音响放大器课程设计与制作模电课程设计毕业设计样本.doc

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课程设计任务书
学生姓名: 专业班级:
指导教师: 工作单位: 信息工程学院
题 目: 音响放大器设计与制作
初始条件: 集成芯片LM324三块, LM386一块, 瓷片电容, 电解电容, 电位器若干, 4Ω/0.5W扬声器一个。

要求完成的主要任务:
( 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;
( 2) 电路要求有独立的前置放大级( 放大话筒信号) 。
( 3) 电路要求有独立的功率放大级。
时间安排:
1月10日 查资料
1月11, 12日 设计电路
1月13日 仿真
1月14日, 15日 实物调试
1月16日 答辩

指导教师签名: 年 月 日
系主任( 或责任教师) 签名: 年 月 日
目录
摘 要 3
ABSTRACT 4
１电路方案的比较与论证 5
1.1音响放大器的总设计 5
1.2 放大电路的比较与论证 5
1.3 音频功率放大电路的比较与论证 6
2核心元器件介绍 7
2.1 LM324的介绍 7
2.2 LM386的介绍 9
3电路设计 10
3.1 直流稳压电源电路的设计 10
3.2 话音放大器 11
3.3 混合前置放大器 11
3.4 音调控制器 12
3.5 功率放大电路的设计 17
3.6 总电路图 18
4用MULTISIM进行仿真 18
4.1 话放与混放性能测试 18
4.2 单独功放性能测试 20
4.3 整体性能测试 20
4.4 仿真结果分析 22
5音响放大器的技术指标的测试 23
5.1 相关性能参数的测量 23
5.2 整机信号试听 24
5.3 实物调试 24
心得与体会 25
参 考 文 献 26
附件1: 电路原理图 27
附件2: 元件清单 28
附件3: 实物图 29
附件4: 本科生课程设计成绩评定表 30

摘 要
本文介绍了音响的构成、 功能、 及工作原理, 音响放大器所需要设计的电路为话音放大器, 混合前置放大器, 音调控制器及功率放大器。话音放大器的作用是不失真的放大声音信号。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗; 音调控制器主要是控制、 调节音响放大器的幅频特性, 因此音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器组成。

关键词: 音响放大器; 话放级; 混合前置放大器, 音调控制级; 功放级。

Abstract
This paper introduces the structure, function and working principle of the sound system, and the design of the circuit is the voice amplifier, the hybrid preamplifier, the pitch controller and the power amplifier. The function of the voice amplifier is to amplify the sound signal without distortion. The input impedance should be far greater than the output impedance of the microphone; pitch controller is mainly controlling and regulating the amplitude frequency characteristics of the audio amplifier, so the tone control circuit can be composed of a low pass filter and high pass filter.

Key words : Audio amplifier; audio amplifier; hybrid preamplifier, pitch control level; power amplifier.

１电路方案的比较与论证
1.1音响放大器的总设计
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, 一般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1.1.1。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=8.5(26dB), Av 2=3( 9.5dB)。能够经过控制滑动变阻器来控制输出, 上述分配方案还可在实验中适当变动。
功放级
音调级
混合级
话放级
AV1=8.5 18.5dB
AV2=3 9.5dB

AV3=0.8 -2dB

AV4=20 26dB

5mv
125mv
42mv
100mv
2.0V
图1.1.1 增益分配示意图

1.2 放大电路的比较与论证
方案一: 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, 早些年最常见的运放之一, 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。
方案二: 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。
方案选取: uA741是通用放大器, 性能不是很好, 满足一般需求, 而LM324四运放大器具有电源电压范围宽, 静态功耗小, 可单电源使用, 价格低廉等优点。本设计放大倍数不高, LM324能达到频响要求, 故选用LM324四运放大器。

1.3 音频功率放大电路的比较与论证
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: 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。
方案三: 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。LM386电源电压4--12V, 音频功率0.5w。LM386音响功放是由NSC制造的, 它的电源电压范围非常宽, 最高可使用到15V, 消耗静态电流为4mA, 当电源电压为12V时, 在8欧姆的负载情况下, 可提供几百mW的功率。它的典型输入阻抗为50K。

方案选取:
本课题要求音响放大器的额定功率在0.5w, 然而TDA2030输出功率太大, 故选用LM386。频率响应fL～fH＝50Hz～20kHz; 而单电源供电音频功率放大器已经达到所需要的目标。而且它较少元件组成单声道音频放大电路、 装置调整方便、 性能指标好等特点。而BTL电路虽然也有以上的功能, 但制作复杂, 不利于维修。

2核心元器件介绍
2.1 LM324的介绍
LM324引脚图简介:
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。该四放大器能够工作在低到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。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示, 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。实物如图2.1.1, LM324的引脚排列见图2.1.2。

图2.1.1 LM324

图2.1.2

LM324的特点:
　　1.短跑保护输出。
　　2.真差动输入级。
　　3.可单电源工作: 3V-32V。
　　4.低偏置电流: 最大100nA。
　　5.每封装含四个运算放大器。
　　6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源。 　　
8.行业标准的引脚排列。
9.输入端具有静电保护功能。

图2.1.3 典型原理图( 所示为电路的四分之一)
LM324系列采用两个内部补偿, 二级运算放大器, 每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18, 以及差动到单端转换器Q3和Q4。第一级不但完成第一级增益的功能, 而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小, 仅需使用一个较小的补偿电容( 仅0.5pF) , 从而就能够减小芯片尺寸, 跨导的减小可由将Q20和Q18的极电集分离而实现。该输入级的另一特征是, 在单电源工作模式下, 输入共模范围包含负输入和地, 无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和, 第二级含标准电流源负载放大器级。
2.2 LM386的介绍
LM386是一种音频集成功放, 具有自身功耗低、 更新内链增益可调整、 电源电压范围大、 外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器, 广泛应用于录音机和收音机之中。
LM386内部电路
LM386内部电路原理图如图2.2.1所示。与通用型集成运放相类似, 它是一个三级放大电路。

图2.2.1
第一级为差分放大电路, T1和T3、 T2和T4分别构成复合管, 作为差分放大电路的放大管; T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载; T3和T4信号从管的基极输入, 从T2管的集电极输出, 为双端输入单端输
出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载, 可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。
第二级为共射放大电路, T7为放大管, 恒流源作有源负载, 增大放大倍数。
第三级中的T8和T9管复合成PNP型管, 与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压, 能够消除交越失真。
引脚2为反相输入端, 引脚3为同相输入端。电路由单电源供电, 故为OTL电路。输出端( 引脚5) 应外接输出电容后再接负载。
电阻R7从输出端连接到T2的发射极, 形成反馈通路, 并与R5和R6构成反馈网络, 从而引入了深度电压串联负反馈, 使整个电路具有稳定的电压增益。

LM386的外形和引脚的排列如图2.2.2所示。引脚2为反相输入端, 3为同相输入端; 引脚5为输出端; 引脚6和4分别为电源和地; 引脚1和8为电压增益设定端; 使用时在引脚7和地之间接旁路电容, 一般取10μF。
图2.2.2
查LM386的datasheet, 电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4); 静态消耗电流为4mA; 电压增益为20-200; 在1、 8脚开路时, 带宽为300KHz; 输入阻抗为50K; 音频功率0.5W。
3电路设计

电路整体设计
3.1 直流稳压电源电路的设计
各种电器设备内部均是由不同种类的电子电路组成, 电子电路正常工作需要直流电源, 为电器设备提供直流电的设备称为直流稳压电源。直流稳压电源能够将220V的交流输入电压转变成稳定不变的直流电压, 如图3.1.1。

图3.1.1 电源组成框图
3.2 话音放大器
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), 因此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, 其放大倍数Av=1+R4/R1=8.5倍。

3.3混合前置放大器
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。混合前置放大器电路图如图3.3.1。

图3.3.1
根据 (式3.3.1)
　 Vi1为话筒放大器输出的电压, Vi2为放音机输出的电压, Vo为混合后输出的电压。因此取Rf =30KΩ R2=10KΩ; 音放机输出插孔的信号电压一般为100mV, 已基本达到放大的要求不需要话。取R6 =30kΩ 。
音响放大器的性能主要由音调控制器与功率放大器决定, 下面详细介绍这两级电路的工作原理及其设计方法。

3.4音调控制器
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3.4.1

图3.4.1
f0( 等于1kHz) 表示中音频率, 要求增益AV0=0dB 
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
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
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。
图3.4.2 音调控制器电路
C5

设电容C1= C2>> C3, 在低频区C3能够视作开路, 电路作为低通滤波器; 在中高频区, C1、 C2能够视为短路, 电路作为高通滤波器。
具体分析如下:
( 1) 当时
当RP1的滑臂在最左端低频时, 对应于提升最大的情况, 如图3.4.3。
图3.4.3 RP1的滑臂在最左端的等效电路
图3.4.4 RP1的滑臂在最右端的等效电路

当RP1的滑臂在最右端时, 对应于低频衰减最大的情况, 如图3.4.4。
分析表明, 图2.4.2所示电路是一个一阶有源低通滤波器, 其增益函数的表示式为:
(式3.4.1)
式中或者
, 或
图2.4.3所示电路是一个一阶有源低通滤波器, 当时, C2可视为开路, 运放的反向输入端能够视为虚地, R4的影响能够忽略, 其增益函数的表示式为:

在当,故可由下式:
得: 计算其模:
此时的电压增益相对于AVL下降了3dB。
在当,故可由式3.4.1
得: 计算其模:
此时的电压增益相对于AVL下降了17dB。
同理能够得出图3.4.4所示电路的相应表示式, 其增益相对于中频区的衰减量。
( 2) 当时
C1、 C2视为短路电路作为高通滤波器的等效电路如图3.4.5:
图3.4.5 高通滤波器的等效电路

将C1、 C2视为短路,R1、 R2、 R4从星型连接改做为三角形连接后的电路图如图3.4.6:
Rc
RP2
Vo
Vi
C3
R3
Ra
Rb
图3.4.6 高通滤波器等效电路的转换电路

若取R1=R2=R4,则Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4
当RP2的滑臂在最左端高频时, 对应于高频提升最大的情况, 如图2.4.6:
vo
图3.4.7 RP2的滑臂在最左端的等效电路
图3.4.8 RP2的滑臂在最右端的等效电路

当RP2的滑臂在最右端时, 对应于高频衰减最大的情况如图3.4.8。
分析表明, 图3.4.7所示电路是一个一阶有源高通滤波器, 其增益函数的表示式为:
( 式3.4.2)
式中或者
, 或
当时, C3视为开路, 此时电路电压增益AVO=-1( 0dB) 。
在当时, 因为, 由式2.4.2得AV3=AVO
此时电压增益AV3相对于AVO提升了3 dB。
在当时, C3视为开路, 此时电压增益AV4=AVO
此时电压增益AV4相对于AVO提升了17dB。
在当时, C3视为短路, 此时电压增益AVH=( Ra+R3) /R3
同理能够得出图3.4.9所示电路的相应表示式, 其增益相对于中频区的衰减量。
图3.4.9 中频区增益等效电路

根据音响放大器的设计技术指标, 结合的表示式可知, 、 、 的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取, 有, 。
取标称值, 则, 。由前述的假设条件可得, , , , , 。由于在低音时, 音调控制电路输入阻抗近似为, 因此级间耦合电容可取。
经过上述分析计算, 各元件的参数如下图3.4.10所示

图3.4.10
3.5功率放大电路的设计
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, 效率尽可能高。
图3.5.1
由Av=2R7/( R5+R6//R18) , 根据增益的分配, 当1.8之间的电阻恰好为零时, 此时电压增益为20倍, 故取R18=0。电路如上图3.5.1
3.6 总电路图

图3.6.1
4 用Multisim进行仿真
4.1话放与混放性能测试
话放仿真结果: 输入1kHz的5mVp正弦波的情况下放大倍数为8.5倍 电路情况良好

图4.1.1

输出波形:

图4.1.2
话放和混合放大器仿真结果: 电压增益25.7, 电路情况良好

图4.1.3
输出波形:

图4.1.4

4.2单独功放性能测试
输入信号100mVp,频率1k Hz,电压增益Av=20,如图4.2.1所示, 输出与输入端波形如图4.2.2, 波形良好, 未出现失真, 电路状态良好。
图 4.2.1
图 4.2.2
4.3整体性能测试
1.输入5mVp,50 Hz信号, 波形如图4.3.1所示, 未出现失真情况。经过调节滑动变阻器功率可达到0.5W。
图4.3.1
2.输入5mVp,1kHz的信号, 电压增益大于316满足要求, 增益如图4.3.3所示, 输出输入波形如图4.3.4所示, 未为出现失真。调节功率为0.5W。

图4.3.3

图4.3.4
3.输入5mVp,20kHz的信号, 电压增益大于316, 如图4.3.5所示, 输出输入波形如图4.3.6所示, 未出现失真。调节功率为0.5W。

图4.3.5

图4.3.6
4.4 仿真结果分析
在输入频率为5OHz~20KHz时, 得到的波形良好, 说明在50Hz~20KHz有良好的频率响应。而且得到的放大倍数也在316倍以上, 达到了要求的衰减度, 说明方案是可行的, 仿真成功。

5 音响放大器的技术指标的测试
5.1相关性能参数的测量
1.额定功率: 音响放大器输出失真度小于某一数值时的最大功率称为额定功率, 其表示式为: PO=VO2/RL, 式中, RL为额定负载阻抗, VO为RL两端的最大不失真电压有效值。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号, 功率放大器的输出端接额定负载电阻, 如有音调控制器, 控制器的两个电位器调节到中间位置, 音量控制电位器调到最大值, 用双踪示波器观察Vi及Vo的波形, 失真度测量仪监测Vo的波形失真( 无失真度仪可用肉眼观察无明显失真) 。逐渐增大输入电压Vi, 直到输出的波形刚好不出现削波失真, 此时对应最大输出电压, 同时可算出额定功率值。
2.频率响应: 调节音量旋钮使输出电压约为最大输出电压的50%, Vi=5mV, 测量方法和其它实验中幅频特性曲线的测量方法相同。
3.输入阻抗: 从音响放大器输入端(话音放大器输人端)看进去的阻抗称为输入阻抗, 测量方法和放大器的输人阻抗测量方法相同。
4.输入灵敏度: 使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压有效值称为输入灵敏度。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号, 功率放大器的输出端接额定负载电阻, 音调控制器的两个电位器调节到中间位置, 音量控制电位器调到最大值, 测量方法是, 使Vi从零开始逐渐增大, 直到Vo达到额定功率值时的输入电压值即为输入灵敏度。
5.噪声电压: 音响放大器的输入为零时, 输出负载RL上的电压称为噪声电压, 测量时功率放大器的输出端接额定负载电阻, 如有音调控制器, 控制器的两个电位器调节到中间位置, 音量控制电位器调到最大值, 输入端对地短路, 用示波器观测输出负载RL端的电压波形, 用交流毫伏表测量其有效值。
6.整机效率: 在输出额定功率的情况下, 将电流表串入VCC支路中, 测得总电流I, 则效率为

5.2整机信号试听
用8Ω、 0.5W的扬声器代替负载电阻RL, 进行以下功能试听:
1.话音扩音: 将低阻话筒接话音放大器的输人端, 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人后, 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。
2.Mp3音乐试听: 将MP3输出的音乐信号, 接入混合前置放大器, 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。
3.混音功能: MP3音乐信号和话筒声音同时输出, 扬声器传出的声音应清晰, 适当控制话音放大器与Line In输出的音量电位器, 能够控制话音音量与音乐音量之间的比例。
5.3实物调试
1.对话放级进行调试: 调节函数信号发生器, 输入1k Hz,有效值为5mV的信号, 用电表对输出端电压进行检测, 并用示波器观察波形, 测得输出信号41.5mV,Av=8.3,满足仿真要求。
2.对混放级进行调试: 输入1k Hz,有效值41.5mV的信号, 测得输出电压信号134mV,Av=3.2,满足仿真要求。
3.对功放级进行调试: 输入1K HZ,有效值100mV的信号, 测得输出电压2.914V,AV=30,放大倍数过大, 经过检测发现1端和8端接有电阻, 使得增益表示式中分母变小, 从而放大倍数增大。
4.整机调试: 用杜邦线将各级连接在一起, 输入信号, 结果输出交流信号为零, 电路出现故障。

心得与体会
本学期我们开设了《模拟电子技术基础》这门课, 正所谓”纸上谈兵终觉浅, 觉知此事要躬行。”学习任何知识, 仅从理论上去求知, 而不去实践、 探索是不够的, 经过这次课程设计不但能加深我们对电子电路的认识, 而且还及时、 真正的做到了学以致用。
历时这一个星期的课程设计即将画上圆满的句号。回头看看, 不禁感慨众多, 课程设计这么复杂, 仅仅是一个音响放大器就涉及很多的电路知识。这次课程设计是我深刻认识到学好一门知识很难, 做好一件事也很难, 我们要想做好一件设计, 一个产品, 都离不开我们所学习的知识, 经历这次课程设计我认为今后每个人都应该有更大动力学习本专业的知识, 将我所学的知识来赋予实践。
可是课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力, 对材料的不了解等等。由于时间有限, 未能完成全部安装与调试工作, 感到遗憾。这次实践是对自己模电所学的一次大检阅, 使我明白自己知识还很不全面。第一: 不能将所学的知识转化成实际的设计, 在这方面的能力还是比较欠缺的; 第二: 碰到比较难一点的问题, 不能静下心来解决。
最后, 向所有给予我帮助和鼓励的同学和老师致以最诚挚的谢意!

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] 胡宴如．模拟电子技术[M]．北京: 高等教育出版社, , 2．
[3] 廖芳.电子产品生产工艺与管理.电子工业出版社 : 98-100.
[4] 华成英:《模拟电子技术基础》[M], 北京高等教育出版社, 。
[5] 姚福安:《音频功率放大器设计》, 山东大学学报, 06期。
[6] 牟小令:《高效率音频功率放大器》, 西南师范大学学报, 01期。
[7] 康华光, 陈大钦, 张林.电子技术基础.华中科技大学出版社.
[8] 韩克, 柳秀山. 电子技能与EDA技术 .暨南大学出版社.

附件1: 电路原理图

附件2: 元件清单
原件
规格
参数
数量
电阻
R1 R2 R3 R6 R7 R8 R18 R19
10k欧姆
8
电阻
R9 R10
30k欧姆
2
电阻
R12 R13 R16
47k欧姆
3
电阻
R17
13k欧姆
1
电阻
R23
10欧姆
1
电位器
R5 R20
10k欧姆
2
电位器
R14 R15
470k欧姆
2
电解电容
C1
1uF
1
电解电容
C2 C3 C4 C5 C6 C7 C11 C12 C13
10uF
9
电解电容
C16
270uF
1
电容
C10
470pF
1
电容
C15
50pF
1
稳压源

12V
1
运算放大器
LM324

3
功率放大器
LM386

1
喇叭
L
4欧姆
1

附件3: 实物图

附件四:
本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性别 别

专业、 班级

课程设计题目:
课程设计答辩或质疑记录:

成绩评定依据:

最终评定成绩( 以优、 良、 中、 及格、 不及格评定)

指导教师签字:
年 月 日