音响放大器设计报告
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音响放大器设计报告
电子技术课程设计任务书
设计课题: 音响放大器设计
专业班级: 自动化1106
学生姓名: 许超
学 号: 201104134211
指导教师: 刘琼
设计时间: 2013 年6月20日
音响放大器设计
一、任务与要求
设计一音响放大器，要求具有话筒扩音、混合前置放大、音调输出控制、音量控制，功率放大等功能。
各级主要作用
话音放大级:话音放大器的作用是不失真地放大声音信号。
混合前置放大级:将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大。
音调控制放大级:主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，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0dB不变。
功率放大级(简称功放):给音响放大器的负载(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。
已知条件
+VCC = +9V，话筒(低阻20)的输出电压为5mV，录音机的输出信号电压为100mV。电子混响延时模块1个，集成功放LA4102 1只，8/2W负载电阻RL 1只，8/4W扬声器1只，集成运放LM324 1只(或mA741 3只) 主要技术指标
额定功率 Po?1W( <3%);
负载阻抗 RL=8
截止频率fL=40Hz，fH=10kHz;
音调控制特性:1kHz处增益为0dB，100Hz和10kHz处有?12dB的调节范围，AVL=AVH?20dB;
话放级输入灵敏度 5mV;
输入阻抗 Ri>>20
设计过程
整机电路由话音放大器、混合前置放大器、音调控制放大器、功率放大器组
成，根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算 ，根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时，输出功率大于1W，则输出电压Vo>=2.8V。总电压增益AvΣ=Vo/Vi>560倍(55dB)。各级放大倍数如下图所示:
话放级混放级音调级功放级
AAAA5mV42mV125mV100mV3VV1V2V3V4 8.5倍3倍0.8倍30倍
18.5dB9.5dB–2dB29.5dB
A=612倍(56dB)V, 二、设计与论证
方案一:话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级各用一个UA741，功率放大级用LA4102。
方案二:话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个LM324功率放大级用LA4102。
由于多级放大各级信号会互相产生干扰，合理布线，把级与级间的距离拉大是减小信号干扰的好方法，此时方案一是个不错的选择，但每一级各用一个UA741电路元件增多，电路板面积就会增大，不但不美观也不经济。方案二中LM324是四运放集成电路，电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉、放大效果好，话音放大级、混合前置放大级、音调控制放大级共用一个LM324电路元件少，占用电路板面积小，不仅美观而且经济。 三、电路设计与参数计算
1、话音放大级
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ(亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，200Ω等)，所以话音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。
电路原理图，电压放大倍数Av仅由外接电阻R11和R12决定:Av=1+R12/R11按要求该级的放大倍数Av =8.5
仿真图如下:
输入波形
输出波形
2、混合前置放大级
Av =,(V1R22/R21+V2R22/R23)
30KR22
R111VCC4
10KU1BC21R21话筒V16C22
Uo710K10uF5
10uFC23R23R2录音机Ui1LM324
10K30K10uF
根据整机增益分配可知，要使话筒与录音机输出经混响级后的输出基本相等，要求R22/R21=3，R22/R23=1，所以选择R22=30K，R21=10K，R23=30K耦合电容C21、C22，C23采用10uF的极性电容。
3、音调控制器
常用的单调控制电路有三种:(1)衰减式RC音调控制电路，基调范围较宽，但容易产生失真;(2)反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小;(3)混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级收录机中。为了使电路简单、信号失真小、我们采用反馈型音调控制电路。
反馈型音调控制电路原理图如下:
Zf
11
4
ZiVi9U1C
8Vo
10 LM324
图中，Zi和Zf是由RC组成的网络，因为集成运放的开环增益很大，所以
当信号频率不同时，Zi和Zf的阻抗值也不同，所以Af随频率的变化而变化。假设Zi和Zf包含的RC元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如下图所示
R211R211C14 4
R1 Vi9U1CR1Vi9U1C8Vo8Vo 10C210
LM324LM324
(A) (B)
C4
R2R21111C344
R1R1Vi9U1CVi9U1C 8Vo8Vo1010
LM324 LM324
(C) (D)
在图A中，可以得到低音的提升;在图B中可以得到低音衰减;在图C中可以得到高音的提升;图D中可以得到高音的衰减。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0dB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。将这四种电路形式组合在一起就可以得到一个完整的反馈型音调控制电路，如下图所示
图1 A
20dB/10倍频
音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性
/dB V
20
17
f/Hz
f
f3 Hx Lx00
(1kHz) ,3
f
f f L1L2H1H2
图2 ff,17
fL1表示低音频转折频率，一般为几十赫兹;fL2(等于10fL1)表示低音频区的中,20
音频转折频率;f0(等于1kHz)表示中音频率，要求增益AV0=0dB;fH1表示 高音频区的中音频转折频率;fH2(等于10fH1)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。
图1中 RP1是为低音调节，RP2为高音调节，通过运放LM324的负反馈，实现高音和低音最大正负20dB调节。
功能说明
(1)对于低频区，等效电路图为
RRRPR112 RP R 112 v ivi
C1C2 R 4R 4
, , voo ， v，
(b)
(a)
图(a)为当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况 ;图(b)为当RP1滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况，分析表明，图(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为
，VRP，R1，(j,),/o122，Aj,,,,,，，式中， (1—1) ，VR1，(j,)/,i11
当f
在f=fL1时，因为fL2 =10fL1 ，故可由式
得 ，，A,RP，R/RVL121
A,(RP，R)/2R 模 V1121
此时电压增益相对AVL下降3dB。
在f=fL2时，由式(1—1)得
RP，R1，j 12，A,,,V2 R1，10j1
RP，R212A,,,,0.14A 模 V2VLR101 此时电压增益相对AVL下降17dB。
低音电大提升量为
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，最大衰减量为
(2)对于高频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器，等效电路为
RR12
R4
,
vivC o3
，R3
2
C3 R 3 RPC R33
Rb
vi R aR b vR i a
,
, vo
vo ，
，
(c) (d)
图(c)为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况;图(d)为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。 分析表明，图(c)所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为 ，VR1，,j,/ob3，，， A(j,),,,,
，R1，j,/,V a4i，，
，，，，,,,,,,1/R，RC 或 f,1/2πR，RC 式中， 3a33H1a33
，，，，,,1/RC 或 f,12,RC433H233
<3)时，C3视为开路，此时电压增益AV0=-1(0dB) 。 当f
，VR1，,j,/在f=fH1时,因fH2=10fH1由 ob3，A(j,),,,,，，
，R1，j,/,Va4 i，，
A,2A 得 V3V0
此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。 10
在f=fH2时, A,A
V4V0 2
此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。当f > fH2时，,3视为短路，此时电压增益:AVH = (Ra，R3)/R3 。同理可以得出图(d)所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。
根据音响放大器的设计技术指标，要使AVL=AVH?20dB，结合AVL的表达式可知，R1、R2，RP1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。一般取几千欧姆至几百千欧姆，RP1最大只能取470K，R1、R2取47K，则
AVL=(RP1+R2)/R1=11(20.8dB)，C=1/2πRP1fL1=0.008uF,取标称值0.01uF，即C31=C32=0.01uF。又R1=R2=R4=47K，则 Ra=3R4=30k,R3=Ra/10=13k.C3取470pF,由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为R1，所以级间耦合电容可取C1=C2=10uF
