音响电路设计
课程名称：音响放大器设计
内容摘要：(1)了解音响放大器的基本组成和总体设计
(2)了解音响放大器各组成部分的具体设计
(3)了解其安装及调试过程
设计要求：
1设计一个音响放大器，要求具有音调控制、音量控制等功能，可接入电脑音频信号、录音机线路输出信号等扩音，或作为有源音箱等；
2电路基本要求内含前置放大、音调控制、功率放大等；
3画出音响放大器的电路原理图，分析各部分电路的工作原理；
4电路制作与调试；
5简易故障的判定及排除。
一、设计的作用和目的以及意义
在很多电气设备中都有音响功率放大器，集成音响功率放大器具有工作稳定、性能好、易于安装调试、成本低等优点。集成功放加上前置放大器、音调控制电路就可构成音响放大器。前置放大主要完成对输入信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出电阻低，频带宽，噪声小；音调控制主要实现对输入信号高、低音的提升和衰减；功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求功率高、失真尽可能小、输出功率大。
目的：
1．通过多语音放大器的设计，掌握低频小信号放大电路的工作原理和设计方法。2．进一步理解集成运算放大器和集成功放的工作原理，掌握有源滤波器和功放电路的设计过程。
3．了解一般电子电路的设计过程和装配与调试方法。
设计意义：
1. 音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。预计音响技术今后的发展主流为数字音响技术。
2. 通过音响放大器设计，使我们认识到一个简单的模拟电路系统，应当包括信号源、输入级、中间级、输出级和执行机构。信号源的作用是提供待放大的电信号，如果信号是非电量，还须把非电量转换为电信号，然后进入输入级，中间级进行电流或电压放大，再进入输出级进行功率放大，最后去推动执行机构做某项工作。
二、设计方案
1、设计内容
1. 设计一个满足30平方米左右房间的家庭功放，要求具有音调输出控制，对音频信号的输入信号进行扩音。
2、总体方案论证
系统原理方框图如图1所示。根据题目任务, 我们设计有五个基本电路
1)前置放大电路
2)调音电路
3)声道后级放大电路
4)重低音放大电路
5)电源电路
图1系统原理框图
其中前置级主要完成小信号的电压放大任务；音调调节完成音量大小、高低音、平衡调节；左右声道功率放大级和重低音放大级则实现对信号的电压和电流放大任务；电源部分则为整个功放电路提供能量．
该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。
单元模块方案论证：
弱信号前置放大级电路：
弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有：M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。
本系统设计选用NE5532，因为同众多的运放相比, NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能, 被称为“运放之皇”。这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能, 较宽的带宽能保证信号在低、中、高
频段均能不失真输出, 使电路的整体指标大大提高。
调音电路：
调音电路主要实现音量调节、高音调节、低音调节、平衡调节。能达到以上要求的电路有:LM1036、LM4610、NE5532、TA7630等。
本系统设计选用TA7630，因为和其它调音电路相比，TA7630具有电路简单、温度漂移小、音量控制范围、易调试等特点。
功率放大级：
方案一：功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。
方案二：采用专用的功放集成芯片。LM3886是一款功率放大集成块，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。
根据题目设计要求，可供选择的功率放大器可由分立元件组成，也可由集成电路完成。由分立元件组成的功放，如果电路选择得好，参数恰当，元件性能优越，且制作和调试得好，则性能很可能高过较好的集成功放。许多优质功放均是分立功放。但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当，则性能很可能低于一般集成功放，为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。现在市场上有许多性能优异的集成功放芯片，如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。集成功放具有工作可靠，外围电路简单，保护功能较完善，易制作调试等优点，虽不及顶级功放的性能，但满足并超过本设计的要求是没有问题的。另外集成运放还有性价比高的特点。故本系统设计选用方案二。该方案的优点是：技术成熟，外围元器件少，保护功能较完善，调试简单，便于扩功等。
重低音放大级：
方案一：采用LM4558作重低音滤波，LM3886作重低音后级放大。
方案二：采用NE5532作重低音滤波，LM3886作重低音后级放大。
通过上网查资料，咨询指导老师，首先采用了方案二，确定原理图，画出PCB图，但是通电测试之后，发现低音呈现很浑浊，不厚重。然后采用第二种方案测试，画出原理图，做出PCB测试之后发现重低音有明显变化，变得厚重。之后通过分析NE5532和LM4558性能参数，NE5532在性能参数上远胜于LM4458，但是在此电路上的差异却不相符。根据测试效果最终选定方案一做重低音放大。只是最后没有找出差异不符的原因，确实是一大遗憾。
电源电路：
本系统电源设计采用RS808作整流，10000uF的铝电解电容作滤波，LM1812、LM1912作稳压。
方案选择：
由前面的方案论证得知，设计本系统有两种方案，一种方案是采用集成电路与分立元件相结合的方案，另一种是全部采用集成芯片的方案。
为尽可能的降低噪声影响，减小非线性失真，以及考虑到外围元器件过多会给系统引入噪声等干扰因素造成不利影响，本设计采用方案二：全部采用集成运放芯片搭建电路。
为了得到较好的音质效果我们决定在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532,音调调节TA7630P,重低音滤波LM4558，功率放大级中LM3886。
三、音响的设计与制作
第一步:接受设计任务，查找资料
一.设计任务：
设计一个音响，我们组要求使用独立元件。
二. 首先我们在网上查找了很多关于音响的设计书，但由于很多资料在分析电路时就遇到了理论性的错误，而且由于资源的局部性，使我们选择有了很大的障碍。但通过我们组成员共同的努力，最后我们决定采用一下设计方案。
第二步：电路分析
（1）直流稳压电源电路
本方案选用了±12V的
V电压。
CC
为了得到稳定的±12V电源，电源部分将由三部分组成：由于需得到±12V的稳定电压，所以输入稳压电路的电压需略高于±12V。本方案采用±15.5V输出的变压器。
(1)整流部分：采用单相桥式整流电路，可选用四个1N4007二极管或桥堆，最大整流电流1A即可。
(2)滤波部分：采用常用的电容滤波，取值4700μF。此4700μF只要高于12V就可以。由于稳压芯片输出可能略高于12V，所以本方案采用25V耐压的电容。
(3)稳压部分：为得到稳定的±12V电源，稳压部分采用LM317与LM337的集成三端稳压芯片，输入端并接一个4700μF电解电容，以改善纹波与抑制输入的过电压；输出端并接一个0.1μF电解电容，以改善负载的瞬态响应。值得注意的是，输入端的4700μF电解电容会由于变压器输出的瞬间电压过高而报废。所以本方案选用50V耐压的电容。
直流电源原理图如下：
（2）功放部分电路图如图：
由两部分构成，前级采用集成运算放大器构成的比例放大电路，对输入的信号进行电压
放大，输出级采用OCL 互补输出结构的功率放大电路，对经过前级放大的信号进行功率放大。
晶体管VT4～VT7组成复合式晶体管互补对称电路。VT4、VT6为相同类型的晶体管，
组成复合式的NPN 管；VT5、VT7为同类型的晶体管，组成复合式的PNP 管，用于多级放大。
1）对于集成运放电压放大倍数的选取：
放大倍数决定于R14和R13的选取。由公式
A=1+R13/R14决定。
可通过调节调节VR1和VR2控制输入输出信号的大小，以达到控制音量的目的。
OCL 两功率管的选取：
功率放大管的选择决定于管子的极间反向击穿电压，集电极最大电流与集电极最大功
耗。
1) 极间反向击穿电压CBO U =CC V 2=24V 。
2) 集电极最大电流L
CE S CC E C R U V I I )(max max -=≈，考虑留有一定余地，一般取L CC R V C I =max ，即所选功放管max C I 应大于1.5A （R L=8Ω）。
因此选择的功放管应满足：
CBO U >20V ；
CM I >1.5A ；
本方案选用D788和B688，它们的CBO U =120V ，CM I =8A ，。足已满足要求。
采用复合管可以保证一定的放大倍数，更重要的是可以使用两个相同的功放管，以使两
管参数更为一致。
用于消除交越失真的偏置电路：
R 6和二极管VD 1、VD 2和组成的支路是两对符合管的偏置电路，用于消除交越失真，设置静态工作点，使两个晶体管均工作在临界导通状态或微导通状态
R 8、R 7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十至几百欧。本方案
取150Ω。R 9、R 10为负反馈电阻，可改善功放的性能，并能观测功放管的静态电流，但不宜
太大。一般为几欧。本方案取0.25Ω。因为末级电流较大，所以此电阻应用大功率水泥电阻。
三、绘制电路原理图与PCB图
1、利用PROTEL DXP 2004画出电路原理图
2、合理布局画出PCB图
根据设计音响的要求，以及结合实际的情况，对各元件合理布局。
①电路布局时应安排好中心元器件，可以安装散热片，并应按模块布局，可调元件应放置在合适的位置以方便调节。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。
②要充分利用内部的连线，尽量减少不必要的接线。要合理利用导线的粗细不同区分连线的功能。例如：粗线接电源正极以及接地，细线表示各元器件之间的连接等。这样检查电路时就清晰明了。由于我们以前画PCB板都是使用自动布线，而这次要求我们用手工布线，组长要求我们没人都画一个PCB板，但由于PCB版的布局合理性以及从PCB板资源方面考虑，我们最后选用了下面的布局（如下图所示），首先我们改了好多，主要是从线的宽度以及焊盘的大小，还有板布局的是否紧促这几个方面来改，其次由于时间方面的原因我们改的最终的PCB板，布局上也不是很合理，但功夫不负有心人，在通过印制、腐蚀、打孔之后我们的板看起来还不错。
四、制作PCB板
通过PCB图，就可以制作实物PCB电路板。
首先，要找好各元器件，比如电阻、电容、二极管、二脚接线柱、滑动变阻器等。
其次，要正确判断元器件的好坏、标称值大小、极性、额定电流、额定电压。
最后，把元器件安插到板上，进行手工焊接，要保证焊接的质量，防止虚焊和假焊，以
及外形的美观，还要把多余的管脚剪掉。
五、音响电路的调试
一、焊接
操作步骤：
1、准备焊接：准备焊锡丝和烙铁。
2、加热焊件：烙铁接触焊接点，使焊件均匀受热。
3、熔化焊料：当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝至于焊点，焊料开始熔化并湿润焊点。4移开焊锡：当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。
5、移开烙铁：当焊锡完全湿润焊点后移开烙铁。
操作要点：
1、焊件表面处理：手工烙铁焊接中遇到的焊件往往都需要进行表面清理工作，去除焊接面上的锈迹、油污、灰尘等影响焊接质量的杂质。
2、预焊：将要锡焊的元件引线的焊接部位预先用焊锡湿润，是不可缺少的操作。
3、不要用过量的焊剂：合适的焊接剂应该是松香但仅能浸湿的将要形成的焊点，不要让松香透过印刷版流到元件面或插孔里。
4、保持烙铁头清洁：烙铁头表面氧化的一层黑色杂质形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。要随时再烙铁架上蹭去杂质，或者用一块湿布或使海绵随时擦烙铁头。
5、焊锡量要合适。
6、焊件要固定。
二、调试结果及分析
调试与检测：调试是一个非常艰难而又需要耐心的任务，但是它的目的和意义是十分重大的。我们要通过检测与调试，了解一般电子产品的生产调试过程，初步学习调试电子产品的方法，培养检测能力及一丝不苟的科学作风。首先我们要检查焊接的地方是否使印刷电路板损坏，检查个电阻是否同图纸相同，各个二极管、三极管是否有极性焊错、位置装错以及是否有电路板线条断线或短路，焊接时有无焊接造成的短路现象，电源的引出线的正负极是否正确。第二，要通电检测—在通电状态下，仔细调节中周，一定要记下每次调节过程，如果调节失败，再重新调回带原来的位置，实在不行就请老师帮忙!不过在整个过程中我们一定要有耐心。在调试的过程中万用表起着很大的作用，第一次调试，发现喇叭中只有沙沙的电流声，刚开始以为是虚焊，但仅过很长时间的检测却发现不是，后来通过万用表的一段段检测，才发现有是功率管放大的功率不够，后边又发现很多元件我们以为可以只有性质一样，我们就可以随便替换，但后来检测到有些元器件的耐压值不同，导致烧坏了很多三极管，总之，调试是很关键的一步，这个充分体现了做板者对电路图的掌握情况，经过还几个晚上的调试，我的音响终于出声了，而且是使用独立元器件做出来的，但由于我们没有调音系统，所以声音方面还是有欠缺。
1.直流电源模块的调试
利用变压器和直流电源电路使220V交流接入，用万用表测量芯片7812的第3管脚输出，测得输出电压为12V，因此该模块正常，可以为其他模块提供电源。
2.话音放大电路的调试
接入12V的直流电压，利用万用表测量，测得各元件的电流和电压没有异常，由于，该模块在音响设计中不作要求，故该模块不是很重要。
3.混合前置放大电路的调试
接入12V的直流电压，利用万用表测量，测得各元件的电流和电压没有异常，而且，让混合前置放大电路与扬声器相连，并接上音源（如MP3），则可以听到有音乐声，当然，还参杂一些电流声，不过稍微调整一下，就好多了。因此，该模块也正常。
4.音调控制电路的调试
接入12V的直流电压，让混合前置放大电路与音调控制电路连接起来，并接上扬声器与音源，可以听到音乐，调节音调控制电路的几个旋钮，可以控制音量的大小、音调的高低。因此，该模块正常。
5.功放电路的调试
接入12V的直流电压，使功放电路与扬声器相连，并接上音源，可以清晰的听到音乐，用万用表测量芯片TA7280各管脚的电压，均正常。因此，该模块也正常。
经过前面对各个模块的调试，均无错误，于是，将这5个模块级联，并接上音源与扬声
器，可是结果却让我吃惊，喇叭不仅没有发出悦耳的音乐，反而产生严重的自激，像马达的声音一样。于是，我在输入端接入规定的信号，用示波器观测各级输出电压大小及波形，发现电压并无异常，只是喇叭的波形很是没有规律。我查找了一些资料，并总结了产生自激的几个原因：
①功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。
②集成块内部电路多极点引起的正反馈易产生高频自激现象。
③电感性扬声器也容易引起自激。
消除电路级联后产生自激的方法：
①采用接入RC电路。各级电流都要流经电源内阻，内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。R一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与0.1 F小电容相并联。
②改变各模块的一些电阻、电容的参数。
六、总结
通过此次实验的设计与调试，掌握了音响放大器的基本设计方法及基本原理，对几种基本的电路有了更加深刻的理解，也有了更深的印象。并同时掌握了一定的多级放大电路的设计与调试经验。但同时也发现了许多不足之处，例如自己的实践能力依然比较差，无法快速的运用书本知识解决手头遇到的问题。由于经验不足，许多问题无法及时查出。再加上自身耐心不够，测试时花费了大量时间。依旧不能得到理想的结果。通过此次试验，我们认识到结果并不是最重要的，通过试验样我们过得解决突发问题的意识与经验才是最重要的。