北交大模电报告语音放大器设计概要.docx

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北交大模电报告语音放大器设计概要

国家电工电子实验教学中心

电子系统课程设计

设计报告

设计题目：

语音放大器设计

学院：

电子信息工程学院

专业：

通信工程

学生姓名：

索光霁

学号：

13274063

任课教师：

任希

2015年6月20日

1.设计目的及要求.................................1

1.1设计目的........................................1

1.2设计要求........................................1

1.3性能指标........................................2

2.原理框图及总电路图.............................2

3.设计思想及基本原理分析............................3

3.1设计思想......................................3

3.2基本原理.....................................4

4.单元电路分析、元件介绍和元件参数计算..............4

4.1前置放大电路.....................................4

4.2带通滤波器设计...................................5

4.3功率放大电路设计.................................6

5.主要器件介绍.....................................7

6.电路仿真.........................................10

7.焊接实验电路板和调试.............................12

8.故障分析.........................................13

9.实验感悟.........................................13

10.参考文献........................................14

1.设计目的及要求

1.1设计目的

①.通过实验培养学生的市场素质，工艺素质，自主学习的能力，分析问题解决问题的能力以及团队精神。

②.通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验，掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。

1.2设计要求

1）选取单元电路及元件

根据设计要求和已知条件，确定前置放大电路、有源带通滤波电路、功率放大电路的方案，计算和选取单元电路的原件参数。

2）前置放大电路的组装与调试

测量前置放大电路的差模电压增益AU、共模电压增益AUc、共模抑制比KCMR、带宽BW、输入电压Ri等各项技术指标，并与设计要求值进行比较。

3）有源带通滤波器电路的组装与调试

测量有缘带通滤波器电路的差模电压增益AUd、带通BW，并与设计要求进行比较。

4）功率放大电路的组装与调试

测量功率放大电路的最大不失真输出功率Po,max、电源供给功率PDC、输出效率η、直流输出电压、静态电源电流等技术指标。

5）整体电路的联调与试听

1.3性能指标

①前置放大器：

输入信号：

Uid≤10mV

输入阻抗：

Ri≥100k

②有源带通滤波器：

频率范围：

300Hz～3kHz

增益：

Au=1。

③功率放大器：

最大不失真输出功率：

Pomax≥1W

负载阻抗：

RL=8（4）

电源电压：

+5V，+12V，-12V

④输出功率连续可调

直流输出电压≤50mV

静态电源电流≤100mA

2.原理框图及总电路图

①.语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成：

②.实验总电路：

3．设计思想及基本原理分析

3.1设计思想

输入端采用麦克风形式，声音通过麦克风输入前置放大电路，进行一次放大后输入二阶有源带通滤波电路，对通频带（300Hz-3000Hz）以外的信号进行滤波，以消除杂音，最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路，进行功率放大后将声音通过扬声器输出。

3.2基本原理

①前置放大电路

前置放大电路可采用两级负反馈放大器、差分放大电路，也可以用集成运放构成的测量用小信号放大电路等。

在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输。

一般来说，信号的最大幅度可能仅有几毫伏，共模噪声可能高达几伏。

放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。

因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。

在设计前置小信号放大电路时，可参考运算放大器应用的相关；

②有源滤波电路

有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。

有源滤波电路的种类有低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波器，本实验着重讨论典型的二阶有源滤波器。

③功率放大电路

功率放大的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。

4.单元电路分析、元件介绍和元件参数计算

4.1前置放大电路

方案一：

方案二：

方案一是一级放大，其增益过小，且不够稳定，带动不起后级电路。

因此，在前置放大器的选择上，我们采用方案二的两级放大。

运算放大器使用LM324。

通过第二级放大电路中的电位器来调节放大的倍数。

这个电路非常简单，而且原理清晰。

通过仿真可知，输出很完整，基本上没有噪声。

在第一级放大电路中，AU1=1+R3/R1=1+10≈10。

在第二级放大电路中，AU2=1+（R10+R5）/R6≈1～100。

所以总的放大倍数为：

AU=AU1.AU2≈100～200。

前级放大部分最终设计电路如下：

4.2带通滤波器设计

方案一：

方案二：

方案二高通与低通是分开做的，在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来可以实现带通滤波器的功能，而且带通滤波器的低频截止频率fL由HPF的截止频率决定，高频截止频率fH有LPF的截止频率决定。

与方案一相比较，方案二的通带较宽，通带截止频率易于调整。

因此，我们采用的带通滤波器是方案二，电路图如下图所示，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号。

带通滤波器最终设计电路如下：

高通部分：

令==C=0.1µF，=2,

由已知条件：

fH=1/（2лC）=3000Hz，

得≈7.5KΩ，≈3.74kΩ。

低通部分：

令=2=0.022µF，=0.01µF同理可得==R,

由已知条件：

fH=1/（2лR）=300Hz，

得==R≈3.74kΩ。

4.3功率放大电路设计

方案一：

采用TDA2030作为功率放大器方案二：

采用LM386作为功率放大器

TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块，它接法简单，价格实惠，额定功率为14W，电源电压为±6～±18V。

输出电流大，谐波失真和交越失真小（±14V/4欧姆，THD=0.5%），具有优良的短路和过热保护电路。

采用LM386作为功率放大器虽然外围电路相对简单并且稳定性较好，但是仿真软件Multisim中没有找到LM386，基于TDA2030的优点而且又便于仿真，我们最终决定采用方案一。

功率放大部分最终设计电路如下：

5主要器件介绍

①柱极体传声器

传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器。

驻极体传声器是一种用驻极体材料制造的新型传声器。

它具有结构简单、灵敏度高等优点，被广泛应用于语言拾音、声信号检测等方面。

驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。

声电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。

声电转换的关键元件是振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。

膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开，这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。

当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。

从而产生了随声波变化而变化的交变电压信号，如此就完成了声音转换为电信号的过程。

电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率。

驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。

因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。

因此，不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。

而场效应晶体管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻极体电容产生的电压信号，同时以比较低的阻抗在源极S或者漏极G输出信号，实现阻抗变换。

②LM324

1）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。

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。

LM324的引脚排列见图2。

LM324的特点：

1.短路保护输出

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

③TDA2030A

TDA2030A是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。

如图1所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。

该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。

并具有内部保护电路。

TDA2030A的电路特点：

[1].外接元件非常少。

[2].输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。

[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

[4].开机冲击极小。

[5].内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

主要保护电路有：

短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。

无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。

引脚情况：

1.脚是正向输入端；2.脚是反向输入端；3.脚是负电源输入端；4.脚是功率输出端；5.脚是正电源输入端。

6电路仿真

第一级前置放大电路：

带通滤波器

带通滤波器的波特图如下：

功率放大电路

7.焊接实验电路板和调试

按照实验电路图在PCB板上焊接好电路元件，并合理布线。

在焊接过

程中，要注意不要虚焊。

然后从第一级到第三级开始调试，测量第一级的增益、第二级的通频带。

若结果不合适，首先检查焊点是否虚焊，然后检查电路图是否连错。

每一级都无误后，接通整个电路，并加入声音信号，进一步调试，直到输出噪声较小、失真较小的声音信号。

8.故障分析：

①在调试第一级时，发现输出波形为矩形波。

经过分析确定是由于前置放大电路电位器值过大使得放大倍数过大引起的截止失真。

将电位器阻值调小后问题得到解决。

②调试第三级时，发现接上扬声器后波形出现单端被削平的情形。

经确定为功放电路和前置放大电路部分放大倍数太大引起失真。

调节上述电路的滑动变阻器，问题得到解决。

③对麦克讲话时扬声器不出声。

经分析是因为电位器阻值太大或太小，使得麦克上分压未达到或超过工作电压约0.6v，调节电位器亦解决问题。

④扬声器有噪音。

这个情况是在第二次调试电路时出现的。

刚焊接玩时效果非常好，我们播放了男声、女生、交响乐，发现失真很小，声音很饱满，但是过了几个小时再次测试电路时发现扬声器出现自激，有噪声，播放音乐时失真也变大，虽然我们不断调试并采取一些措施，但问题始终没有很好解决。

9.实验感悟

本次设计、焊接语音放大器我收获很大。

首先我根据老师的提示和在图书馆借的电工设计书设计电路图，同时用Multisim软件进行仿真以验证电路图的正确与否。

我们通过仿真软件反复对电路中的各种元件和参数进行调整和改进，直到最终基本符合了实验要求，在这个过程中我们不仅仅熟悉了Multisim软件的使用，而且更加深了我们对电路工作原理的理解，为接下来我们购买原件和焊接电路打下了一个很好的基础。

接下来我们就按照我们设计的电路图去中发购买元件，

开始焊接电路板了，在这个过程中我们不仅熟悉了我们的焊接技术，而且对于在电路板上的布线有了一个更好地认识和理解。

我最大的体会是“细节决定成败”，因为过程当中我经常在小的地方失误，致使浪费了不少时间。

另外，通过亲手设计、仿真、焊接、调节电路板，对放大电路和滤波电路有了更深层次的理解。

此次研学因为时间比较紧张，加上有考试，所以没有太多的精力去投入，文中如有不足之处，敬请指正。

10.参考文献

[1]路勇，刘颖.模拟集成电路基础（第三版）.中国铁道出版社，2010.

[2]陈后金，薛健，胡健.数字信号处理（第二版）.高等教育出版社,2008

[3]刘颖，模拟电子技术，北京交通大学出版社，清华大学出版社，2008.3