音响放大器设计报告

模拟电路课程设计报告

设计课题：

专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间：

音响放大器设计

一、任务与要求

设计一音响放大器，要求具有话筒扩音、混合前置放大、音调输出控制、音量控制，功率放大等功能。

各级主要作用

话音放大级：话音放大器的作用是不失真地放大声音信号。

混合前置放大级：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。

音调控制放大级：主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，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0dB不变。

功率放大级(简称功放)：给音响放大器的负载(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，效率尽可能高。

已知条件

+VCC = +9V，话筒(低阻20)的输出电压为5mV，录音机的输出信号电压为100mV。电子混响延时模块1个，集成功放LA4102 1只，8/2W负载电阻RL 1只，8/4W扬声器1只，集成运放LM324 1只（或mA741 3只）

主要技术指标

额定功率 Po≥1W(

截止频率fL=40Hz，fH=10kHz；

音调控制特性：1kHz处增益为0dB，100Hz和10kHz处有±12dB的调节范围，AVL=AVH≥20dB；

话放级输入灵敏度 5mV； 输入阻抗 Ri>>20

设计过程

整机电路由话音放大器、混合前置放大器、音调控制放大器、功率放大器组

成，根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，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 ，根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时，输出功率大于1W，则输出电压Vo>=2.8V。总电压增益AvΣ=Vo/Vi>560倍(55dB)。各级放大倍数如下图所示：

话放级

混放级

9.5dB

音调级–2dB

功放级29.5dB

18.5dB

二、设计与论证

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。

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。

AV=612倍(56dB)

三、电路设计与参数计算

1、话音放大级

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

仿真图如下：

输入波形

输出波形

2、混合前置放大级

Av =－（V1R22/R21+V2R22/R23）

C2110uF

2

Uo

话筒V1

录音

机

C23Ui1

10u

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=30K，R21=10K，R23=30K耦合电容C21、C22，C23采用10uF的极性电容。 3、音调控制器

常用的单调控制电路有三种：（1）衰减式RC音调控制电路，基调范围较宽，但容易产生失真；（2）反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；（3）混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级收录机中。为了使电路简单、信号失真小、我们采用反馈型音调控制电路。

反馈型音调控制电路原理图如下：

Vi

o

图中，Zi和Zf是由RC组成的网络，因为集成运放的开环增益很大，所以

当信号频率不同时，Zi和Zf的阻抗值也不同，所以Af随频率的变化而变化。假设Zi和Zf包含的RC元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如下图所示

Vi

o

Vi

R1

Co

（A）

Vi

Vi

o

（C）

（D） 在图A中，可以得到低音的提升；在图B中可以得到低音衰减；在图C中可以得到高音的提升；图D中可以得到高音的衰减。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0dB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。将这四种电路形式组合在一起就可以得到一个完整的反馈型音调控制电路，如下图所示

图1

音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性

AV /dB

20

17

3 0－3

－17 －20

图2

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=0dB；fH1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。

图1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。

功能说明

（1）对于低频区，等效电路图为

R

vi

RP R

Rvi

RPRo

o

(b)

(a)

图（a）为当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况 ；图（b)为当RP1滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况，分析表明，图

(a)所示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， (1—1)

当f

在f=fL1时，因为fL2 =10fL1 ，故可由式 得

AVL



RP1

R

2

/

)/

R1

模

AV1(RP1R

2

2R

1

此时电压增益相对AVL下降3dB。

在f=fL2时，由式(1—1)得

模

RP1R21jAV2

R1110j

AV2

RP1R2

R1



210

0.14AVL

此时电压增益相对AVL下降17dB。 低音电大提升量为

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

（2）对于高频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器，等效电路为

RP2

vi

vo

R1

R2

vi

vo

vi

vo

(c)

(d)

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

VoA(j)

Vi



RbRa

11

j/3

j/4

式中， 31/RaR3C3 或 fH11/2π

RaR3C3



4

1/R3C3 或 fH22R3C3

当f

在f=fH1时,因fH2=10fH1由

Vo (j)A

V

i



RbRa



11

j/3

j/4

得

AV3

10

2AV0

此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。 在f=fH2时,

AV4

2

AV0

此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。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=AVH≥20dB，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=1/2πRP1fL1=0.008uF,取标称值0.01uF，即C31=C32=0.01uF。又R1=R2=R4=47K，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C1=C2=10uF。 4、功率放大器：

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，效率尽可能高。

功率放大器的核心是LA4102，查有间资料，其内部电路如图所示 LA4102接成OTL典型应用电路如下图所示

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R11RFR11/RF

由其内部电路知R11=20K，按性能指标AVF=30倍，所以RF应取650Ω。CB为相位补偿电容。CB减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十皮法至几百皮法。CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于VCC/2，CC一般取耐压值远大于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。C3、C4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。综合有关资料可按下面电路图中各元件的参数选择各元件参数。

vi

C

470F/

25VL

但在本组的调试过程中发现单级电路调试时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因：由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多极点引起的正反馈易产生高频自激，加强外部电路的负反馈予以抵消，可以在13脚与14脚之间加0.15uF的电容，或减小CD的值。而增大C42可以更好也消除低频自激。经本小组的调试最终的电路原理图如下

四、理图及元器件清单：

元件清单

总电路原理图

PCB图

图中红色线为设计过程中音调级漏画，在做好的电路板上用导线补上。

五、安装与调试

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地布线，功放级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，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。

由于学校设备有限制，动态调试受限制，现只做静态调试，做法如下： 用万用表测该级输出端对地的直流电压。话放级、混合级、音调级都是由运算放大器组成的，其静态输出直流电压均为VCC/2，功放级的输出(OTL电路)也为VCC/2，且输出电容CC两端充电电压也应为VCC/2。

调试过程如果布线不太合理，形成级间交叉耦合，应考虑重新布线；级联后各级电流都要流经电源内阻，内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。R一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与0.1F小电容相并联。

单级电路调试时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因：由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多极点引起的正反馈易产生高频自激，常见高频自激现象

可以加强外部电路的负反馈予以抵消，

如功放级①脚与⑤之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除叠加的高频毛刺。

常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动。 产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。可以通过接入RC去耦滤波电路消除。

六、功能试听

卡拉OK伴唱：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，调节混响延时时间可修饰、改善唱歌的声音。

电子混响效果：电子混响器模块按图3.7.20接入。用手轻拍话筒一次，扬声器发出多次重复的声音，微调时钟频率，可以改变混响延时时间，以改善混响效果。

话音扩音：低阻话筒接话音放大器的输入端。应注意，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。

七、结论与心得

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。

经过了一个多月的努力，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，幸好我们也学PROTEL99SE软件，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。单元电路的每一部分都经过比较认真的考虑，比较了很多类似的电路，也参考了 很多书，做完之后觉得这样的方案组合还是可行的。因为画图过程中，音调级小画了一根线，导致该级调试不成功，经过本小组的反复讨论，细心查找原因，最终还是找出了根源。最后整个电路也调试成功了，虽然效果不是很好，但这是我们自己动手做的，感觉收获还是很大的。

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！

注：1）报告中的原理图都用画板所画，因为protel 的图中元件很小，看不清。

2 ）protel 中由于LA4102找不到原理图，只能自己画，原理图中有某些元件找不到封装，也只能自己做封装。

八、参考文献 [1]华成英、童诗白。《模拟电子技术基础》（第四版）高等教育出版社2006.1

[2]龙忠琪、金燕、李如春《模拟集成电路教程》科学教育出版社2004.1

[3]金燕、方迎联《模拟电子技术基础实验》浙江工业大学.2008.3

物理与电子信息工程系模拟电路课程设计成绩评定表

专业：电气工程及其自动化 班级：学号：

2009年11月17日