音箱放大器-电子班王世顺.doc

华中科技大学光学与电子信息学院电子系电子封装与表里面组装技术课程设计

选题：音箱放大器

班级：电子0904班

姓名：王世顺

学号：U200914698

指导老师：郝永德教授

目 录
第1章.绪论 ..........................................
第2章.设计任务.......................................
第3章.设计方案选择...................................
第4章.设计原理说明...................................
第5章.仿真与测试.....................................
第6章.心得体会 .....................................

第1章.绪论

1.1引言
伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。
如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。
本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器，践实所学知识掌握程度，并通过对所学知识来制造和改进相关产品，实际动手的过程中遇见了很多问题，但是在老师的指导和帮助下解决相应的问题。同时在与同组人的讨论学习过程中加强可团队意识的培养，加强了相互间协调合作的能力，从而高质、高效的完成本项任务。
1.2 音频功率放大器概述音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。
60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，，各种电路也相应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路；成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

第2章.设计任务

————音响放大器的设计

（一）设计目的
1、了解集成功率放大器内部电路工作原理
2、掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法
3、掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术
（二）设计要求和技术指标
设计一个音响放大电路，其主要技术指标和要求如下：
⑴输出功率P0≥1W，负载阻抗8Ω，失真度<5％。频率响应：低频截止频率fL=40Hz，高频截止频率fH=20kHz。
⑵音频控制：中频f0=1kHz处增益为0dB，100Hz和8kHz处有±12dB的调节范围，低频端和高频端的最大增益为±20dB（即电压放大倍数AVLm和AVHm均为十倍）。
⑶话筒输出灵敏度为5~8mV（低阻话筒）。
⑷信噪比S/N≥50dB。S/N=10lg（POS/PON）,其中POS为信号输出功率，PON为噪声输出功率。
（三）设计提示
1、音响放大器的设计框图如图4-1所示，
2、音响放大器各级增益分配如图4-2所示
3、设计用仪器设备：
话筒
放大器
混合器
拾音
功放
音调控制
扬声器
示波器、交流毫伏表、万用表、低频信号发生器、实验面包板或万能板、智能电工实验台

4、设计用主要器件：
电子混响延时模块一片、集成功放LM386（或LA4102）一片、四运放LM324一块（或741三块）、LA4102、高阻话筒20K一个、扬声器（8欧/4W）一个、电阻电容若干。
5、参考书：调试总结
《电子线路设计、实验、测试》

第3章.设计方案选择

3.1方案的选择
采用直接给定的音频信号外加音响放大器
采用直接所定的音频信号，是由MP3现代音频信号设备，直接给音响放大器。此电路简单，其优点是：在音频信号具有直接给定的音频频率，在频率方面没有失真效果，而且具有混响器的效果。
话音放大器
电子混响器
磁带防音机
混合前值放大器
音调控制器
功率放大器

图3.1.2直接给定的音频信号外加音响放大器

第4章.设计原理说明

本设计由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器五部分组成。其工作原理如下：当语音信号由话筒输出后，进入语音放大器放大并传入电子混响器产生混响效果。混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调控制器，然后进入功率放大器进行功率放大后，由扬声器输出声音。接下来我们详细的分析各级的结构原理。

4.1语音放大器的介绍说明
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20，200等)，所以话筒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。如图4.1.1
AvF=1+Rf/R2 （4.1.1）
Ri=R1 (R1一般取几十千欧)
耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取
C1 = C3 = (3～10）1/2pRLfL（4.1.2）
反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。

图4.1.1语音放大器原理图
4.2电子混响器及混响前置放大器的组成原理及功能
电子混响器（如图4.2.1）的作用是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。在“卡拉OK"伴唱机中，都带有电子混响器。电子混响器的组成框图中3.2BBD器件称为模拟延时集成电路，内部由场效应管构成多级电子开关和高精度存储器。
二阶低通滤波器Ⅰ
BBD延时器
二阶低通滤波器Ⅰ

时钟脉冲产生器

缓冲器

如图4.2.1电子混响器．

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进行混合放大。其电路如图所示4.2.2，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：
V0= －（RFV1/R1+RFV2/R2） （4.2.1）
上式中 ， U1为话筒放大器输电压 ，U2为录音机输出电压

图4.2.2混合前置放大器

4.3音调控制器
1.音调控制器主要是控制、调节放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图4.3.1所示，图中， f0(等于1kHz)表示中音频率，要求Av0=0dB; fL1 表示低音频转折（或截止）频率，一般为几十赫兹；fL2（等于10 fL1）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 ）表示高音频转折率，一般为几十千赫兹。

图4.3.1音调控制器理想的控制曲线
由图可见，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0 dB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。由运算放大器构成的音调控制器，如图4.3.2所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录音响放大器中应用较多。下面分析该电路的：
设电容C1 = C2 >>C3 , 在中低音频区,C3 可以视为开路,在中高音频区,C1,C2 可视为短路。
( 1).当f<f0 时，音调控制器的低频等效电路如图4.3.3所示。其中，图（a）为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图（a）所示电路是一个一介有源低通滤波器，其增益函数的表达式为：
A（jw）== - ×（4.3.1）
式中 ，w1=1/（RP1C2）或 fl1=1/(2pRP1C2)，w2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或fl2 =(R1+R2)/(2RP1R2C2)
(2).当f<fl1时，C2可以视为开路，运算放大器的反向输入端为虚地，R4 的 影响可以忽略，此时电压增益为：
AVL =（RP1+R2）/R （4.3.2）

图4.3.2音调控制电路图

图4.3.3低频等效电路（a）低频提升
( 3) .在f=fll时，因为fl2=10fl1故可由式（4.3.1）得
Av1= -模 Av1=（RP1+R2）/R1
此时电压增益Av1相对下降3dB。在f=fl2时，由式（4.3.1）得：
Av2= - 。模 Av2 = - =0.14Avl
此时电压增益相对Avl下降17dB。
同理可以得出图（b）所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器低频时的幅频特性曲线如图4.3.1中左半部分的实线所示。

图4.3.3音调控制器的低频等效电路（b） 低频衰减
(1)当f>f0时，音调控制器的高频等效电路如图4.3.4所示。

图4.3.4音调控制器的高频等效电路

由于此时可将C1，C2视为短路，R4与R1，R2组成星型连接，转换成三角形连接后的电路如图4.3.5所示，其电阻的关系为：
Ra=R1 +R4+( R1R4 /R2)
Rb =R4 +R2 +（R4R2 /R） （4.3.3）
Rc=R1 +R2 +（R2R1/R4）
若取R1=R2=R4 ，则式（4.3.3）为： Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4
图取的高频等效电路如图4.3.6所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最在最左端时，对于高频提升最大的情况：图（b）为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。

图4.3.5电路等效如

图4.3.6高频等效电路
（a）为高频提升；（b）为高频衰减
分析表明，图（a）所示电路为一价有源高通波器，其增益函数的表达式为
A（jw）= （4.3.4）
式中w=1/[(Ra+R3)C3]或fH1=1/ [2Л（Ra+R3）C3]
w4=1/(R3 .C3) 或fH2 =1/(2ЛR3C3)
与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。
(2).f<fH1 时，C3视为开路，此时电压增益Av0=1(0dB)。在f=fH1 时，
Av3=Avo
此时电压增益相对于AV3相对于AV0提升了3d B。在f=f H2时
AV4=10/AV0
此时电压增益AV4相对于AV0提升17d B
(3).当f > f H2时，C3 视为短路，此时电压增益
AVH=（Ra+R3）/R3
同理可以得出图（B）所示电路的相应的表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器高频时的幅频特性曲线4.3.1中右半部分实线所示。实际应用中 ，通过先提出对低频区（或）和(或()
即 =.
=/
4.4功率放大器
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,功率放大器的常见电路形式有OTL（单电源供电的互补推挽电路）电路和OCL（乙类双电源互补对称功率放大电路）电路,有用集成运算放大器(简称运放)和晶体管组成的功率放大器,也有专用集成电路功率放大器。
4.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器
由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图4.4.1所示，其中，运放为驱动级，晶体管T1～T4级成复合式晶体管互补对称电路

图4.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器
4.4.2电路工作原理
三极管T1、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。T3、T4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一只决定，即为PNP型。R4、R5、RP2及二极管D1、D2所组成的支路是两对复合管的基极偏置电路，静态是支路电流I0可由下式计算：
I0=(2Vcc-2VD)/(R4+R5+RP2) （4.4.1）
(4.4.1)式中，VD为二极管的正向压降。
为减小静态功耗和克服交越失真，静态时T1、T3应工作在微导通状态，即满足下列关系：VAB/VD1+VD2/BE1+VBE3
称此状态为有甲乙类状态。二极管D1、D2与三极管T1、T3应为相同类型的半导体材料，如图D1、D2为硅二极管2CP10，则T1、T3也应为三极管。RP2用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，一般采用几百欧姆或1KW电位器（最好采用精密可调电位器）。安装电路时首先应使RP2的阻值为零，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否则会因RP2的阻值较大而使复合管损坏。
R6、R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆至几百欧姆，R8、R9为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为几欧姆。R10、R11称为平衡电阻使T1、T3的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。R12、C3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管T2、T4。R12、C3的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。一般R12为几十欧姆，C3为几千皮法至0.1mF。
功放在交流信号输入时的工作过程如下：当音频信号Vi为正半周时，运放的输出电压Vc上升，VB亦上升，结果T3、T4截止，T1、T2导通，负载RL中只有正向电流iL，且随Vi增加而增加。反之，当Vi为负半周时，负载RL中只有负向电流iL且随Vi的负向增加而增加。只有当Vi变化一周时负载RL才可获得一个完整的交流信号。
静态工作点设置：
设电路参数完全对称。静态时功放的输出端O点对地的电位应为零，即VO=0，常称O点为“交流零点”。电阻R1接地，一方面决定了同相放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为零，即V+=0。由于运放的反相端经R3、RP1接交流零点，所以V-=0。故静态时运放的输出Vc=0。调节RP1电位器可改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由I0决定，I0过小会使晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，I0过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取I0=1mA～3mA，以使T2、T4工作电甲乙类状态。

f. 修改封装与布局，这是自动布线的前提；
g. Protel DXP自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。基于形状的对角线自动布线技术；
h. 自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；
i. 存盘并打印；
j. 结束。

第5章.调整与测试
实践表明，新设计的产品，往往难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素，此外，电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。通过电路板的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查出电路安装中的错误，然后采取措施加以改进和纠正，就可使之达到预定的技术要求。

6.1话筒放大器与混合前置放大器设计1.  设计电路由话筒放大与混合前置放大两级电路组成。其中第一部分A1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路，其放大倍数Av1为
                     Av1=1+ R12/R11=8.5（18.5dB） （6.1.1）
四运放LM324的频带虽然很窄（增益为1时，带宽为1MHz），但这里放大倍数不高，故能达到fH= 10kHz的频响要求。
    混合前置放大器的电路由运放A2组成，这是一个反向加法器电路，电压V02的表达式为                
（6.1.2）
根据图6.1.1的增益分配，混合级的输出电压V02≥37.5mV，而话筒放大器的输出V01已经达到了V02的要求，即V01=Av1V11=42mV，所以取R21=R22。录音机输出插孔的信号V12一般为100mV，已经远大于V02的要求，所以对V12要进行适当衰减，否则
输出会产生失真。取R23=100kΩ，R22=R21=39kΩ。
2. 话放级与混合级仿真图如5.1.1 ，仿真波形如图5.1.2 。

图5.1.1话放级与混合级仿真

6.1.2话放级与混合级仿真波形

5.2 音调控制器
1.音调控制器的设计及参数的确定
    音调控制器的电路如图6.2.1所示。运算放大器选用单电源供电的四运放LM324，其中RP33称为音量控制电位器，其滑臂在最上端时，音箱放大器输出最大功率。
    根据低频区fLX与高频区fHX处提升量或衰减量x(dB)与转折频率关系得到转折率fL2及fH1：

   则  

则    
     当f＜fL1时C32可视开路
则 AvL=（RP31+R32）/R31≥20dB
R31、R32、RP31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽略，但也不能太小，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧～几百千欧。现取RP31=470kΩ，R31=R32=47kΩ
则   AvL=（RP31+R32）/R31=1+RP31/ R31=11（20.8dB）
根据式
                             fL1=1/2πRP31C32                 
得；      取标称值0.01μF，即C31=C320.01μF。
根据：Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3
所以对等效电路    R34=R31=R32=47kΩ ，Ra=3R34=141kΩ
因为  AvH=（Ra+R33）/R33≥20dB
所以           R33=Ra/10=14.1kΩ        取标称值13K
因为           
所以  取标称值510pF
取    RP32=RP31=470kΩ，RP33=10kΩ，级间耦合与隔直电容C34=C35=10μF

图5.2.1音调控制电路
2.音调控制器的电路仿真

5.2.2音调控制器的仿真图
.
5.3 功率放大器
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，功率尽可能的高。有用集成运算放大器(简称运放)和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器。
（1）.集成运放与晶体管组成的功率放大器
由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图6.3.1所示。其中，运放为驱动级。晶体管T1～T4组成复合式晶体管互补对称电路。

图5.3.1 集成运放与晶体管组成的功率放大器
由分析电路可得功率放大器的参数确定如下:
R1=47K Ω R2=1KΩ R3=10KΩ
R4=11KΩ R5=11KΩ R6=240KΩ
R7=240KΩ R8=R9=1KΩ R10=100KΩ
R11=100KΩ R12=10KΩ
C1=10μF C2=10μF C3=0.1μF RL=8KΩ
功放在交流信号输入时的工作工程如下：当音频信号Vi为正半周时，运放的输出电压VC上升，VB亦上升，结果T3、T4截止，T1、T2导通，负载RL中只有正向电流IL,且随Vi增加而增加。反之，当Vi为负半周时，负载RL中只有负向电流IL且随Vi的负向增加而增加。只有当Vi变化一周时负载RL才可获
(2) 集成功率放大器
由两片LA4100接成的BTL（Balanced Transformerless）功率放大器的电路如图6.3.2 所示。输入信号Vi经LA4100（1）放大后，获得同相输出电压VO1，其电压增益AVI≈R11/RF（40dB）。VO1经外部电阻R1、RF2分压加到LA4100（2）的反输入端，衰减量为RF2/（R1+RF2）（-40 dB），这样两个功率放大器的输入信号大小相等，方向相同。如果使LA4100（2）的电压增益AV2=（R2//R11）/RF2≈AV1，则两个功放的输出电压VO1与VO2大小相等，方向相反，因而RL两端的电压VL=2VO1。输出功率PL=（2VO1）2/RL=4 VO12/RL。可见接成BTL电路形式后，输出功率在理论上比OTL电路的功率要增加4倍。由于电路不完全对称，实际上获得的输出功率只有OTL电路的2～3倍。双声道集成功率放大器的内部就有两个完全相同的集成功放，可以接成BTL电路。

图5.3.2 LA4100接成BTL电路
电路功率放大器仿真波形如图5.3.3所示：

图5.3.3功率放大器仿真波形
第6章心得体会
本次课程设计非常有意义，使我温故而知新，以前学过电子设计和数电模电，但是都没怎么使用，而且到现在已经好久都没碰过数模电书籍了，许多都忘记了。这次把数模电和电子设计以及电子封装结合在一起，做了一个音箱方法系统，虽然很难，有好多参数都是参照网上的，当然还有许多是按照公式自己计算的，在刚开始自己的事草稿纸上计算设计的，然后要用软件DXP，但是这个软件很难装，装了好几次都没装成功，后来好不容易装成功了，但是库文件看不懂，一大堆专业英文。后来发现网上有破解汉化版DXP2004，于是自己又重新下载安装，直到DXP安装结束，然后就是把草稿纸上的图搞到dxp软件里，然后再进行模拟仿真，我认识到：数电设计每一步都要细心认真，因为任何一步出错的话，都会导致后面的环节发生错误。比如在DXPl中画SCH电路时，就一定要细心确保全部无误，否则任何一个错误都会导致生成PCB板时发生错误，做成实物后就无可挽救了。在PCB板的设计中，焊盘的大小,线路的大小，以及线间的距离等参数都要设置好，因为这关系到下一步的实物焊接。
在设计过程中遇到了一些问题，使得我查找各种相关资料，在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。
参考书：
《电子线路设计、实验、测试》
《数字电路》
《模拟电路》