音响放大器课程设计与制作覃文博.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 音响放大电路的设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：集成功放，电容、电阻、电位器若干；或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表等。要求完成的主要任务: （1）设计任务 根据技术指标和已知条件，完成对音频功率放大器的设计、仿真、装配与调试，并自制直流稳压电源。（2）设计要求 设计一个失真小，具有话筒放大，电子混响、混合前置放大、音调控制、功率放大的音响放大电路；输出功率1W左右，负载电阻8；频率响应2020KHz以内，输入阻抗大于20k。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。 利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、 前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。 2、 后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘 要3Abstract31设计要求41.1设计任务41.2设计要求和技术指标41.3发挥部分42设计总体方案52.1 音响模块流图52.2电路方案的比较与论证53 核心元器件介绍73.1集成功放TDA2030A简介73.2 LM324的介绍84各模块电路原理与总电路图104.1话音放大器104.2电子混响器114.3混合前置放大器124.4音调控制器134.5功率放大器174.6总电路图185音响放大器的技术指标及测试方法195.1额定功率195.2音调控制曲线195.3输入阻抗195.4噪声电压195.5整机效率20附 元件清单21总结（心得体会）22参考文献23摘 要本文介绍了音响的构成、功能、及工作原理，它由TDA2030芯片所组成的功放电路，LM324四运放大器为前置放大和音调放大构成，本身具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。而TDA2030一款输出功率大，最大功率到达35W左右， 静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。本设计的功能是将输入音频信号进行放大，是一种可普遍用于家庭音响系统、立体声唱机等电子系统中，便于携带，适用性强。关键词：TDA2030 OTL 输出功率 LM324 1设计要求1.1设计任务利用分离元件或集成电路制作一个音响放大器，可以放大话筒信号或毫伏级音频信号。1.2设计要求和技术指标1.技术指标如下：a输出功率：0.5W；b负载阻抗：4欧姆；c频率响应：fLfH=50Hz20KHz；d 输入阻抗：20K欧姆；e整机电压增益： 50dB；2.电路要求有独立的前置放大级（放大话筒信号）;3.电路要求有独立的功率放大级。1.3发挥部分在话筒放大级和功放级之间利用模拟延时器件实现电子混响，以模拟声音多次反射的效果！2设计总体方案2.1 音响模块流图图21电路整体框图话音放大器：话音放大器的作用是不失真地放大音频信号。电子混响器：电子混响器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。混合前置放大器：混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混响后的声音信号混合放大。音调控制器：音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。功率放大器：功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率。2.2电路方案的比较与论证2.2.1放大电路的比较与论证1.采用uA741运算放大器设计电路，uA741通用高增益运算通用放大器，早些年最常用的运放之一，应用非常广泛，为双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压22V，差分电压30V，输入电压18V，允许功耗500mW。2.采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。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。方案选取：uA741是通用放大器，性能不是很好，满足一般需求，而LM324四运放大器具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。本设计放大倍数不高，LM324能达到频响要求，故选用LM324四运放大器。2.2.2音频功率放大电路的比较与论证1. LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386电源电压4-12V，音频功率0.5w。LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率。它的典型输入阻抗为50K。2.TDA2030芯片所组成的功放电路，它是一款输出功率大，最大功率到达35W左右， 静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。方案选取：本课题要求音响放大器的输出功率在5W以上，然而LM386达不到这功率，故选用TDA2030。频率响应fLfH50Hz20kHz；而单电源供电音频功率放大器已经达到所需要的目标。并且它较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点。而BTL电路虽然也有以上的功能，但制作复杂，不利于维修。3 核心元器件介绍3.1集成功放TDA2030A简介TDA 2030A是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。且其价格低廉、性能良好，在上世纪80年代即被广泛应用于收录机、有源音箱，为广大音频爱好者所熟知和喜爱。图3-1 TDA 2030A 引脚图TDA2030管脚功能： 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.脚是正电源输入端表3-1 TDA 2030A 主要性能参数参量符号参数数值单位VS最大供电电压22VVi输入VSVi差分输入15VIO最大输出电流3。5APTOT最大功耗20WTSTG ，TJ存储和结点的温度-40 to +150VS最大供电电压22VS/R转换速率9VuSTHD总谐波失真Po=0.1 to 9W,RL=8f=40 to 15 kHz0.05%BW功率宽度100KHzTR热阻3/W3.2 LM324的介绍LM324引脚图简介：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。实物如图3-2，LM324的引脚排列见图3-1。图3-2 LM324实物图LM324的特点：1.短跑保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA5.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图3-3 引脚排列图 LM324的内部结构如图3-4：偏置电路对四个放大器共用典型原理图（所示为电路的四分之一）输出图3-4 LM324的内部结构LM324系列采用两个内部补偿，二级运算放大器，每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动到单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片尺寸，跨导的减小可由将Q20和Q18的极电集分离而实现。该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。4各模块电路原理与总电路图4.1话音放大器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欧，200欧等），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抗。 图4-1 话音放大器放大倍数：160/20=8倍电路图中A1组成同向放大器，具有很高的输出阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其放大倍数Av=1+R12/R11=8.5倍（18.5dB），与仿真结果相似。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=10kHzd的频响要求。4.2电子混响器 电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，是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，如下图，其中集成电路BBD称为模拟延时器，其内部有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。在外加时钟脉冲作用下，这些电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行取样、保持并向后级传递，从而使BBD的输出信号相对于输入信号延迟了一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延迟时间越长。BBD配有专用时钟电路，如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD配套。电子混响器的实验电路如图，其中两级二阶低通滤波器（MFB）A1、A2滤去4kHz(语音)以上的高频成分，反相器A3用于隔离混响器的输出与输入间的相互影响。RP1调节混响器的输入电压，RP2调节MN3207的平衡输出以减小失真，RP3调节时钟频率，RP4控制混响器的输出电压。途中MN3207与MN3102各引脚的电压如下： 引脚 1 2 3 4 5 6 7 8MN3207的电压 0.0 3.2 0.0 5.6 6.0 3.2 2.6 2.6MN3102的电压 6.0 3.2 0.0 3.2 3.2 3.2 2.8 2.6图4-2 电子混响器4.3混合前置放大器混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混向后的声音信号混合放大，其电路如下图。这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为 V0= -（Rf/R1）*V1+(Rf/R2)*V2式中，V1为话筒放大器输出电压，V2为放音机输出电压。 图4-3 混合前置放大器上述电路由运放A2组成，这是一个反向加法器电路。4.4音调控制器4.4.1音调调控器的基本知识音调又称声音的高度，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。音调调控器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，分别调整音域的超低音、低音、高音，进行自由调节、装饰、美化，从而使你享受到音乐调味师的乐趣。运用此功能，可根据个人的品位将音乐的低频（大多指80Hz以下）的频率，提升到最大，你可以感觉到动人的超重低音雄浑厚实、强性十足；将音乐的高频（大多指10KHz以上）的频率，提升到最大，你可以感觉到高音清脆动人，亮丽硬朗。音调控制器一般由高通和低通滤波器构成。如下图图4-4-1音调控制器下面分析一下其工作原理：1. 当f在低频段时：电容C3可以视为开路，其电路可以等效为图4-4-2图4-4-2 低频段等效电路图当RP1的滑臂在最左端时，对应的电路图如图4-4-3(a)所示，对应于低频提升最大的情况；当RP1的滑臂在最右端时，对应的电路图如图4-4-3(b)所示，对应于低频衰减最大的情况。根据集成运算放大器的相关的知识可以对图4-4-3的频率特性进行分析，分析表明(a)所示的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=(j)=Vo/Vi=-(Rp1+R2)/R1*(1+j/2)/(1+j/1)图4-4-3 等效电路式中1=1/( Rp1C2)2=( Rp1+R2)/ ( Rp1R2C2)当ffL1时，若C2可视为开路，R4的影响可以忽略，运算放大器的反向输入端视为虚地，此时电压增益：AVL=(Rp1+R2)/R1当f=fL1时，若选择fL2=10fL1 AV1= AVL/此时电压增益相对AVL下降3dB。在f= fL2时Av2=0.14 AVL此时电压增益相对AVL下降17dB。同理可以得出(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。2. 当f在高频段时:电容C1、C2可以视为短路，电路可以等效为图4-4-4(a)，R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角连接后的电路如图4-4-4(b)所示。电阻的关系式为： Ra=R1+R4+(R1R4/R2) Rb=R4+R2+(R4R2/R1) Rc=R1+R2+(R2R1/R4)若取R1=R2=R4，则：Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4图4-4-4 音调调控器的高频等效电路图4-4-4的高频等效电路如图4-4-5所示，当RP2的滑臂在最左端时，对应的电路图如图4-4-5(a)所示，对应于高频提升最大的情况；当RP2的滑臂在最右端时，对应的电路图如图4-4-5(b)所示，对应于高频衰减最大的情况。分析表明(a)或(b)表示的电路为一介有源高通滤波器，其增益函数的表达式为：图4-4-5 滑臂在最左端、最右端的高频提升等效电路A=(j)=Vo/Vi=-（Rb/Ra）*(1+j/3)/(1+j/4)式中：3=1/(Ra+R3)C3 4=1/(R3C3)显然，fH1fH2，若选择10fH1fH2，与低频分析的方法相同，可得f fH2时，C3视为短路，此时电压增益为：AVH=(Ra+R3)/R3将两者综合起来可得到幅频特性图4-4-6 图4-4-6 音调控制电路的幅频特性4.5功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能的小，效率尽可能的高。功放的常见电路有OTL(Output Transformerless)电路和OCL(Output Capacitorless)电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。 TDA2030A是SGS公司生产的单声道功放IC，该IC体积小巧，输出功率大，最大功率到达40W左右；并具有静态电流小（50mA以下），动态电流大（能承受3.5A的电流）；负载能力强，既可带动4-16的扬声器，某些场合又可带动2甚至1.6的低阻负载；音色中规中举，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放等诸多优点。图4-5 TDA2030的典型连接图在图中电阻R3、R2与C2组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益Avf，即Avf1R3/R2R3/R2，C7为相位补偿电容。C7减小，贷款增加，可消除高频自激。C8为单电源供电时OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于Vcc/2，C8一般取耐压值远大于Vcc/2的几百微法的电容。使用双电源供电，可以将其设为短路。C5，C6电源的滤波电容，可滤除文波，一般取几十微法到几百微法。C3，C4为电源的退耦滤波电容，可消除低频自激。4.6总电路图5音响放大器的技术指标及测试方法5.1额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值时的最大功率成为额定功率Po。测量Po的条件如下：信号发生器的输出信号的频率fi=1kHz，电压 vi5mV，音调控制器的两个电位器Rp1和Rp2置于中间位置，音量控制电位器置于最大值，用双踪示波器观测vi及vo的波形。测量Po的步骤是：功率放大器的输出端接额定负载电阻RL，逐渐增大输入电压vi,直到vo的波形刚好不出现削波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压。5.2音调控制曲线输入信号vi(=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号vo从输出端的耦合电容引出。先测1kHz处的电压增益Av0，再分别测低频特性和高频特性。测低频特性的方法：将Rp1的滑臂分别置于最左端和最右端时，频率从50Hz到1kHz变化，记下对应的电压增益。同样，测高频特性是将Rp2的滑臂分别置于最左端和最右端时，频率从1kHz到20kHz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、fH1、fH2等频率对应的电压增益。5.3输入阻抗 将从音响放大器输入端看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。如果接高阻话筒，则Ri应远大于20k。接电唱机，Ri应远大于500k。Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。5.4噪声电压音响放大器的输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压VN 。测量方法是使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观测输出负载RL两端的电压波形，用交流毫伏表量其有效值。5.5整机效率整机效率Po/Pc*100%式中，Po为输出的额定功率；Pc为输出额定功率时所消耗的电源功率。附 元件清单集成功放TDA2030 1只集成运放LM324 1只4扬声器 1只电子混响延时模块 1个电阻，电容 若干总结（心得体会）本次课程设计至此已经接近尾声，设计的时间虽然不是很长，但在整个设计过程中收获颇丰。整个课程设计过程中首先对模拟电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对模拟电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；以前的模电实验只是针对某一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。另外，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。 参考文献1 谢自美.电子电路设计.实验.测试.武昌：华中理工大学出版社，1994.2 童诗白.模拟电子技术基础.第二版.北京：人民邮电出版社，1999.3 康华光主编，电子技术基础（数字部分、模拟部分），高等教育出版社，1998.4 胡宴如模拟电子技术M北京：高等教育出版社，2004，25 廖芳.电子产品生产工艺与管理.电子工业出版社2003: 98-100.6 童诗白.模拟电子技术基础.人民教育出版社.19817 华成英:模拟电子技术基础M，北京高等教育出版社，2001。8 电子技术基础实验指导书 武汉大学电子信息学院基础实验课程组 编