算放大器，設(shè)計電路圖如圖1.6</p><p>　　圖1.6音調(diào)控制電路</p><p>

24、;<b>　　低音頻區(qū)時,</b></p><p>　　c3相當于開路，RP1調(diào)至最右端時低頻衰減最大。</p><p><b>　　電路圖如1.7</b></p><p>　　圖1.7低頻衰減電路</p><p>　　圖1.8低頻衰減仿真</p><p>　　測得輸入幅值1

25、49mv，輸出幅值為126mv，放大倍數(shù)約為0.8倍；</p><p>　　交流分析如圖1.9，</p><p>　　圖1.9低頻衰減交流分析</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可知，頻率約為100HZ時，的衰減倍數(shù)約為1000/275≈3.6倍。約為-11.6dB。</p><p><b>　　幅頻特性如圖2.0</b>&

26、lt;/p><p>　　圖2.0低頻衰減幅頻特性</p><p>　　由上邊數(shù)據(jù)可知，當頻率為100HZ時，下降11.1609dB,基本符合設(shè)計要求。</p><p>　　低頻提升等效模型如圖2.1，</p><p>　　如圖2.1低頻提升電路</p><p>　　其交流分析如圖2.2，</p><p&

27、gt;　　圖2.2低頻提升交流分析</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可知在100HZ處放大3.6倍，即增益+11.2dB。</p><p>　　高頻時，C1，C2可視為短路，其等效變換如圖2.3</p><p>　　圖2.3高頻等效電路</p><p>　　星型變換為角型如圖2.4，</p><p>　　圖2.4高頻等效

28、變換電路</p><p>　　RP2最左端時，對應高頻提升，圖2.5</p><p>　　圖2.5高頻提升電路</p><p>　　其對應交流分析如圖2.6，</p><p>　　圖2.6高頻提升交流分析</p><p>　　圖中對應8000HZ時，對應放大倍數(shù)為3.4542，約等于11.1dB基本符合設(shè)計要求。RP2

29、最右端時，對應高頻衰減，如圖2.7，</p><p>　　圖2.7高頻衰減電路</p><p>　　其對應交流分析如圖2.8，</p><p>　　圖2.8高頻衰減交流分析</p><p>　　其放大倍數(shù)為296/1000≈3.3倍即-11.1dB.</p><p><b>　　數(shù)學模型（低頻段）</b

30、></p><p>　　低頻等效電路圖中電壓放大倍數(shù)的數(shù)學表達式為</p><p>　　其中電路電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui=-(R2/(R1+Rp1)）* </p><p>　　其中fl1=1/2Rp1C1, fl2=(R+Rp1)/2Rp1RC1，</p><p><b>　　其模值為</b>

31、</p><p><b>　　A</b></p><p><b>　　參照以上分析結(jié)果，</b></p><p>　　當f<fl1時，C1可視為開路，此時有Au=R/(R+RP1)=0.1相當于-20Db。</p><p>　　當f=fl1時，因fl2=10fl1,由公式得，Au1=Aulm,

32、比Alum上升3dB.</p><p>　　當f=fl2時，Aul2=10Aulm/,比中頻增益低3dB.</p><p>　　f在fl1和fl2之間變化時，可近似認為電壓增益以每倍頻六分貝的斜率變化。</p><p>　　以上為低頻衰減，低頻提上段與其對稱。</p><p>　　在f<fl1，f=fl1，f=fl2時分別提升為+20d

33、B，+17dB,+3dB,</p><p><b>　　同理在高頻段時，</b></p><p><b>　　數(shù)學模型（高頻段）</b></p><p>　　其放大倍數(shù)表達式為，</p><p>　　Au =-(Rb/ Ra)*</p><p>　　W1=2πfh1=1/[(

34、Rb+R4)C3]</p><p>　　fh1=1/[2π(Rb+R4)C3]</p><p>　　W2=2πfh2=1/ R4C3</p><p>　　fh2=1/(2πR4C3)</p><p><b>　　Au=</b></p><p>　　由其模值的表達式可知，</p>&l

35、t;p>　　當f=fh1時，模值A(chǔ)uh1=Rb/Ra比中頻（Au=Rb/Ra=10）下降了3dB；當f=fh2時，</p><p>　　Auh2=Rb/10Ra，比中頻段下降了17dB。</p><p>　　當f在fh1和fh2之間變化時，因為fh1<<fh2可近似認為增益以每倍頻呈6dB的斜率變化.以上為高頻衰減，與其對應的高頻提升在f=fh1，f=fh2，f>f

36、h2ss時分別提升3分貝，17分貝，20分貝。</p><p>　　由fl2=flx*2x/6 =400HZ， fh1=fhx/2x/6 =2Khz，fl=40HZ， fh=20000HZ</p><p>　　2.3混合放大輸入級(第一級)</p><p>　　考慮到音頻輸入信號，話筒輸入約為5-8mv聲音信號，而磁帶錄音機輸入約為50-80mv的聲音信號，故設(shè)計此

37、級為不同放大倍數(shù)的加法運算電路，有公式</p><p>　　Au = - 放大倍數(shù)分別為10倍和2倍，故取第一級R1，R2，Rf,分別為3kΩ，15 kΩ,30 kΩ。集成運放使用的是LM324，它是四運放集成電路，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

38、輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；考慮到它為四運算放大，此處我們只使用其1/4部分。</p><p>　　設(shè)計電路圖如圖2.9</p><p>　　圖2.9混合放大電路</p><p>　　信號發(fā)生器1輸入幅值為5mv頻率1kHZ的正弦波，信號發(fā)生器2輸入幅值為50mv頻率1kHZ的正弦波,由示波器觀察到的波形如圖3.0</p><p>　

39、　圖3.0混合輸入放大仿真</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可知5mv放大十倍，50mv放大兩倍，其和為150，結(jié)果計算基本吻合。綜合各級電路，總電路設(shè)計圖3.1</p><p><b>　　圖3.1總設(shè)計圖</b></p><p>　　在分級調(diào)試過程中，出現(xiàn)了問題，不能用兩個信號源輸入兩路信號，這樣會導致波形失真和不能進行交流分析和噪聲分析。交

40、流分析和直流分析時，要輸入一基準信號，經(jīng)過多次調(diào)試，才發(fā)現(xiàn)這個問題。最后給輸入端輸入幅值50mv,頻率50HZ的正弦波，得到了理想的波形。用示波器觀察，其波形如圖3.2</p><p>　　圖3.2總設(shè)計圖仿真</p><p>　　由上面的結(jié)果可知一級，二級，三級，輸出的幅值分別為90.583mv,118.082mv，</p><p>　　3.250v.其放大倍數(shù)A

41、u=3v/50 mv=60倍，即約等于35.4分貝，波特圖3.3</p><p><b>　　圖3.3波特圖</b></p><p>　　其中頻段為增益為35.5分貝，低頻截止頻率為14HZ，高頻截止頻率為20000HZ.</p><p><b>　　3 電路的調(diào)試</b></p><p><

42、b>　　輸出功率的調(diào)試</b></p><p>　　將R6置于最大，輸出功率級接額定負載，混放級輸入1KHZ，50mv電壓，察示波器上的波形，觀察其是是否失真并計算其輸出功率，看是否達到要求，若出現(xiàn)失真，或功率沒達到要求，那么調(diào)節(jié)各級滑動變阻器，使其達到要求。</p><p><b>　?、谝粽{(diào)控制的調(diào)試</b></p><p&g

43、t;　　斷開音調(diào)控制級的前后電路，把150mv的電壓輸入，再在音調(diào)控制級的輸出端測量輸出電壓和波形，先測1KHZ的值，在分別測高頻和低頻特性。測試方法：調(diào)節(jié)滑動變阻器Rp1和Rp2，記錄其上下限頻率。</p><p><b>　　四.心得體會及建議</b></p><p><b>　　1.心得體會</b></p><p>

44、　　每一個學習電子相關(guān)的人都有電子制作的經(jīng)歷，而其中很重要的一部分就是對你將要制作的東西，進行可行性的分析，而multisim正解決了這一問題，在此次設(shè)計電路的過程中，從開始時的不斷失敗到逐漸得心應手，到最后的設(shè)計制作成功，其中的滋味是沒有制作經(jīng)歷的人所無法領(lǐng)會的。通過這次模擬實驗，通過模擬組裝、調(diào)試使我們快速步入電子設(shè)計的大門。模擬過程也是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的調(diào)試要一步一步來，不能急躁，在電腦上調(diào)試考

45、驗了我們的操作水平。</p><p>　　剛開始拿到課題，無從下手，后來經(jīng)過查閱資料，上網(wǎng)搜集信息，與同學討論，在郭老師的指導下，將設(shè)計的電路一部部改進，增強了可行性。</p><p>　　這次模擬電路的設(shè)計，我們將所學知識付諸了實踐，提高了動手操作能力和各項思維。付出了汗水后，對自己的成功感到欣慰和開心。</p><p><b>　　2.建議</b

46、></p><p>　　本次的模擬過程中省略了話筒信號的混響B(tài)BD結(jié)構(gòu)，實物制作過程中可能達不到理想的試聽效果，以后可以將電路圖繼續(xù)完善，制成實物，增強自己的成就感。</p><p>　　三級電路中前兩級集成運放芯片可選擇專用的音樂芯片，其效果應該更好。此次制作的是單聲道輸出，以后可以嘗試制成多聲道音頻功放。</p><p>　　Multisim只能定性的分析

47、電路的可行性，但不代表其就能達到真實的效果，其測試數(shù)據(jù)有待事實的考證，不能盲目輕信模擬數(shù)據(jù)。</p><p>　　五.附錄（元器件列表）</p><p><b>　　六．參考文獻</b></p><p>　　[1]苗松池《電子實習與課程設(shè)計》 中國電力出版社.2010.2</p><p>　

48、　[2]路勇《電子電路實驗及仿真》 清華大學出版社.2004.1</p><p>　　[3] 高吉祥《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計》 北京電子工業(yè)出版社.2001</p><p>　　[4]陳明義《電子技術(shù)設(shè)計實用教程》 中南大學出版社，2002</p><p>　　[5] 高青《Multisim 8電子工作平臺及應用》