音响放大器的设计与制作.docx
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音响放大器的设计与制作.docx
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音响放大器的设计与制作
学号:
课程设计
题目
音响放大器的设计与制作
学院
专业
班级
姓名
指导教师
年
月
日
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
音响放大器的设计与制作
初始条件:
集成芯片LA4102一块、LM358两块
瓷片电容、电解电容、电阻、电位器、导线若干
4Ω/0.5W扬声器一个
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
一、设计任务:
利用分离元件或集成电路制作一个音响放大器,可以放大话筒信号或毫伏级音频信号。
二、设计要求:
(1)技术指标如下:
a.输出功率:
0.5W;
b.负载阻抗:
4欧姆;
c.频率响应:
fL~fH=50Hz~20KHz;
d.输入阻抗:
>20K欧姆;
e.整机电压增益:
>50dB;
(1)电路要求有独立的前置放大级(放大话筒信号);
(2)电路要求有独立的功率放大级。
时间安排:
第18周理论讲解。
第19周理论设计、实验室安装调试,地点:
鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室
(1)
指导教师签名:
2011年1月4日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
1、基本功能及要求
技术指标如下:
a.输出功率:
0.5W;
b.负载阻抗:
4欧姆;
c.频率响应:
fL~fH=50Hz~20KHz;
d.输入阻抗:
>20K欧姆;
e.整机电压增益:
>50dB;
(1)电路要求有独立的前置放大级(放大话筒信号);
(2)电路要求有独立的功率放大级。
2、方案论证
2.1音响放大电路总设计
首先确定整机电路的级数,再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益,然后分别计算各级电路参数,通常从功放级开始向前级逐级计算。
根据本设计要求,输入信号为5mv,负载为4Ω/0.5W的扬声器,因此电路系统的总电压增益Av=316(50dB)。
各级分配如下图。
功放级增益由集成功放块决定,取Av4=20(26dB),音调控制级在f。
=1KHZ时,增益应为(0dB),但实际电路有可能产生衰减,取Av3=0.8(-2dB)。
话放级与混合级一般采用运算放大器,但会受到增益带宽积得限制,各级增益不宜太大,取Av1=20(26dB),Av2=1(0dB)。
上述分配方案还可在实验中适当变动。
20倍1倍0.8倍20倍
26dB0dB-2dB26dB
2.2放大电路设计及方案比较
方案1:
采用uA741运算放大器设计电路,uA741通用高增益运算通用放大器,早些年最常用的运放之一,应用非常广泛,为双列直插8脚或圆筒8脚封装。
工作电压±22V,差分电压±30V,输入电压±18V,允许功耗500mW。
方案2:
采用LM324通用四运算放大器,双列直插8脚封装,内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放,输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
方案3:
采用LM358通用双运算放大器,8引线双列直插,内部包含两组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,两组运放相互独立。
芯片图例如右:
具体参数为:
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性(Features):
*内部频率补偿。
*直流电压增益高(约100dB)。
*单位增益频带宽(约1MHz)。
*电源电压范围宽:
单电源(3—30V);双电源(±1.5一±15V)。
*低功耗电流,适合于电池供电。
*低输入偏流。
*低输入失调电压和失调电流。
*共模输入电压范围宽,包括接地。
*差模输入电压范围宽,等于电源电压范围。
*输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)。
参数
输入偏置电流45nA8
输入失调电流50nA
输入失调电压2.9mV
输入共模电压最大值VCC~1.5V
共模抑制比80dB
电源抑制比100dB
方案选取:
:
uA741是通用放大器,性能不是很好,本设计使用LM324和LM358都能完成,但是电路原件较多,在进行制作时LM324连线较复杂,而使用LM358较简单。
并且本设计中LM358符合设计参数要求且放大倍数不高,LM358能达到f=20KHz的频响要求,故选用LM358双运算放大器。
2.3音频放大电路设计及方案比较
方案一:
采用SL34集成功率放大器,SL34是低电压集成音频功放,功耗低、失真小,工作电压为6V,8负载时,输出功率在300mW以上。
主要用于收音机及其它功放。
方案二:
采用LA4102集成功率放大器,LA4102在低压运用时具有较好的性能,其推荐工作电源为+9V。
当负载为4欧左右时,最大输出功率可达0.62W,闭环增益可达26dB,效率高且非线性失真小,输入阻抗约12k。
内部工作原理与OTL功放基本相同。
LA4102集成块采用带散热片的14脚双列直插式塑料封装。
方案三:
TDA2030芯片所组成的功放电路,它是一款输出功率大,最大功率到达35W左右,静态电流小,负载能力强,动态电流大既可带动4-16Ω的扬声器,电路简洁,制作方便、性能可靠的高保真功放,并具有内部保护电路。
方案选取:
本方案采用LA4102,不采用SL34和TDA2030,是因为SL34最大输出功率是300nW多,不合设计要求的0.5W;而TDA2030功率过大,不符合条件。
LA4102图示:
2.4整机框图设计
音响放大器组成框图
2.5整机电路设计
音响放大器整机实验电路
3、各部分电路设计与制作
3.1话音放大器与混合前置放大器的设计
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,而输出阻抗达到20kΩ(亦有低输出阻抗的话筒如20Ω,200Ω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20kHz)。
其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。
图1.1所示电路由话音放大器与混合前置放大器两级电路组成,其中A1组成同相放大器,具有很高的输入阻抗,能与高阻花筒配接作为话音放大器电路,其放大倍数A
=1+R12/R11=20(26dB)
双运放LM358的频带虽然很窄(增益为1时,带宽为1MHz),但这里放大倍数不高,故能达到f
=20KHz的频响要求。
混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大,其电路如图1.1所示。
这是一个反向加法器电路,输出与输入电压间的关系为
V0=-(
)
图3.1.1混合前置放大器
式中,V1为话筒放大器输出电压,V2为录音机输出电压。
话筒放大器的输出V1达到了Vo的要求,即V1≥100mv,故取R21=R22;录音机插孔的信号输出V2一般为100mv,已经约等于Vo的要求,所以不对V2进行适当衰减,不用担心输出会产生失真。
取R23=20K,则R21=R22=20K,使录音机输出经混合级后也达到Vo的要求。
图3.1.2话音放大与混合前置放大器的电路设计
3.2音量控制器的设计
音调控制器的电路如图3.2.1。
RP31是临场感控制器,它能对500~2000Hz频率范围内的信号提升或衰减6~8dB,可用来控制现场气氛。
RP32为超低音控制器,它与一般低音控制器不同之处在于它的起控转折频率取得较低(100Hz),所以当播放动态宽阔的音乐时,其低音柔和而又具力度。
单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0dB不变。
因此,单调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。
由运放构成的单调控制器构成,如图2.1所示。
这种电路调节方便,元器件较少,在一般收录机、音响放大器中应用较多。
音量控制器的电路如下图
图3.2.1音调控制器
低频提升与衰减,电路图如下图(a)和图(b)所示:
图3.2.2低频提升与衰减电路
工作状态及元件参数计算:
第一:
低频时的情况:
增益为:
A(jω)=
=-[(RP31+R32)/R31]*[1+(jω)/ω2]/[1+(jω)/ω1]
式中:
ω1=1/(RP31*C32),ω2=(RP31+R32)/(RP31*R32*C32)
当f AVL=(RP31+R32)/R31 在f=fL1时,因为fL2=10fL1,故可得 AV1=(RP31+R32)/ R31 此时,电压增益AV1相对于AVL下降了3dB。 在f=fL1时,可得AV1=[(RP31+R32)/R31]*( /10)=0.14AVL 此时,电压增益AV2相对于AVL下降了17dB。 同理可得低频衰减的相应表达式。 第二: 高频提升与衰减: 高频等效电路如图3.2.3所示: 图3.2.3高频等效电路 电阻关系式为: Ra=R31+R31+(R31*R31/R32) Rb=R34+R32+(R34*R32/R31) Rc=R31+R32+(R32*R31/R34) 若取R31=R32=R34,则上式为: Ra=Rb=Rc=3R32=3R34 由公式ω1=1/(RP31*C32),ω2=(RP31+R32)/(RP31*R32*C32)决定RP1=RP2=10K,C33=560pF 3.3功率放大器 功率放大器,简称“功放”。 很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整 个音响系统的任务,这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口,而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用,在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 当负载一定时,希望其输出的功率尽可能大,其输出信号的非线性失真尽可能地小,效率尽可能高,功放的常见电路有OTL(OutputTransformerless)电路和OCL(OutputCapacitorless)电路。 有用集成运算放大器和晶体管组成的功放,也有专用集成电路功放。 集成功率放大器的电路如图3.3,RF,CF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AVF=1+R11/RF≈R11/RF得功放级的电压增压 A ≈R11/RF=20避免出现高频自激(输出波形上叠加有毛刺),故在13脚与14脚之间加0.15uF的电容,但也可减小CD的值 CB――相位补偿,CB减小,频带增加,可消除高频自激。 本设计中CB取51pF Cc――OTL电路的输出端电容,两端的充电电压等于Ucc/2,本设计中才Cc取470μf CD――反馈电容,消除自激震荡,本设计中取560Pf CH――自举电容,是复合管VT12、VT13的导通电流不随输出电压的升高而减小 C43、C44――滤除纹波,本设计中取220μF和100μF 图3.3功率放大器 4、电路安装与调试技术 4.1合理布局,分级装调 音响放大器是一个小型电路系统,安装前要对整机线路进行合理布局,一般按照电路的顺序一级一级的布线,功放级应远离输入级,每一级的地线应尽量接在一起,连接尽可能短,否则很容易产生自激。 安装前应检查元器件的质量,安装时特别要注意功放块,运算放大器、电解电容等主要器件的引脚和极性,不能接错。 从输入级开始向后级安装,也可以从功放级开始向前逐级安装。 安装一级调试一级,安装两级要进行级联调试,直到整机安装与调试完成。 4.2电路调试技术 电路的调试过程一般是先分级调试,再级联调试,最后进行整机调试与性能指标调试。 4.3整机功能测试 4.3.1静态工作点测试 接上电源(次级为9伏),不带负载情况下接通电源,按下电路板上电源开 关,测试滤波电容两端输出电压应为10.5v左右。 若出现异常应该立即断电。 4.3.2最大输出功率测试 将4Ω负载接入功率输出端。 再将信号源调至频率f=1000hz,输出电压为1V,接到音频放大器的声道输入端。 将音调调节电位器调到最大。 功率输出端接上示波器、毫伏表。 图4.3.2测试的接法 调节音量电位器,使输出信号失真度THD=3%时,测出功率放大器的输出电压Vo的值,由公式P=Vo2/16计算放大器的最大输出功率。 4.3.3频率特性测试 调节1000hz输入信号幅度(或调音量电位器),使输出信号为1V。 测出电路输入信号的大小Vi的值。 调节输入信号的频率,保持输入信号Vi的大小不变,测量输出 信号的大小。 找出上下限频率fL和fH,求出通频带BW=FH-f。 4.3.4仿真测试 如下图4.3.4.1是仿真图示(无LA4102,使用同作用运放代替) 图4.3.4.1 话筒信号放大波形如图4.3.4.2所示 图4.3.4.2 录音机信号放大波形如图4.3.4.3所示 图4.3.4.3 混放级信号放大波形如图4.3.4.4所示 图4.3.4.4 话筒信号输出波形如图4.3.4.5所示 图4.3.4.5 录音机信号输出波形如图4.3.4.6所示 图4.3.4.6 仿真总结: 上述波形所示基本符合所设计的电路特性,放大倍数约等于320倍左右。 符合正确的标准。 4.3.5音乐试听 在功率调试正常后,接上音乐信号源,试听音量和音调电路对音乐的调节效果。 用4Ω/0.5W的扬声器代替负载电阻RL,在功放块的引脚14,运算放大器的引脚4输入5V~9V的电压。 可进行以下功能试听: 话音扩音将低阻话筒接话音放大器的输入端,要注意,扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反,否则扬声器的输出声音经话筒输入后,会产生自激啸叫。 讲话时,扬声器传出的声音应清晰,改变音量电位器,可控制声音大小。 音乐欣赏将录音机输出的音乐信号,接入混响前置放大器,改变音调控制级的高低音调控制电位器,扬声器的输出音调发生明显变化。 卡拉OK伴唱录音机输出卡拉OK磁带歌曲,手握话筒伴随歌曲歌唱,适当控制话音放大器与录音机输出的音量电位器,可以控制歌唱音量与音乐音量之间的比例。 调试结论: 本电路在调试过程中,音频输出效果基本符合题目要求,功放各种音频信号声音洪亮清晰,失真度很轻微。 但由于用万用板布原件时过于密集,走锡线过长导致互相干扰很大,有自激产生,有明显的噪音,修正时应使用较大的滤波电路和局部调整原件的位置。 5、设计体会 这次模拟电路的课程设计,加强了我动手、思考和解决问题的能力。 在设计电路准备过程中,我设计了两次电路,一个设计电路复杂,是使用分立元件构成,而且达不到设计要求。 所以我通过查询资料和请教老师从而设计了第二个电路,这个设计电路相对另一个设计电路比较简单,整机功能也达到了设计要求。 在设计过程中,查找资料,老师指导,与同学交流,学会使用DXP2004画原理图和PCB图,反复修改设计,每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践,我了解了音频功率放大器用途及工作原理,熟悉了音频功率放大器的设计步骤,锻炼了设计实践能力,培养了自己独立设计能力。 在焊接电路板过程中,由于电路比较复杂,加上自己的焊工技术实践很少,所以花时间很多,布线也花了很多时间,电容的正负极也发生错误。 通过这次设计我学到了很多东西。 不但巩固了以前所学的知识,提高了自己的动手能力,将所学的知识运用于实践,而且还学到了许多教材上没有的知识,开阔了知识面,明白了理论与实际间的不同之处。 同时也发现自己有很多知道知识都没有学透甚至根本不会。 今后我会加倍努力学习学会更多电路方面的知识,并尝试将其用于实践中。 6、参考文献 [1]谢自美.电子电路设计.实验.测试.武昌: 华中理工大学出版社,1994. [2]童诗白.模拟电子技术基础.第二版.北京: 人民邮电出版社,1999. [3]康华光主编,电子技术基础(数字部分、模拟部分),高等教育出版社,1998. [4]胡宴如.模拟电子技术[M].北京: 高等教育出版社,2004,2. [5]廖芳.电子产品生产工艺与管理.电子工业出版社2003: 98-100. [6]华成英: 模拟电子技术基础[M],北京高等教育出版社,2001。 [7]姚福安: 音频功率放大器设计,山东大学学报,2003年06期。 [8]牟小令: 高效率音频功率放大器,西南师范大学学报,2003年01期。 [9]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础.华中科技大学出版社.2002 [10]韩克,柳秀山.电子技能与EDA技术.暨南大学出版社.2004 [11]童诗白.模拟电子技术基础.人民教育出版社.1981 [12]陆坤,奚大顺.电子设计技术.电子科技大学出版社.1997 附件1: 整机原理图 附件2: 音响放大器的PCB电路图 附件3: 主要元器件清单 元器件型号 数量 4Ω/0.5W喇叭 1 LM358双运算放大器 2 LA4012功率放大器 1 电解电容470μF 1 电解电容220μF 3 电解电容100μF 1 电解电容33μF 1 电解电容10μF 8 电解电容4.7μF 1 电解电容1μF 1 陶瓷电容560pF 2 陶瓷电容51pF 1 陶瓷电容0.15pF 1 陶瓷电容0.01pF 2 电阻47K 3 电阻38K 1 电阻20K 3 电阻13K 1 电阻10K 7 电阻1K 1 可变电阻10K 4 导线 若干 话筒 1 电路板 1
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