音响功率放大器设计说明书

目录

1设计任务与要求·························································1 1.1音响放大器的组成····················································1 1.2综合设计任务························································1 1.3设计音响放大器的要求················································1 2 方案设计与论证························································2 2.1音响放大器各级增益的分配···········································2 2.2音响放大电路输入输出的阻抗匹配·····································2 3单元设计与参数计算·····················································3 3.1话筒信号放大电路···················································3 3.2音调控制电路·······················································4 3.3功率放大电路设计···················································10 4元件清单及总原理图·····················································11 4.1音响放大器的元器件列表·············································12 4.2音响放大器的总原理图···············································13 5安装与调试·····························································14 5.1电路布局与接线规则·················································14 5.2音响电路的安装·····················································14 5.3音响电路的调试·····················································15 6性能测试与分析·························································16 6.1音响放大器的主要参数测试···········································16 6.2音调电路性能及音调控制特性的测量···································16 7结论与心得·····························································18 参考文献································································19

一、 设计任务与要求

1.1音响放大器的组成

音响放大器包括：音频信号放大器，音调混响控制器，功率放大三个组成部分。

图1.1 1.2综合设计任务

用给定元器件设计一个能对外接收高阻话筒信号、能进行音调控制调节、能对外接8Ω扬声器输出功率达1W 的音响放大器。 1. 3设计音响放大器性能要求

1）输出功率：P OM ≥1W 扬声器阻抗Z L =8Ω 采用单电源电压V CC =15V。

2）输入阻抗 Ri >20kΩ

二、 方案设计与论证

2. 1音响放大器各级增益的分配

根据设计实验要求，音响放大整机电路可分为话放与混放级、音调控制级与功放级。根据各级的功能及性能指标要求分配电压增益如下两种方案：

话筒

话放级Au1=5倍14dB

→

混放级Au2=10倍29dB

→

音调级Au3=1倍0dB

→

功放级Au4=12倍22dB

→

扬声器

Au∑≈600(56dB)

图2.1

音响放大电路增益分配方案1的特点是：各级增益大体均分，话放级增益5dB 较小，主要任务解决输入信号的阻抗匹配。音调控制级主要任务是音调调节，虽然在电位器居中时增益为零，但在增益衰减调节时为-20dB ；在增益提升调节时为20dB 。由于普通运放的上限频率较低，增益较高则上限频率更低，因此采用运放驱动大功率管电路可采用此增益分配。

话筒

话放级Au1=7.8倍17.8dB

→

混放级Au2=3.9倍11.8dB

→

音调级Au3=1倍0dB

→

功放级Au4=20倍26.6dB

→

扬声器

Au∑≈600(56dB)

图2.2

音响放大电路增益分配方案2的特点是： 功放级电压增益较大，比较适用于集成功放电路及采用三极管驱动大功率管的功放电路。

2．2音响放大电路输入输出的阻抗匹配

高阻话筒的输出电阻较高，为了使电路的输入阻抗匹配，话放电路宜采用阻抗较高同相输入电路。

因为音响的负载是8Ω的扬声器，在采用单电源时电源在12—15V ，要求电路的输出电阻足够小，使音响能输出要求的功率。

三、 单元电路设计与参数计算 音响设计参考单元电路分析

音响放大电路设计主要包含：电话筒信号放大与混放电路、音调控制、功放电路路三大部分。 3. 1话筒信号放大电路

由于话筒的输出信号一般只有5mV 左右，而输出阻抗达到20k Ω，所以话音放大器的作用是不失真地放大声电信号。其输入阻抗应

图3.1

10kΩ

Key=A

Vo

A vf =1+Rf /R2 R i = R1 （R 1一般取几十千欧。）

耦合电容C 1、C 3可根据交流放大器的下限频率f L 来确定，一般取 C 1 = C3 = (3～10）/(2πR L fL ) 反馈支路的隔直电容C 2一般取几微法。 本设计中采用LM324 四集成运算放大电路。

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。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。管脚连接图如下图

图3.2

3．2 音调控制电路

音响放大器的主要特性体现在音调控制电路上，这也是其与通用放大器的区别。音调控制主要是控制预调音响放大器的幅频特性。 调控制器的电路图如图3所示。运算放大器选用单电源供电的四运放LM324，其中RP33称为音量控制电位器，其滑臂在最上端时，音响放大器输出最大功率。

图3.3, 音调控制曲线 图3.4, 音调控制

音调控制器的作用是控制、调节音响放大器输出频率的高低，控制曲线如图3.3中折线所示。

图中，f 0=1kHZ——中音频率，要求增益Av 0==0dB； fL1——低半频转折频率，一般为几十赫兹； fL2=10fL1——中音频转折频率； fH1——中音频率转折频率；

fH2=10fH1——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或高音频的增益进行提升或衰减，中音频增益保持不变。所以音调控制器的电路由低通滤波器与高通滤波器共同组成。常见电路有专用集成电路，如五段音调均衡器LA3600，外接发光二级管频段显示器后，可以看见各

个频段的增益提升与衰减变化。在高中档收录机、汽车音响等设

备中广泛采用集成电路音调控制器。也有用运算放大器构成的音调控制器，如图3.4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。下面分析该电路的工作原理。

设电容C 1=C2>>C3, 在中、低音频区，C 3可视为开路，在中、高音频区，C 1、C 2可视为短路。

v i

v o

o

(b) (a)

(a)低频提升 (a)低频衰减

图3.5，音调控制器的低频等效电路

①当f

其中(a)为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况，(b)为RP1滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其传输函数的表达式为 À(jw)=

Uo RP 1+R 21+j ω/ω2

∙=- （ 2 ）

Ui R 11+j ω/ω1

式中，ω1=1/RP1C 2或f L1=1/2πRP 1C 2 ( 3 ) ω2(RP1+R2)/RP1R 2C 2或f L2=(RP1+R2)/2πRP 1R 2C 2 ( 4 )

f

端视为虚地，R4的影响可以忽略，此时电压增益A vL 为

A vL =(RP1+R2)/R1 ( 5 ) f = fL1时，因为f L2=10fL1，由式（ 2 ）得 ÀV1 = -

RP 1+R 21+0. 1j

模 AV1 = (RP1+R2)/2R 1 = AvL /2 ∙

R 11+j

( 6 )

此时，电压增益ÀV1 相对于A vL 下降了3dB 。 f = fL2 时，由式( 2 )得 ÀV2 = -RP 1+R 21+j RP 1+R 22

∙ 模ÀV2 = =0.14 A vL ∙R 11+10j R 110

( 7 )

此时电压增益相对A vL 下降17dB 。

fL1

同理可以得出图( b ) 所示电路的相应表达式，其增益相对于中步为衰减量。音调控制器低频时的幅频持性如图3.3中左半部分的虚线所示。

R

R

v o

v v o

22

图3.6，音调控制器的高频等效电路 图3.7，图3.6的等效电路

②f > f0时，音调控制器的高频等效电路如图3.6所示，由于此时C 1、C 2视为短路，R 4与R 1、R 2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图9所示，电阻的关系式为

Ra=R1+R4+(R1R 4/R2)

Rb=R4+R2+(R4R 2/R1 Rc=R2+R1+(R2R 1/R4) 若取R 1=R2=R4, 则式( 8 )为

Ra=Rb=Rc=3R1=3R2

=3R4 ( 9 ) 图3.7的高频等到效电路如图3.8所示，其中(a)为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况，(b)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(a)所示电路为一阶有源高通滤波器，其传输函数的表达式为 À(jω)=

Uo Rb 1+j ω/ω3

∙=- ( 10 )

Ui Ra 1+j ω

/ω4

v i v

o

(a) 高频提升 (b) 高频衰减

图3.8，图3.7的高频等效电路

o

式中，（Ra+R3）C 3或f H1=1/2π(Ra+R3)C 3 ( 11 ) ω3=1/ ω4=1/R3C 3 或f H2=1/2πR 3C 3 ( 12 ) 与分析低频的方法相同，得到下列关系式：

f

102

Avo=7.1(17dB) ( 14 )

f > fH2时，C 3视为短路，此时电压增益为

AvH =(Ra+R3)/R3 ( 15 )

f H1

实际应用中，通常是给出低频区f Lx 和高频区f Hx 处的提升量或衰减量x(dB)，再根据下式求出转折频率f L2(fL1) 和f H1(fH2) ，即

f L2=fL x ·2x/6 ( 16 )

fH1=fH x/2x/6 ( 17 ) 由式(16)与(17)得到转折频率f L2=fL x ·2x/6=400HZ ， 则fL1=fL2/10=40Hz，

f H1=fH x/2x/6=2.5khz，则fH2=10fH1=25kHz 由式（5） AvL =(RP1+R2)/R1≥20db ， 现取RP31=470KΩ,R31=R32=470KΩ, 则 A vL =(RP31+R32)/R31=11(20.8dB) 由式（3）得f L1=1/2πRP 31C 32

则 C32=1/（2πRP 31fL1）=0.008µF，取标称值0.01µF，即

C31=C32=0.01µF。

由式（9）得 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 则 R1=R2=R4=47kΩ Ra=3R4=141 kΩ 由式（12）得 AVH=（Ra+R3）/R3≥20db 则 R33= Ra/10=14.1 kΩ 取标称值13 kΩ 由式（12）得 fH2=1/2πR 3C 3

则C33=1/(2πR33fH2)=490pF 取标称值510 pF

取RP32=RP31=470 k Ω,RP33=10KΩ，级间耦合与隔直电容C34=C35=10µF。

本设计中也采用用集成运算放大电路LM324

-V EE

+VCC

图3.9

3．3功率放大电路设计

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，效率尽可能高。本设计采用LM386集成共功率放大电路，LM386是一种音频集成功放，具有

自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少, 电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容, 便可将电压增益调为任意值, 直至 200。输入端以地位参考, 同时输出端被自动偏置到电源电压的一半, 在6V 电源电压下, 它的静态功耗仅为24mW, 使得LM386特别适用于电池供电的场合。

LM 的管外形及顶视图如下图所示

(a) 外形图 (b) 顶视图

图3.10

图3.11

四、 总原理图及元器件清单 4.1音响放大器元器件列表

音响放大器元器件列表

图4.1

五、 安装与调试

5.1电路布局与接线规则

在面包电路实验板上安装电路时，首先应熟悉其结构。确认哪些孔眼是连通的，防止发生短路的事件。

①电路布局时应安排好中心元器件（例如：集成块大功率管）的位置，分单元电路安装，可调元件应放置在合适的位置以方便调节。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。

②要充分利用面包板内部的连线，尽量减少不必要的接线。要合理利用导线的不同颜色区分连线的功能。例如：红色线接电源正极、黑色线接地、绿色线接电路的直流回路线、黄色线接交流回路线、蓝色线接负电源负极等。这样检查电路时就清晰明了。

5.2音响电路的安装

电路安装前，要先检测电阻、电容的大小，根据设计的电路，正确连接元器件。

电路安装完成后，要用万用表检测电源极性连接是否正确，元器件之间的连接是否可靠。

根据设计要求调节电压源的电压至规定值，一切正常后才能给待测电路通电调试。

实验调试过程中，最好采用按功能模块分别调试的分块调试方法，首先调试正弦波振荡电路是否产生符合要求的正弦波，然后在正弦波信号的作用下调试方波变换电路，检查是否产生符合要求的矩形波，最后调试三角波变换电路，检查波形幅度是否达到设计要求。

5.3音响电路的调试

①调试前先对电路作直观检查。

②静态调试：静态调试时输入端接地，用万用表输出端对地直流电压，音响的话放、混放及音调电路均采用单电源运放，其静态输入输出端直流电压均为Vo=VCC /2。单电源的OTL 功放的输出端也为Vo=VCC /2。

运放驱动复合管功放电路静态直流电流应该很小，I O 为几毫安。如果电流过大，应先检查三极管管脚是否接错？其次检查二极管是否接烦？最后检查复合管的基极偏置电位器是否调得过大？

③动态检查：在输入端接入规定的信号，用示波器观测各级输出电压大小及 波形。如果实测值与要求值相差过大，则应检查电路连接是否正确，检查元件参数是否满足要求。

④怎样消除电路级联后可能产生的自激：

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。

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现象；电感性扬声器也容易引起自激，通常可以采用接入RC 电路均可消除自激。

六、 性能测试与分析

音响的额定功率：音响放大器输出失真度小于某定值时的最大功率：

Pom=VO 2/RL

频率响应：放大器的电压增益相对中频(1kHz)的电压增益下降3dB 时(uo’=0.707uo)，对应的高音频/低音频频率(fh/fL).记录频率特性测量数据，作出频率特性曲线。

输入阻抗:分别测量话放级输入阻抗与MP3输入阻抗。 输入灵敏度：音响放大器输出额定功率时的输入电压有效值, 测量方法可参考测量额定功率P O 时，测量输入信号电压的方法。 噪声电压：在输入电压ui=0且输入端接地时，用毫伏表或示波器采用交流耦合方式测量输出电压uo 值。

整机效率：指音响输出额定功率Po 比输入电源功率Pc ，

即： η=(Po/Pc)%

其中Po ：输出额定功率；Pc ：输出额定功率时的输入电源功率。

6．1音响放大器的主要参数测试 ①话放电路与混放电路的测试：

先将前置放大电路的输入端接地，测量电路的静态电压电流，然后将信号源输出的频率f=1KHz电压uopp=50mv正弦信号接入输入端，测量前置放大电路的电压增益。填入表-1中。

②集成功率放大电路的测试

输出电压Vo=Vcc/2=6v 效率η=(Po/Pc)%=53.6% 6．2音调电路性能及音调控制特性的测量：

音调控制特性及其测量方法：

1）输入信号u i (=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号u 0从输出端的耦合电容引出。先测1kHz 处的电压增益A u0,(设定指标为A u0=0dB)。再分别测低频特性和高频特性。

2）测量低频音调特性：将高音电位器居中，将低电位器RP 1

滑臂分别置于最左端和最右端，改变信号频率从20Hz 至1kHz 记

下对应的电压增益。

3）测量高频音调特性：则将高音电位器居中，将RP 2的滑臂分别置于最左端和最右端，频率从1kHz 至30kHz 变化，记下对应的电压增益。

最后绘制音调控制特性曲线，并标注与f L1、f x 、f L2、f 0(1kHz)、f H1、f H x 、f H2等频率对应的电压增益。

音调控制特性的测量按6.2所述测量步骤进行并将测量数据记录在表-2中。

表-2音调控制特性测量数据表 ui=100mv

七、 结论与心得

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次音响功率放大器设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次设计工作的实际训练从而培养和提高我们独立工作能力，巩固与扩充了模拟电子技术等课程所学的内容，掌握了功率放大器设计的方法和步骤，懂得了怎样分析电路的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。 在此感谢我们的XXX 老师. ，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次功率放大电路设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教, 我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考文献

[1]童诗白 华成英. 模拟电子技术基础[M]（第四版），北京:高等教育出版社，2006.496~501

[2][英] Douglas Sdlf.音频功率放大器设计手册[M]（第四版），北京:人民邮电出版社，2009

[3]谢自美. 电子线路设计实验测试[M]（第三册）, 武汉:华中科技大学出版社

[4]康光华. 电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.1 [5]李炎清. 毕业论文写作与规范[M]厦门:厦门大学出版社，2006.10

[6]谭博学 苗江静. 集成电路原理及应用[M]北京:电子工业出版社2003.9

[7]陈梓城. 家用电子电路设计与调试[M]北京:中国电力出版社2006