模电课设音响放大器讲解.docx
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模电课设音响放大器讲解
音响放大器的设计与仿真实现
一、实验方案
1.1电子混响
采用MN3200系列电子混响延时器
MN3200系列芯片在市场上易购得且价格便宜,尽管需要的元件多些。
相比之下,方案一的实践操作性更好,选择方案一更为合理。
1.2主要部分的设计方案方案选择
方案一:
话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级各用一个UA741,功
率放大级用LA4102。
方案二:
话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个LM324功率
放大级用LA4102。
比较选择:
由于多级放大各级信号会互相产生干扰,合理布线,把级与级间的距离拉大是减小信号干扰的好方法,此时方案一是个不错的选择,但每一级各用一个UA741电路元件增多,电路板面积就会增大,不但不美观也不经济。
方案二中LM324是四运放集成电路,电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉、放大效果好,话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个LM324电路元件少,占用电路板面积小,不仅美观而且经济。
二、单元电路的设计与参数计算
2.1话音放大电路的设计
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,而输出阻抗达到20kQ(亦有低输出阻抗的话筒如20Q,200Q等),所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)。
其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。
电路原理图,电压放大倍数Av仅由外接电阻R11和R12决定:
Av=1+R12/R11
按要求该级的放大倍数Av=8.5,器电路原理图如图2.1所示
2.2混合前置放大级
Av=—(V1R22/R21+V2R22/R23)
C21…
话筒V1R21
10uF10K
C23“门
录音机Ui1_R23
430K
10uF
根据整机增益分配可知,要使话筒与录音机输出经混响级后的输出基本相
等,要求R22/R21=3,R22/R23=1,所以选择R22=30KR21=10KR23=30K耦合电容C21、C22,C23采用10uF的极性电容。
2.3音调控制器
音调主要是控制、调节音响放大器的幅频特性,理想的控制曲线如图2.3.1中折线所示
Av/dB
20
17
图中,fL1表示低音频转折频率,一般为几十赫兹;fL2(等于10fL1)表示低音频区的中音频转折频率;f0(等于1kHz)表示中音频率,要求增益AV0=0dBfH1
表示高音频区的中音频转折频率;fH2(等于10fH1)表示高音频转折频率,一般为几十千赫兹
由图可见,音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减,中音频的增益保持OdB不变。
因此,音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。
由运放构成的音调控制器,如图2.3.2所示。
这种电路调节方便,元器件少,在一般收音机、音响放大器中应用较多。
下面对该电路原理进行分析。
图2.3.2中RP1是为低音调节,RP2为高音调节,通过运放LM324的负反馈,实现高音和低音最大正负20dB调节。
设电容3=C2»C,在中、低音频频区,C3视为开路,在中、高音频区,C1、C2视为短路。
(1)当f 其中,图(a)所示的为RP1的滑臂在最左端,对应于低频提升最大的情况;图(b)所示的为RP1的滑臂在最右端,对应于低频衰减最大的情况。 分析表明,图(a)所示的电路是一个一阶有源低通滤波器,其增益函数的表达式为 式中,31=1/(RP1C2,s2=(RP1+R2/(RP1R2C) (b) (a) 当fvfL1时,C2可视为开路,运算放大器的反向输入端视为虚地,R4的影响可 以忽略,此时电压增益 此时电压增益相对AVL下降17dB。 同理可以得出图(b)所示电路的相应表达式,其增益相对于中频增益为衰减量, 最大衰减量为|扛|二_生_ 1lrahRpfR: (2)对于高频区,C1、C2可视为短路,作为高通滤波器,等效电路如图2.3.4 图(c)为RP2的滑臂在最左端时,对应于高频提升最大的情况;图(d)为RP2的滑臂在最右端时,对应于高频衰减最大的情况。 分析表明,图(c)所示电路为一阶有源高通滤波器,其增益函数的表达式为 A(j);: Rb 1 j /3 (2.3.5) Ra 1 j /4 式中,31/Ra R3 C3 或 fH1 1/2nRa R3 C3 41/R 3C 3 或 fH2 1/2 R3 C3 当fvfHI(<3)时,C3视为开路,此时电压增益AV0=-1(0dB) 在f=fH1时,因fH2=10fH1由式2.3.5得 此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。 在f=fH2时,io AV4^J~2Avo 此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dBo当f>fH2时,C3视为短路,此时电压增益: AVH=(Ra+R3)/R3。 同理可以得出图(d)所示电路的相应表达式,其增益相对于中频增益为衰减量。 根据音响放大器的设计技术指标,要使AVL=AVIH20dB,结合AVL的表达式可知,R1、R2,RP1不能取得太大,否则运放漂移电流的影响不可忽略,但也不能太小,否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。 一般取几千欧姆至几百千 欧姆,RP1最大只能取470K,R1、R2取47K,则AVL=(RP1+R2)/R1=11(20.8dB),C=1/2nRP1fL1=0.008uF,取标称值0.01uF,即卩C31=C32=0.01uF又 R仁R2=R4=47,则Ra=3R4=30k,R3=Ra/10=13k.C3取470pF,由于在低音时,音调控制电路输入阻抗近似为R1,所以级间耦合电容可取C仁C2=10uF 2.4功率放大器的设计 功率放大器(简称功放)的作用是给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。 当负载一定时,希望输出的功率尽可能大,输出信号的非线性失真尽可能地小,效率尽可能咼。 13 ■: 3 .■■■■.Ml■■■■Ml■■卜■IM■■■M卜■■■MliMIM,■■■■IMMl■“■■■MMl■■ 54 图2.4.1 功放的核心是LA4102,图2.4.1所示的为LA4102的内部电路。 图242 RFCF与内部电阻R11组成交流负反馈支路,控制功放级的电压增益AVF 即Avf1R11/RfR11/Rf(2姑) 由其内部电路知R1仁20K按性能指标AVF=30咅,所以RF应取650Q。 CB 几百皮法。 CC为OTL电路的输出端电容,两端的充电电压等于VCC/2,CC—般取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。 CD为反馈电容,消除自激振荡,CD一般取几百皮法。 CH为自举电容,使复合管T12、T13的导通电流不随输出电压的升高而减小。 C3C4可滤除纹波,一般取几十微法至几百微法。 C2为电源退 耦滤波,可消除低频自激。 综合有关资料可按电路图243中各元件的参数选择各元件参数。 2.5电子混响延时器 电子混响延时器是用电路模拟声音的多次反射,产生混响效果,使声音听起来具有一定深度感和空间立体感。 模拟混响延时电路的组成框图如下4-3图所 示。 其中电路BBD称为模拟延时器,器内部有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。 在外加时钟脉冲作用下,电子开关不断地接通和断开,对输入信号进行采样、保持并向后级传递,从而使BBD的输出信号相对于输入信号延迟一段时间。 BBD 的级数越多,时钟脉冲的频率越高,延时时间越长。 BBD配要有专业专用的时钟 电路,例如,MN3102寸钟电路与MN320C系利的BBD配套。 电子混响延时器产生电路其优点是,在一个音响电路中可以产生很好的音响混合效果,使音响发出来的声音具有动听悦耳的效果。 缺点,在这个过程中失真 度相对而言会加高,同时在电路方面还要配带自己已经所定的延时时钟电路。 在 电路方面也比较复杂,在电路调试方面带来很多不好的地方。 所以本次设计中不采用延时放大器。 而是通过一个RC低通滤波器来提高音量,经过一些简单的电路来达到混响的效果。 其框图如图2.5.1所示。 三、单元电路的仿真 3.1话音放大电路的仿真 按图3.1.1连接好电路,根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值,便将其保存成电路文件。 图3.1.1 3.1.1输出波形测试 其仿真波形图如图3.1.1所示 输入波形: 输出波形: ・.(lDtvnii0Sfl*nqi乐・41门的阿吟気号■IlmH4(MtmvQOl 图3.1.1 3.1.2动态指标Av的测试 在电路的输入端输入信号频率为1Khz的正弦波,调整输入信号的幅度,使输出电压Vo不失真,讲测试结果填入下表,并与理论值比较 表3-1语音放大器放大倍数的测试结果 R/ Rf/ Vi/mv Vo/mv Rf Av1-R7 AvVo/Vi(实测) 10k 75k 5 42.463 8.5 8.4926 10 84.941 8.4941 20 169.877 8.49435 结论: 仿真实测值与理论值基本相符 3.1.3幅频特性的测量 将频率特性测试仪接入电路,根据上,下限频率fH,fL的定义,当电压放大 倍数的幅值20log|AvI下降3dB时所对应的频率即为电路的上,下限频率,将 从测试结果填入下表 话筒放大器的频率上下限测试 话筒放大器上,下限频率的测试结果 频率 fH fL 测量值 9557KHZ 19.453Hz 3.2混合前置放大器 3.2.1电路设计 按图3.2.1连接好电路,根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值,便将其保存成电路文件。 图3.2.1混合前置放大电路仿真图 幅频特性的测量: 特征频率特性测试仪接入电路,根据上,下限频率fh,fl的定义,当电压放大倍 数的幅值下降3dB是所对应的频率几位电路的上,下限频率,讲测试结果填入表3-2-2 表3-2-2混合前置放大器上下限频率的测试 fH fL 测量值 201.132KHZ 2.412Hz 3.3音调控制电路 3.3.1电路设计 按图3.3.1接好电路,根据设计确定电路中电阻和电容的具体数值,并将其保存 成电路文件。 图331音调控制电路仿真电路图 (2)音调控制特性的测量: 低音衰减与提升: 将高音提升与衰减电位器PR2滑动端调到居中位置(即可变电阻器PR1的百分比为50%,低音提升和衰减电位器PR1滑头调到最左边(低音提升最大位置,即可变电阻器PR1的百分比为100%. ①调节信号发生器,使输出信号f=40HZ,Vm=100mV调节电路中音量调节电位器PR3使电路输出电压达到最大值,记录此时PR3的数值和输出电压的幅值。 PR3=0K_Vom=698.0mV 2保持PR3的数值和输入信号幅度不变,讲频率特性测试仪接入电路,设置工作频率的范围为40HZ----1KZ,测试电路的幅频响应曲线,并记录。 (由于此时C1被短路,当F增大是,Vo将减小。 )观察所记录的幅频响应曲线,从图中独处低音部分的最大提升量并做记录,判断其是否符合理论设计的指标。 F=40HZ时,低音的最大提升量=17.004dB 3将低音提升和衰减电位器PR1滑动端调到最右边(低音衰减最大位置,即可变电阻器PR1的百分比为0%,重复(3)的步骤。 (由于此时C2被短路,当f增大时,Vo将增大。 ) F=40HZ时,低音的最大衰减量=-16.933dB 图3.3.2音调控制器(低音提升最大位置)频率响应曲线 图3.3.3音调控制器(低音衰减最大位置)频率响应曲线 高音提升和衰减 将低音提升与衰减电位器PR1滑动端调到居中位置(即可变电阻器PR1的百分比为50%,高音提升和衰减电位器PR2滑头调到最左边(低音提升最大位置,即可变电阻器PR2的百分比为100%. ①调节信号发生器,使输出信号f=10KHZ,Vm=100mV调节电路中音量调节电位器PR3使电路输出电压达到最大值,记录此时PR3的数值和输出电压的幅值。 2保持PR3的数值和输入信号幅度不变,讲频率特性测试仪介入电路,设置工作频率的范围为10KHZ----1KZ,测试电路的幅频响应曲线,并记录。 (由于此时C2被短路,当F减少时,Vo将减小。 )观察所记录的幅频响应曲线,从图中独处高音部分的最大提升量并做记录,判断其是否符合理论设计的指标。 F=10KHZ时,高音的最大提升量=13.274dB 3将高音提升和衰减电位器PR2滑动端调到最右边(高音衰减最大位置,既可 变电阻器PR2的百分比为0%,重复(3)的步骤。 (由于此时C2被短路当f减少时,Vo将增大。 ) F=10KHZ时,高音的最大衰减量=-12.78dB 图3.3.4音调控制器(高音提升最大位置)频率响应曲线 3.4功放电路 由于设计中采用集成功放实现功率放大,但Multism10的元器件库中没有功放集成块,所以,我们采用与LA4102工作原理相同的OTL功放,其电路如图3.4.1所示。 (1)按上图连接电路,并将其保存为电路文件 (2)调试电路,是静态时Vk=1/2Vcc 在没有交流信号输入的情况下,调节可调电位器R2的大小,同时利用虚拟万用表测试功放电路点K对敌直流电压,使其等于1/2VCC,记录此时所对应的R2的大小。 R2=14k吐 (3)交越失真的观察 在电路中将二极管D1,D2端接,从输入Vi加入1KHZ的交流正弦信号,用示波器观察输出电压Vo的波形,可以看到明显的交越失真。 记录输出波形。 图3.4.2交越失真波形 (4)最大不失真输出电压和输入灵敏度的测量 在输入端Vi加入1Khz的交流信号,用示波器观察输出电压Vo的波形,如输出波形出现交越失真,调节电位器R3.逐渐增大输入信号,测量最大不失真输出电压Vom的大小,结果填入表3-4。 图343最大不失真输出波形 音响放大器输出额定功率所需的输入电压(有效值)称为输出灵敏度Vs。 在输 入端Vi加入1Khz的交流正弦信号,用示波器观察输出电压Vo的波形。 逐渐增大输入信号,当输入电压达到最大不失真值Vom时,此时所对应的输入电压的大小(有效值),即为电路的输入灵敏度,将结果填入表3—5. 表3-4功放电路的输入灵敏度 Vom(V) 输入灵敏度Vs(mV 测量值 4.336 16 3.5电子混响延时器其电路图如图3.5.1所示 图3.5.1 四、元件清单 元件序号 型号 主要参数 数量 备注 Ra、Rb、R11, R21、 1/4W,10KQ 各1个 电阻 R12 1/4W,75KQ 1 电阻 R22R23 1/4W,30KQ 各1个 电阻 R31、R32、R34 1/4W,47KQ 各1个 电阻 R33 1/4W,13Q 1 电阻 Rf 1/4W,600Q 1 电阻 RP11、RP21、 RP33 W.LB10K 各1个 电位器 RP31RP32 W.LB100K 各1个 电位器 C11、C13C21、 C22C23C24 C35C41 25V10uF 各1个 极性电容 C12 10V1uF 1 极性电容 C45 10V1uF 1 极性电容 C42Cc 25V470uF 各1个 极性电容 C43Ch 25V220uF 1 极性电容 C44 25V100uF 1 极性电容 Cf 10V33uF 1 极性电容 C31、C32 10V0.01uF 各1个 电容 C33 10V470pF 1 电容 CB 10V51pF 1 电容 CD 10V470pF 1 电容 U1 LM324 3V-32V 1 集成芯片 U2 LA4102 1 集成芯片 六、小结、建议及体会 通过这次的模电课程设计,很大程度上掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理,对LM324的几种基本电路有了更深刻的认识和印象,并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。 同时也发现自己在模拟电路这一门课学习的不足之处,还要加强这门课的学习。 经过了一个多星期的努力,终于把这个设计完成了。 虽然有比较多的复杂运算过程,但总的来说,这样的设计真的有点超出了我们可以目前所学了。 做设计之前在网上,图书馆找了好几天的资料,计算部分也参考了很多的书,但有的元件的参数还是不明白为何设成这样,只好参考经典值。 可以说,学了这门课,获益非浅,虽然课堂上很多还是不能听懂,但从分析到自己设计的重大转变,学到了很多意外的东西!
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