音响放大器设计实验1概要.docx
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音响放大器设计实验1概要
音响放大器设计实验
龙从玉编写
一、综合设计任务与要求
1、综合设计任务
用给定元器件设计一个能对外接受高阻话筒信号、进行音调控制调节、外接扬声器输出功率达1W的音响放大器。
2、设计音响放大器性能要求
2.1、输出功率：
POM≥1W扬声器阻抗ZL=4Ω/1W电源电压VCC=12V。
2.2、输入阻抗Ri≥20kΩ
2.3、*音响频率响应:
fL=40Hz、fH=15KHz。
2.4、*音调控制特性：
1KHz:
Au=0dB;
二、可供实验元器件
1、音响放大电路设计实验供应元器件如表-1
表-1音响电路实验可供（可选）元器件列表
序号
名称
型号
数量
序号
名称
型号
数量
1
运算
放大器
UA741
4片
8
电解电容
470u/50V
2支
或LM324
1片
10uF
8支
2
大功率管
TIP41
1支
1uF
2支
TIP42
1支
9
瓷片电容
0.033uF
2支
3
三极管
9012
1支
3300pF
2支
9013
1支
0.1uF
1支
4
二极管
1N4007
2支
音响电路公用测试元器件
5
电位器
100K
2支
10
话筒
1支
10K
2支
11
MP3
1支
1K
1支
12
扬声器
1W/8Ω
1支
6
大电阻
10Ω/2W
1支
*扩展实验可选元器件清单
7
电阻
100K
2支
13
集成功放
TDA2003
1块
51K
1支
或LM380
1块
20K
4支
14
仪表运放
AD623
1块
10K
12支
15
电阻
略
若干
2K
2支
16
电容
略
若干
2、音响放大电路设计实验供应元器件的分类说明：
2.1、必做实验部分可供元器件：
通用集成运算放大器、三极管、大功率管、二极管、电位器、常用电阻和电容。
2.2、音响测试元器件为调试与测试公用元器件，以实验教室为单位配置。
2.3、选作实验部分选供元器件；音响集成功放模块、仪表专用集成运算放大器等。
选做实验供应元器件必须将设计电路与选择元件清单，交指导老师审查签字方可领取。
三、综合设计实验流程与电路设计参考方案
1、一般电路实验综合设计流程如图-1：
图-1音响电路设计实验流程图
2、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：
音响放大电路增益分配方案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。
音响放大电路增益分配方案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。
3、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。
同理，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。
四、音响放大器中单元电路分析
音响放大电路设计主要包含：
功放电路、话筒信号放大与混放电路、音调控制电路三大部分。
设计实验重点是功放电路部分。
虽然现在有性能极好的音响集成功放电路模块，但是本设计实验采用普通运放驱动大功率管的功放电路。
1、采用通用运放的前置放大电路
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ（亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，600Ω等），所以话音放大器的作用是不失真地放大声电信号（最高频率达到20kHz）。
其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗，可采用输入阻抗较大的同相放大器。
采用同相输入的放大电路，在实际应用中的自激噪声较大。
可在运放的输出端与反向输入端之间并接一个0.01uF的电容来消除自激。
图-2采用通用运放741的话放与混放电路图
音响放大电路采用单电源比双电源电路要简单，运放的单电源接法只不过是将输入输出电压的参考点由双电源的零电位，改变为单电源的电压VCC的1/2而已。
事实上不仅LM324可采用单电源，UA741同样可采用单电源接法，图-3就是图-2运放741的话放与混放都采用单电源供电的电路图。
图-3用单电源供电的通用运放741前置放大电路图
2、采用专用集成运放的话放电路*（扩展实验选做）
典型的仪表集成运放AD632用双电源电压：
±2.5---±5V，一般用单电源电压可取10V，但其双电源性能也好，电路增益设置简单，用仅用一个电阻就可设置电路增益值，在输出端负载电阻应大于10K时，输出稳定，作话筒信号放大性能良好。
图-4是采用双电源的低阻话筒信号放大电路。
图-4用AD623的话音放大电路图
AD623采用单电源供电时，要特别注意调偏置电压，信号可采用桥式电路输入，信号输出则最好采用电容耦合输出。
3、采用运放驱动功率管的OTL功放电路
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。
功放的常见形式OTL功放电路、OCL功放电路、BTL平衡桥式功放电路，还有立体声功放电路。
采用单电源的运放驱动功率管的功放电路如图-5。
其中，运放为驱动级，晶体管Q1-Q4组成复合式晶体管互补对称电路。
图-5单电源供电运放驱动功率管的OTL电路
3.1、OTL功放电路的工作原理
三极管Q1、Q3为同类型的NPN管，复合管则仍为NPN管，Q2、Q4为同类型的PNP管，复合管则仍为PNP管。
（需要说明的是：
如果Q2或Q4的管型与Q1或Q3不同，则其所组成的复合管的导电极性由第一支三极管的类型决定）。
R4、R5及RW1及二极管D1、D2组成两对复合管的基极偏置电路，静态电流：
IO=（VCC-2VD）/（R4+R5+RW1）.
VD为二极管的正向压降，为减小静态功耗并克服交越失真，静态时，Q1、Q2应工作在微导通状态。
电路的工作状态为甲乙（AB）类状态，选用二极管的材料类型注意要与三极管的类型一致（例如同为硅材料），RW1是微调电位器电阻不要太大。
根据满足下列关系：
VQ1B-VQ2B=VD1+VD2+VRW1，使Q1、Q2的偏压约01.5V。
R7、R8用于减少复合管的穿透电流，提高电路稳定性，一般取一百至几百欧姆。
R6、R9为平衡电阻，可使Q1、Q2的输出对称，一般取几十至几百欧姆。
（为了改善功放的性能，可在复合功率管的输出管脚支路上对称串联反馈电阻，负反馈电阻值一般取1欧姆）。
R10、C4为消振电路，有利于消除电感性扬声器易引起的高频自激，改善功放的高频特性。
C3=470uF输出耦合电容，功放的下限频率由此确定：
fL=1/（2π*RL*C3）
3.2、功放驱动电路的设置与计算：
功放驱动运放电路主要完成电压放大任务，采用自举式同相交流电压放大器。
C1输入耦合电容，C2是自举电容，同时有隔直流的作用。
RF与RPF组成反馈电路，与R1共同确定运算电路的比例系数，功放的电压增益为：
Au=1+（RF+RPF）/R1。
3.3、功放静态工作点的设置
功放电路参数完全对称，静态时功放的对称中点（输出端）的电压VO，在单电源供电时应为VCC的1/2，这就是交流零点。
Q1、Q2的基极电压，应分别大致为交流零点上加上（或减去）一个二极管的正向压降VD。
由于采用单电源，运放的参考电压由R2、R3组成分压电路取得，单电源功放输出端A点静态电压UA=VCC/2。
（在双电源供电时，输出端对地静态电压UA=0）。
功放电路的静态电流由IQ决定，IQ过小会有交越失真，IQ过大则会使功放的效率下降，一般可取IQ=2mA-3mA。
对于功放硅管基极电压在±0.5V左右。
注意：
因为功放电路整体的的电压增益是由式Au=1+（RF+RPF）/R1确定的。
无论电路的输出端是否接负载，输出电压都是定值，为了使功放电压增益不随负载变化，驱动运放的实际电压增益会随负载变化而变化，所以，运放在功放输出端接负载时的实际电压增益会大于功放电路的整体电压增益。
4、OCL功放电路
OCL功放电路采用双电源供电，为防止在实验调试过程中静态工作点偏差大烧毁扬声器，最好在扬声器上串联1000uF电容。
图-6OCL功放参考电路图
5、采用集成功放的参考电路*（扩展实验选做）
典型的五端集成功放TDA200X系列，性能良好，功能齐全，外接元件少，并附有各种保护和消噪声电路。
典型TDA2003的单功放应用电路如图-7
图-7集成功放TDA2003应用电路图
电路中的补偿支路中的电阻取RX=20R2，电容取CX=1/（2πR1fC）。
*如果采用两个集成功放TDA2003，还可以接成BTL桥式功放电路。
6、音调控制电路（选作）
音响放大器的主要性能体现在音调控制电路上，这也是二阶有源滤波电路的应用。
音调控制主要是控制预调音响放大器的幅频特性。
以图-8所示的典型音调控制电路例来说明：
以fo=1khz为音响的中音频率，设其增益为0dB；
fL1低音转折频率（截止频率），其增益为±17dB；
fL2低音频区中音转折频率，其增益为±3dB；
fH1高音频区中音转折频率，其增益为±3dB；
fH2高音转折频率（截止频率），其增益为±17dB。
可见音调控制电路只对低音频与高音频的增益进行提升或衰减，因此，音调控制电路可由低通滤波器与高通滤波器组成。
在图-8中RP1为低音控制电位器，其滑动端向左调向音调电路输入端为低音提升，向右调相向输出端为低音衰减。
RP2为高音控制电位器，其滑动端向左调向音调电路输入端为高音提升，向右调相向输出端为高音衰减。
高音、低音控制电位器RP1与RP2均置中端，则音调电路的增益为0dB（Au=1）。
音调控制电路由低通滤波器与高通滤波器构成。
在图-8的电路中，由于C1=C2=0.033uF>>C3=C4=3300pF，当f音调控制电路、低音音调电位器调整、高音音调电位器调整与相应的各种音调控制曲线如图-7
图-8音调控制电路及音调控制特性曲线图
当低音音调电位器RP1向左调向输入端时，为低音增益提升；
低音频率:
fL=1/（2πRP1C2）。
电容电抗为：
XC=1/（2πfC2）
令C1=C2>>C3=C4，在中低音频区f>RP，可将C2视为开路，C3也是视开路，则当RP1调向输入端，低频增益提升，AuL=（R1+RP1）/R1。
当低音音调电位器向右调向输出端时，为低音增益衰减，如图-9所示。
图-9低音音调控制等效电路图
同理，对于高音音调控制电路：
当f>fo，在中音、高音频区，将C1、C2视为短路，R3与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图-10所示电路，可视为作为高通滤波器。
对于f>fo,电容C1=C2的高音阻抗XC1|f=20K=240Ω,XC1<再对图-10（A）的电路做星角等效变换：
Ra=R1+R3+R1*R3/R2=3R1、
则：
Ra=Rb=Rc=3R1=30k，图-10（A）的电路等效变换如图-10（B）。
图-10高音音调控制等效电路图
在取R3/R4比值为5时，当高音音调电位器向左调向输入端时，为高音增益提升，电路近似简化，如图-10（C）所示。
因为电容C3=C4在高音段的阻抗：
XC3|f=20K=240Ω
高音电位器向左调向输入端，增益提升：
Au≈-[RA//（XC3+RW2）]/[RB//XC3]。
同理，当高音音调电位器向右调向输右端时，电路近似简化如图-10（D）所示。
高音增益为衰减。
Au≈-（RB//（XC4）/[RA//（XC3+RW2）]。
五、电路安装、调试与测试
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。
1.1、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、测试端点要合理布置，便于操作。
1.2、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、蓝色线联接负电源的负极等。
这样检查电路时就清晰明了。
2、音响放大电路的安装
电路安装前，要先检测三极管的好坏、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，首先调试用信号源的正弦信号对电路的工作状态进行测试，然后改变正弦信号频率作音调电路调试，最后输入信号源扫频正弦信号用扬声器试听、验收测试既用调制信号电压的测试，又用话筒或MP3与扬声器试讲、试听。
3、音响电路的调试
3.1、调试前先对电路作直观检查。
3.2、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，如果音响的话放、混放及音调电路均采用单电源运放，则各运放输出端静态直流电压均为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，IO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？
3.3、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。
3.4、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，可接入一组去耦合滤波电容，一般用几百F电解电容与0.1F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，其中电阻R一般取几欧姆，电容C可取0.01微法。
4、音响放大器的性能与参数测试
4.1、音响放大器的主要技术指标：
1）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=Uom2/RL=Iom2*RL
2）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’=0.707Uom），对应的高音频/低音频频率（fH/fL）.记录频率特性测量数据，做出频率特性曲线。
3）输入阻抗:
分别测量话放级输入阻抗与MP3输入阻抗。
4）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PO时，测量输入信号电压的方法。
5）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。
6）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。
4.2、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，测量运算放大电路的静态电流IQ及输出端静态电压UO，然后将信号源输出的频率f=1KHz电压ui=50mv正弦信号接入运放输入端，测量运算放大电路的电压增益。
填入表-1中。
用两级放大则应增加一组测试记录数据。
表-1前置放大电路测试表
Vcc
静态值
动态测试
UO/V
IQ/mA
ui/V
uo/V
Au
2）运放驱动的复合功率管功率放大电路的性能测量：
功放电路输入端接入1kHz信号电压，调节复合管基极偏置电压的电位器，消除输出交越失真，然后断开1kHz信号电压，将功放电路输入端接地，用万用表直流电流档，测量电源供给功放电路的静态总电流IQ，测量运放及各晶体管各极的静态电压及输出端A点的静态电压UA，记录在表-2中；
保持已调好的功放的工作点不变，再次接入1KHz输入信号，逐步提高信号电压，并调节功放电路增益调节电位器Rf，使功放输出为最大不失真电压，测量功放输出电压Uom及功放输出电流Iom，（因Iom>>功放静态电流IQ，可采用直接读出直流稳压电源显示的输出直流电流Im代替测量功放输出电流Iom，）。
计算运放的输入功率Pc、输出功率Pom及效率η，记录在表-2中。
表-2分立元件功放电路的测试数据表f=1khz
静态测量ui=0
动态测量
负载测量RL=10Ω
IQ
/mA
Ub1
/V
Ub2
/V
Ue1
/V
Ue2
/V
UA
/V
Ui
/V
Uom
/V
Au
VCC
/V
Iom
/mA
Uom
/V
Pom
/W
PC
/W
η
3）音响的频率响应的测量：
音响放大器的在负载条件下，调节输入信号频率f，使音响的输出电压增益相对中频（1kHz）的电压增益下降3dB时（即uo’=0.707uo），对应的高音频/低音频频率（fH/fL）。
自拟表格，记录频率特性测量数据，做出音响频率特性曲线。
★4）音响放大器的音调控制特性的测试（选作）
音响放大器的音调控制特性及其测量方法：
①输入信号ui（=100mV）从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号u0从输出端的耦合电容引出。
先测1kHz处的电压增益Au0,（设定指标为Au0=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RP1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RP2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fL1、fx、fL2、f0（1kHz）、fH1、fHx、fH2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-3中。
表-3音调控制特性测量数据表ui=100mv
测量频率点
fL1
fL2
fo
fH2
fH1
调输入频率/hz
30
1k
10k
低频提升
高频衰减
音调电位器
低音调向输入端
中端
高音调向输出端
uo/v
140mv
100mv
71mv
Au/dB
3
0
-3
低频衰减
高频提升
音调电位器
低音调向输出端
中端
高音调向输入端
uo/v
71mv
100mv
140mv
Au/dB
-3
0
3
参考表-3的音调控制特性测量数据表，做出本音响放大器的音调控制特性曲线。
六、设计、仿真及实验问题研究
1、功放电路的复合管中的功率管是否必须用TIP41、TIP42各一个？
能否用两个TIP41或两个TIP42?
为什么？
。
2、功放电路中二极管D1、D2的作用是什么？
应该选用硅管还是锗管？
3、普通集成运放UA741在单电源供电接法中应注意哪些问题？
4、音响放大电路自激啸叫是主要产生在哪些环节的？
应该怎样消除？
七、设计报告要求
1、设计的任务和要求。
2、方案设计和比较，说明所选方案的理由。
3、电路各部分原理分析、元器件选择和参数计算。
4、调试过程出现的异常现象，分析产生的原因，处理的方法及调试结果。
5、实验计算结果、实验测试结果及实验数据分析。
6、总结与建议。
总结所设计中存在的问题，提出改进的设想；完成本设计后的收获、体会和建议。
附1：
关于音响功率的几种不同标示法的说明：
1）额定功率（RMS：
正弦波均方根）标示法：
美国联邦贸易委员会于1974年规定了功率的定标标准在20～20000Hz范围内谐波失真>1％时测得的有效功率。
2）音乐输出功率（MPO）：
MPO是不失真音乐输出功率（MusicPowerOutpur）的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。
音乐输出功率为额定输出功率的2倍。
3）峰值音乐输出功率（PMPO）失真：
它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。
（很多音响器材标示的就是峰值音乐功率啊！
）。
通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-6倍。
附2：
图-11单电源供电运放驱动功率管音响放大参考电路图
附3：
图-12采用运放与功率管的OCL音响放大电路
附4：
图-13采用运放与集成功放的音响放大电路
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