实验5音频放大器文档格式.docx

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实验时间：

2013年6月9日

评定成绩：

审阅教师：

实验五音响放大器设计

【实验内容】

设计一个音响放大器，性能指标要求为：

功能要求话筒扩音、音量控制、混音功能、音调可调（选作）

额定功率≥0.5W（失真度THD≤10%）

负载阻抗10Ω

频率响应fL≤50HzfH≥20kHz

输入阻抗≥20kΩ

话音输入灵敏度≤5mV

音调控制特性（扩展）1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有±

12dB的调节范围

1.基本要求

功能要求话筒扩音、音量控制、混音功能

2.提高要求

音调控制特性1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有±

12dB的调节范围。

3.发挥部分

可自行设计实现一些附加功能

【实验目的】

1.了解实验过程：

学习、设计、实现、分析、总结。

2.系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。

3.通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。

【报告要求】

1.实验要求：

（1）根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。

1总体方案

●方案设计

音响放大器主要由话音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器四部分组成。

●增益分配

设计时先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及级数指标要求分配各级电压增益，然后分别计算各级电路的参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。

本题需要设计的电路为话音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器。

a.音响放大器参数：

输出功率：

0.5W

负载：

8Ω

对应输出电压：

LineIn：

设为100mV（可以用电位器衰减）

放大倍数分配可如下图所示：

2单元电路设计

●话音放大器

话放增益一般为5~10倍左右，可采用同相放大器实现。

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k。

（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。

语音放大器可采用集成运放组成的同相放大器构成，具体电路下图所示：

图中，话音放大器的增益为：

所以，为达到10倍的电压增益，Rf/R1应取到9，根据实验室所有电阻可取R1为3K，那么Rf即可用22K和5K的电阻串联为27K电阻，或者用100K电位计，电位计占位较大搭建实际电路不方便，所以选择电阻串联为宜。

为了不让高频干扰信号通过电路，可利用电容通高频阻低频特性，在输入端串接电容，抗干扰用，吸收干扰信号，让高频干扰基本不进入运放，计算的时候电容不参与运算。

●混合前置放大器

混合前置放大器的作用是将放大后的话音信号与LineIn（输出MP3作为背景音乐信号源）信号混合放大，起到了混音的功能。

可采用反相加法器实现，具体电路下图所示：

从图中可以看出，输出电压与输入电压之间的关系为：

式中，Vi1为话筒放大器的输出信号，Vi2为放音机的输出信号。

另外，图中的

是平衡电阻，大小为

//

。

为使混合前置放大器电压增益为4，则要求Rf/R1=4，同时R1=R2，所以可以选择Rf=40K可用100K电位计实现，那么R1=R2=10K。

加电容用以隔断直流电，让交流电或脉动信号通过，使相信的放大器直流工作点互不影响，耦合电容C1、C2采用10μF的极性电容。

●音调控制器

音调控制电路主要有三种：

（1）衰减式RC音调控制电路，其调节范围较宽，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，其电路的原理图如图所示：

图中，Z1和Zf是由RC组成的网络。

因为集成运放A的开环增益很大，所以：

当信号频率不同时，Z1和Zf的阻抗值也不统，所以

随频率的变化而变化。

假设Z1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：

在图（a）中，可以得到低音提升；

在图（b）中，可以得到高音提升；

在图（c）中，可以得到高音衰减；

在图（d）中，可以得到低音衰减；

如果将上图所示的四种电路形式组合在一起，得到反馈型音调控制电路，如下图所示：

根据音响放大器的设计技术指标，要使频率响应fL≤50Hz，fH≥20kHz，1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有±

12dB的调节范围，现取PR1=10K，根据公式：

可以求得C2+C1=130nF，那么可取两个标称电容22nF和100nF并联即可。

另外，根据公式：

可以求得R1=R2=R3=3K。

由于±

12dB对应增益为4和1/4，取PR2=100K，所以可以求得R4为3K，那么C3=6.8nF，可取标称值为4.7nF和2.2nF的电容并联获得。

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

●功率放大器

功率放大器的作用是给音响放大器的负载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的大，输出信号的线性失真尽可能的小，效率尽可能的高。

常用形式有OTL电路和OCL电路，集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器，以及专用集成电路功率放大器。

器件选用LM386，由于LM386有多种型可选，考虑到我们实验的要求，器件型号可选择LM386N-4，最大偏置电压18V，典型输出功率1W，功放级的增益30倍左右，工作电压Vs采用6V。

参考LM386的数据手册，选用LM386的经典功放电路：

调节10K电位计，使得电压增益为10即可。

（2）利用EDA软件进行仿真，并优化设计（对仿真结果进行分析）。

仿真电路图及波形：

⏹话音放大器

话放电路的multisim仿真电路图如下：

输入信号为5mV、1KHz的正弦波，利用示波器观察波形：

可以看出，测量的峰峰值输出电压为输入电压的10倍，符合话放电路的增益要求。

⏹混合前置放大器

混和前置电路的multisim仿真电路图如下图所示：

利用两个信号发生器分别输入两个信号，一个为50mV,1KHz，另外一个为100mV,1KHz，利用示波器测量得到如下波形：

可以看出，放大了4倍，符合设计要求。

⏹音调控制器

音调控制电路的multisim仿真电路图如下图所示：

利用multisim中的波特图仪来测量125Hz时和8KHz时的幅频特性，得到如下结果：

Ø

当在125Hz时：

当电位计调到最小为0K时：

可以看出增益约为12dB。

当电位计调到最大为10K时：

可以看出增益约为-12dB。

所以，满足在125Hz时有±

12dB的增益。

当在8KHz时：

当电位计调到最大为100K时：

所以，满足在8KHz时有±

⏹功率放大器

由于multisim中没有LM386，所以利用proteus仿真功率放大电路图如下图所示：

输入600mV的正弦波，利用示波器测得的波形结果，调节电位计知道为电压放大10倍，符合设计要求。

利用EDA软件模仿出的结果，经过微调，达到设计要求，每一级的电压增益和波形都正确、不失真。

（3）实际搭试所设计电路，使之达到设计要求（实物图要有图片）。

根据仿真电路搭建实物电路如下图所示：

功放电路

音调电路

混合前置电路

话放电路

由于，测试时发现后级对前级有影响，所以在混合前置电路和音调电路间加了射随电路，在音调电路与功放电路间加一个射随电路。

在上图最下方为两个射随电路。

由于有啸叫，所以在Vcc和地间加一个10μF的电容去除啸叫，同时，在地和VEE之间加大电容为3300μF，过滤噪声，是音质变好。

分级测量：

当在话放电路输入端加上5mV，1KHz的正弦波信号时，在话放输出端测量波形如图，为第一级输出波形：

可以看出，输出非端电压峰峰值为51.6mV，放大了近似为10倍。

当在linein处输入100mV，1KHz的正弦波信号时，信号再经过混合前置电路时，在其输出端测量波形，为第二级输出波形：

可以看出经过第二级后的输出电压峰峰值为640mV，由于输入为第一级的51.6mV加上linein的100mV，约为150mV，所以放大倍数约为4倍，符合要求。

继续测量第三极的输出波形：

可以看出，第二级输出波形（第三级输入波形）与第三级输出波形只有相移而峰峰值并未改变，符合设计要求。

此时，测量第四级输出端波形：

通过以上两图可以看出第四级功放电路放大10倍。

每一级的增益和波形都符合设计要求，总计放大400倍。

（4）按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试波形及数据，分析电路性能指标。

1额定功率：

利用信号发生器做输入信号，分别输入5mV和100mV的正弦波，利用示波器测量输出端的波形如下图所示：

电压峰峰值为6.56V，所以输出功率为：

Po=Vo2/R=（3.28V）2/8Ω=1.34W

理论功率应为：

P=V2/R=（3.0V）2/8Ω=1.13W

误差为18.5%。

2输入灵敏度：

输入信号波形如下图所示：

输入信号为5。

30mV，所以，输入灵敏度为5.30mV。

3谐波失真度：

波形失真度要用横河表或福禄克表测量，本实验没有测量精确值，不过从输出波形来看波形不失真，失真近似为零。

（5）整机信号试听效果，

1话音扩音：

话音字句清晰，无断续，杂声较小。

2Mp3音乐试听：

音乐不是真，可调音量音调，噪声很小。

3混音功能：

混音可以实现，而且互不影响。

4音调控制（提高）：

可调高调低，对低频和高频均可。

总结：

通过此次实验的设计以及调试，掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理，对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。

但是，同时也发现自己的许多不足之处。

发现自己在将书本知识转化为实践能力的水平还很薄弱，在遇到问题时解决的较慢，比如，自己在连接电路后，输出波形有飘移，自己找了很久才找到原因。

而且，模电实验的连线很重要，飞线和交叉都可能造成很大的不同，所以，电路的搭建很重要。

另外，本次试验充分利用了电容，利用其滤波，消除啸叫，较小噪声，使实验得到提升。

这学期的实验让我学习到了模电的基本知识点，并用电路予以实践，加深理解，提升了模电的水平和对书本知识的认识。