语音放大器的设计.docx
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语音放大器的设计
《模拟电子技术》课程实验报告
语音放大器的设计
语音放大器的设计
一、实验目的
（1）掌握分立或集成运算放大器的工作原理及其应用。
（2）掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。
（3）了解语音识别知识。
（4）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。
（5）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。
二、设计任务与要求
（一）设计任务
1）已知条件：
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）性能指标：
a）前置放大器：
输入信号：
Uid≤10mV
输入阻抗：
Ri≥100k。
b）有源带通滤波器：
频率范围：
300Hz～3kHz
增益：
Au=1
c）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
d）输出功率连续可调
直流输出电压≤50mV
静态电源电流≤100mA
（二）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
6）应用Multisim软件对电路进行仿真分析
三、总电路框图及总原理图
（一）实验总体电路图
麦克→前置放大电路→RC有缘滤波器→功率放大电路→喇叭
（二）各部分电路
1）前置放大电路
前置放大电路由2个同向放大电路组成，如上图所示。
该电路具有输入阻抗高，电压增益容易调节，输出不包含共模信号等优点。
本电路主要起放大电压幅度的作用。
2）带通滤波电路
宽带通滤波器，在满足LPF的通带截止频率高于HPF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Butterworth通带响应。
用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用于测量信号噪声比的音频带通滤波器。
3）功率放大电路
功率放大电路主要起放大电流的作用。
其中TDA2030为集成功放器件，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。
四、设计思路
依照原理框图，输入端可采用麦克风和音频线路输入两种形式，声音通过麦克风（或音频线路）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。
五、单元电路设计与参数计算
（一）前置放大电路
前置放大电路采用集成运放LM324构成两级放大电路。
为增强对输入信号的保持性，故两级放大电路均采用同相放大电路组态。
放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的笔直来调节，即
。
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同等重要。
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。
输入信号：
，输入阻抗：
。
实验中，实际设计放大倍数1000倍，可通过电位器调节。
通过计算得元件参数如下：
R1=110kΩ，R2=100kΩ，R3=1MΩ，
R4=100Ω，R5=10kΩ（滑变），R6=100Ω
（二）RC二阶有源带通滤波电路
在滤波电路设计时采用LM324设计了具有Butterworth特性的二阶有源带通滤波器。
在满足LPF的通带截止频率高于HLP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Butterworth通带响应。
用该方法构成的滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整。
本实验设计带宽2.7kHz（300Hz~3000Hz），理论上能够抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号。
实际与前级放大电路使用同一个LM324的其余两个运放。
通过计算得元件参数如下：
R7=8.2kΩ（滑变），R8=8.2kΩ（滑变），R9=20kΩ，
R11=3.5kΩ（滑变），R12=3.5kΩ（滑变），R13=20kΩ，
C1=100nF，C2=100nF，C3=10nF，C4=10nF，
（三）功率放大电路
功率放大的主要作用是向负载提供所需的功率，在信号不失真的前提下，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高。
我们在设计时采用了TDA2030作为功率放大芯片。
TDA2030是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。
它的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会 损坏器件。
在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。
（1）TDA2030主要参数：
参数名称
符号
单位
参数最小
典型
最大
测试条件
电源电压
Vcc
V
+、-6
+-18
静态电流
Icc
mA
40
60
Vcc=+-18,RL=4欧
输出功率
Po
W
12
14
RL=4,THD=0.5%
W
8
9
RL=8,THD=0.5%
频响
BW
Hz
10
140k
Po=12w,RL=4,
输入阻抗
Ri
M
0.5
5
开环，f=1kHz
谐波失真
THD
%
0.2
0.5
Po=0.1-12W,RL=4
（2）电路特点：
a）外接元件非常少。
b）输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。
c）采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。
d）开机冲击极小。
e）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。
f）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。
（3）引脚情况：
1脚是正相输入端
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。
（4）注意事项：
a）TDA2030具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。
b）热保护：
限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。
c）与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。
万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。
d）印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。
e）装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。
f）虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。
（5）元件参数的确定：
a）同轴双联电位器用作左右声道的同步调节，可选47K，这里我们用的是高质量电位器只有10K的，也符合要求。
b）高频退偶电容一般去100nF。
c）耦合电容一般选用1～10μF∕25V，这里用22uF也符合要求。
d）消振移相电路由该集成块的数据手册可知，电容选用100nF。
e）关于散热片的大小：
由此功放的转换效率，可得功放块的热功率为4.5W，故查TDA2030数据手册，得散热片的规格应不小于40mm×30mm×15mm
六、安装与调试
安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有5个引脚，看准后，可直接焊在电路板上。
按照布局图把元件逐一焊接在电路板上，对于电解电容等有极性的器件要用仪器判断好后再焊接。
每一级元件全部焊接完成后，再仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。
最好是焊完一级测试一级，这样如果出现问题比较容易查出来并改正。
在分级测试完成后，我们便把各级连接起来测试，但是并没有得到想要的结果。
如果用信号源代替话筒，喇叭可输出放大后的声音，并且声音随信号源的频率变化而变化。
但是，一接上话筒，就什么声音都没有，所以我们一致认为话筒不符合要求，于是在更换之后，得到了想要的结果。
（1）前置放大器的电压增益：
测试条件：
输入100mV，1kHz的正弦交流信号
（2）带通滤波器的通带宽度：
测试条件：
先输入2.0V，1kHz的正弦交流信号，再调节信号频率，找到上下截止频率
（3）功率放大器最大不失真输出功率的测量
测试条件：
输入1kHz的正弦信号
（4）功率放大器直流输出电压和静态电流的测量
测试条件：
输入对地短路，测量直流输出电压。
将万用表调至电流档，量程为100mA，并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电流。
七、性能测试及分析
（1）前置放大器：
（输入信号为100mV，1kHz的正弦交流信号）
增益：
（2）带通滤波器：
增益：
（输入信号为2.0V，1kHz的正弦交流信号）
（输入信号为2.0V，300Hz的正弦交流信号）
（输入信号为2.0V，3kHz的正弦交流信号）
通频带：
BW=fH-fL=3000Hz-300Hz=2.7kHz
（3）功率放大器最大不失真输出功率的测量
1.35W﹥1W
（4）功率放大器直流输出电压和静态电流的测量
测得功率放大器静态工作电流为：
6.8mA
该语音放大器可将声音很好地放大并播放出来，各项指标均达到了设计要求。
八、仿真报告
前置放大电路
TDA2030功率放大电路
二阶有源滤波电路
（1）前置放大电路仿真
滑动变阻为10kΩ*75%=7.5kΩ输入信号10mV由示波器示数可知放大倍数Au=730
理论值：
Au=A1*A2=750；A1=10A2=75
（2）二阶有源滤波电路仿真
输入Vp-p=1V频率1.7kHz
Au=
=
=0.86
输入Vp-p=1V频率300Hz
Au=
=
=0.700≈0.707
输入Vp-p=1V频率3kHz
Au=
=
=0.691≈0.7
（3）功率放大电路仿真
功率放大电路放大倍数：
Au=
=
=10.96≈11
十、元件清单
LM324——1个
TDA2030——1个
电阻：
100Ω——2个1kΩ——1个20kΩ——3个
110kΩ——1个100kΩ——1个1MΩ——1个
电位器：
10kΩ——6个
电容：
10nF——2个100nF——4个22uF——2个
220uF——2个
喇叭：
8W——1个
麦克风——1个
管脚座——1个
导线及杜邦线若干
十一、参考文献
1.电子电路实验及仿真路勇北京交通大学出版社清华大学出版社
2.电子技术基础实验与课程设计高吉祥电子工业出版社
3.电子技术课程设计指导彭介华高等教育出版社
4.电子技术实验与课程设计毕满清机械工业出版社
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