音响放大器课程设计报告 (2)

音响放大器课程设计报告

一设计要求... 2

二设计的作用目的... 2

三设计的具体实现... 3

1.系统概述... 3

2. 单元电路设计，仿真与分析... 4

2.1功率放大电路（第三级）... 4

2.2音调控制（第二级）... 8

2.3混合放大输入级(第一级). 18

3 电路的调试... 21

四.心得体会及建议... 22

1.心得体会... 22

2.建议... 23

五.附录（元器件列表）... 23

音响放大器设计报告

一设计要求

设计一个音响放大电路，当输入信号源和话筒的声音时，输出一个放音和音量都可调音响。具体要求：

1 输出功率P大于或等于1W,负载阻抗R=8,失真＜5%。频响特性:低频截止频率fL=40HZ，高频截止频率fh=20KHZ（人耳的听觉范围）。

2 音调控制：中频f0=1KHZ处增益是0dB，当频率为100HZ和8KHZ处有12dB的调节范围，低频和高频段得最大增益为20dB（放大倍数AVLm和AVHm均是10倍。

3 话筒输出灵敏度是5~8mv

4 信噪比S/N≥50dB。S/N=10㏒(POS/PON),其中POS为信号的输出功率，PON为噪声的输出功率。

二设计的作用目的

音响放大电路是把麦克风和拾音（从录音机、电唱机中取出）信号一起混合放大但又不出现失真的电路。可以放大mp3,碟机等输出的模拟信号，我们常见的音频功放和此原理大致相同，将此电路应用于实际，可以放大音乐，并且人们可以调节其音调和声音的大小，其中的音调控制级电路可以调节音频信号低频段和高频段的增益，从而达到不用的试听效果。通过对此音频放大的模拟，我们可以从中学到很多贴近生活的知识，了解常其内部原理，于此同时又能巩固我们学习的模拟电路知识，将课本上所学与实际相联系，培养我们设计电路，模拟电路的兴趣，为我们进一步的学习打下坚实的基础。

三设计的具体实现

1.系统概述

音响设备是是使用广泛的电子设备，其中电路是音响放大器。尽管由于功能和性能的不同其电路有所不同，但基本组成相同，图1-1是其原理框图:1.1

图1.1

该电路主要由三部分组成，混合前置放大级，音调控制级，和功率放大级三大部分组成。

第一级，混合前置放大级，模拟选用的是LM324AD集成运放芯片，将输入的话筒信号和磁带放音机信号做加法运算。其中话音放大级输出5-8 mv的微弱电压，仿真中用幅值为5 mv的正弦波代替。磁带收音机输出用幅值为50 mv的正弦波代替。

第二级，音调控制级。为了达到理想的试听效果，让输入的音频信号在低频段100 HZ 处和高频段8000 HZ处各有12dB的增益。其中中频段1kHZ处增益为0dB，电压放大倍数为一倍，实际上有衰减，故取0.8倍。

第三级，为功率放大级，此处使用的是TDA2030集成功放芯片，外围采用双电源供电，该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，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。

设计总体方案

设计思路是先整体后局部。按照各级功能及技术要求，首先确定各级增益分配，而又分别选择，设计各级电路元器件以及参数。通常从功放级开始向前逐步设计。根据技术指标要求音响放大器输入信号5mv，功率输出p＞=1w,由公式

P=U2/R＞=1W,得出U＞=2.8v,取u=3v,则整体放大电路电压放大倍数AU=3V/5mv=600

(增益约为55.5dB)。功率级属于大信号输入（100mv以上）其电压放大倍数一般为几十倍。当音调在中频段是既(f=1khz)时，电压放大倍数为1倍(增益为0dB)，但在实际中会有衰减，所以一般取0.8倍。混放和话筒放大级，不但要考虑自身输入的信号大小，还要考虑在集成运放中增益带宽积的限制一般混放级Au取几倍话放级取10倍左右。

其大致框图如1.2

图1.2

2. 单元电路设计，仿真与分析

2.1功率放大电路（第三级）

功率放大器，既可以用分立元件组成，也可用集成芯片中小功率芯片种类繁多，而且易于调试，不需要太多外围电路，即可工作。考虑到力求搭建电路图尽量简洁，通过筛选，在此电路中，我们选择了TDA2030，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 20## 在内的几种。TDA2030 集成电路的第二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。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。它是一款常用于音频功率放大中的芯片，该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，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，其大致结构如图1.3

图1.3

其主要参数如下，

[1].外接元件非常少。

　　[2].输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

　　[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

　　[4].开机冲击极小。

　　[5].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。

[6].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。

引脚情况：

管脚1：同相信号输入引脚，用来输入音频信号，1脚上输入信号相位与4脚相同

管脚2：反相信号输入引脚又称负反馈引脚，用来接入负反馈电路

管脚3：负电源引脚，接入负极性直流电源电压

管脚4：信号输出引脚，输出经过功率放大的音频信号，再送入扬声器

管脚5：正电源引脚，接直流电压供给电路，供直流电路内部使用

主要元器件作用分析：

TDA2030：音频功率放大集成电路，构成OCL功率放大器，对音频信号进行功率放大，推动扬声器发生

C1：输入端耦合电容，将1脚电路与前端电路隔离，同时将交流信号无损耗的输入到1脚内部电路

C2：交流负反馈回路隔直电容，将2脚直流电路与地隔开防止负反馈电阻R2产生直流负反馈作用

C3：正电源的低频，滤波电容滤除正电源的高频交流成分使功率放大器中的交流声更小，它常与整流电路中的滤波电容共用

C4：正电源的高频滤波电容，滤除正电源中的高频干扰成分用来补偿低频滤波电容C5的高频特性

C5和C6：与C3和C4一样

R1：直流偏执电阻，为1脚内电路放大器提供直流通路

R2：交流负反馈电阻，阻值越大TDA2030的放大倍数越小，反之则越小，由于R2上没有直流电流通过，因此R2上不存在直流负反馈作用

R3：反馈电阻，建立在2脚与4脚之间的直流电流回路，同时有交流负反馈和直流负反馈的作用

R5：输出电阻

R6：滑动变阻器，可以调节放大倍数

D1和D2：消除交越失真

Vcc和Vss ：为电路提供直流电源，和静态工作点

a、最大输出电压

因为三极管必须工作在大于保和电压的线性放大区，所以功率放大器的最大输出电压等于电源电压减去复合管的饱和电压 ULm=E-Ucc

b、最大输出电流由两个因素决定

第一个因素是最大输出电压与负载阻抗的关系，由欧姆定律决定。

第二个因素是功率三极管的电气特性，它有无欧姆定律所决定的最大输出电流的能力。

c、最大输出电压和最大输出电流决定了最大的输出功率W=UmIm/2。

d、功率输出级的最大输出电压决定了推动级运算放大器的最大电源工作电压必须大于功率输出级的电源电压，并留有足够的余量以适应电网电压的波动。

交流信号传输电路分析：

交流信号再放大其中的传输过程：

音频输入信号Ui→输入端耦合电容C1→TDA2030的1脚→TDA2030的内部功率你放大电路→TDA2030的4脚→扬声器

其电路图如图1.4，

如图1.4

如图1.5

在仿真过程中，给输入端加一幅值为120mv,周期为1000Hz的正弦波，通过示波器可得到其波形如图1.5

由以上数据可知，

当输入幅值为120mv频率1000HZ的正弦波时，输出幅值为2.997v的不失真正弦波，其幅值和放大倍数已满足条件。放大倍数Au3=3/0.12=25 ( 约为28dB)。

2.2音调控制（第二级）

音调控制级的目的是调节音响放大器的频率响应，以满足人们对不同音调

不同需求。常用的有衰减式，反馈式，图解式，其中反馈式因调节方便，元件较少，在中小功率的电路中很常见。反馈式音调控制级得框图和频响如如图1.6

。

如图1.6

基本原理

音调控制级是以中频一千赫兹增益零分贝为基础，对低音频区和高音频区的增益进行提升和衰减。中频f=1kHZ时，C1和C2相当于短路，C3开路，Rp2很大相当于开路，中频时AU=R2/R1=1(相当于0dB).

综合考虑各电阻的选取原则，一般R1,R2,R3取几至几十千欧，此处

R1=R2=R3=R=43KΩ，RP1=RP2=470KΩ。

由fl=40HZ=1/2πRC1得C1=0.01UF,由高频段等效模型得Ra=3R=129kΩ

由fh=20000HZ=1/2πRaC3得C3=470PF.

其中C0为耦合电容，可以滤去低频段的直流分量，使第一级和第二级静态工作点互不影响。

1＞音调控制器的组成和音调调节的基本原理。其实质就是一反馈网络，组成RC网络和放大器组成闭环系统，放大器要求输入电阻无穷大，输出电阻无穷小，所以采用的集成运算放大器较好。经过尝试，最后选用multisim中通用型集成运算放大器，设计电路图如图1.7

图1.7

低音频区时,

c3相当于开路，RP1调至最右端时低频衰减最大。其等效模型如下图

电路图如1.7

图1.7

图1.8

测得输入幅值149mv，输出幅值为126mv，放大倍数约为0.8倍；

交流分析如图1.9，

图1.9

由以上数据可知，频率约为100HZ时，的衰减倍数约为1000/275≈3.6倍。约为-11.6dB。

幅频特性如图2.0

图2.0

由上边数据可知，当频率为100HZ时，下降11.1609dB,基本符合设计要求。

低频提升等效模型如图2.1，

如图2.1

其交流分析如图2.2，

图2.2

由以上数据可知在100HZ处放大3.6倍，即增益+11.2dB。

高频时，C1，C2可视为短路，其等效变换如图2.3

图2.3

星型变换为角型如图2.4，

图2.4

RP2最左端时，对应高频提升，图2.5

图2.5

其对应交流分析如图2.6，

图2.6

图中对应8000HZ时，对应放大倍数为3.4542，约等于11.1dB基本符合设计要求。RP2最右端时，对应高频衰减，如图2.7，

图2.7其对应交流分析如图2.8，

图2.8

其放大倍数为296/1000≈3.3倍即-11.1dB.

数学模型（低频段）

低频等效电路图中电压放大倍数的数学表达式为

其中电路电压放大倍数Au=Uo/Ui=-(R2/(R1+Rp1)）*

其中fl1=1/2Rp1C1, fl2=(R+Rp1)/2Rp1RC1，

其模值为

参照以上分析结果，

当f

当f=fl1时，因fl2=10fl1,由公式得，Au1=Aulm,比Alum上升3dB.

当f=fl2时，Aul2=10Aulm/,比中频增益低3dB.

f在fl1和fl2之间变化时，可近似认为电压增益以每倍频六分贝的斜率变化。

以上为低频衰减，低频提上段与其对称。

在f

同理在高频段时，

数学模型（高频段）

其放大倍数表达式为，

Au =-(Rb/ Ra)*

W1=2πfh1=1/[(Rb+R4)C3]

fh1=1/[2π(Rb+R4)C3]

W2=2πfh2=1/ R4C3

fh2=1/(2πR4C3)

Au=

由其模值的表达式可知，

当f=fh1时，模值Auh1=Rb/Ra比中频（Au=Rb/Ra=10）下降了3dB；当f=fh2时，

Auh2=Rb/10Ra，比中频段下降了17dB。

当f在fh1和fh2之间变化时，因为fh1＜fh2ss时分别提升3分贝，17分贝，20分贝。

由fl2=flx*2x/6 =400HZ， fh1=fhx/2x/6 =2Khz，fl=40HZ， fh=20000HZ

2.3混合放大输入级(第一级)

考虑到音频输入信号，话筒输入约为5-8mv声音信号，而磁带录音机输入约为50-80mv的声音信号，故设计此级为不同放大倍数的加法运算电路，有公式

Au = - 放大倍数分别为10倍和2倍，故取第一级R1，R2，Rf,分别为3kΩ，15 kΩ,30 kΩ。集成运放使用的是LM324，它是四运放集成电路，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；考虑到它为四运算放大，此处我们只使用其1/4部分。

设计电路图如图2.9

图2.9

信号发生器1输入幅值为5mv频率1kHZ的正弦波，信号发生器7输入幅值为50mv频率1kHZ的正弦波,由示波器观察到的波形如图3.0

图3.0

由以上数据可知5mv放大十倍，50mv放大两倍，其和为150，结果计算基本吻合。综合各级电路，总电路设计图3.1

图3.1

在分级调试过程中，出现了问题，不能用两个信号源输入两路信号，这样会导致波形失真和不能进行交流分析和噪声分析。交流分析和直流分析时，要输入一基准信号，经过多次调试，才发现这个问题。最后给输入端输入幅值50mv,频率50HZ的正弦波，得到了理想的波形。用四踪示波器观察，其波形如图3.2

图3.2

由上面的结果可知一级，二级，三级，输出的幅值分别为90.583mv,118.082mv，

2.964v.其放大倍数Au=3v/50 mv=60倍，即约等于35.4分贝，波特图3.3

图3.3

其中频段为增益为35.5分贝，低频截止频率为14HZ，高频截止频率为20000HZ.

3 电路的调试

① 输出功率的调试

将R6置于最大，输出功率级接额定负载，混放级输入1KHZ，50mv电压，察示波器上的波形，观察其是是否失真并计算其输出功率，看是否达到要求，若出现失真，或功率没达到要求，那么调节各级滑动变阻器，使其达到要求。

②音调控制的调试

断开音调控制级的前后电路，把150mv的电压输入，再在音调控制级的输出端测量输出电压和波形，先测1KHZ的值，在分别测高频和低频特性。测试方法：调节滑动变阻器Rp1和Rp2，记录其上下限频率。

③信噪比调试

用示波器观察负载两端波形，从弟频道高频段取3~5个点，分别测试个频率点的的输出电压，将上述值换算其功率。就可以求出 S/N的平均值。

四.心得体会及建议

1.心得体会

每一个学习电子相关的人都有电子制作的经历，而其中很重要的一部分就是对你将要制作的东西，进行可行性的分析，而multisim正解决了这一问题，在此次设计电路的过程中，从开始时的不断失败到逐渐得心应手，到最后的设计制作成功，其中的滋味是没有制作经历的人所无法领会的。通过这次模拟实验，通过模拟组装、调试使我们快速步入电子设计的大门。模拟过程也是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，在电脑上调试考验了我们的操作水平，让我们开是不如电子世界的大门。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。例如在刚确定这个题目的时候，感觉根本无从下手，平时学的模电和电路的知识貌似没有多大的联系，痛过在图书馆的两天的潜心学习，查找各类电子资料，找有关音频设计的资料，但好多都涉及了数字电路的知识，鉴于这次是正对模拟电路的设计，最终确定了用集成运放搭建电路。就这样，像爱迪生发明电灯泡的时候一样，历经多次的实验，终于设计出了比较理想的电路。刚开始的时候，第二级音调控制级芯片的选择找了无数次，最终效果都不是很理想，最后经过几番搜寻选择了通用型集成运放，其结构简单，效果理想。成功的我高兴地无以复加，只是感觉到劳动最光荣，劳动人民最高尚。历时这几个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。回头看看，不禁感慨众多，没有想到我们的科学家，哪怕是我们身边的老师，原来也是如此这般的努力才能够换来今天的幸福生活；离不开你们这些辛勤的工作者，我们的身边这一切才能够如此快捷方便；在这次设计的过程中，音调控制级为难点，刚开始根本无法理解题目的要求，在我和同组战友的争辩之中，慢慢的理解了其原理，那晚我两两点睡的觉，虽然是身心疲惫，但我们解决了一个问题，就是得到了低频段和高频段的增益调节的幅频特性，那晚睡得很踏实。

通过了这次模拟电子电路课程设计，更加贴切的看到了multisim的强大，学会了模拟观察波形，交流分析，幅频特性的分析，进一步理解了所学模电方面的知识，原来我们所学的知识是如此地贴近我们，其实他们就在我们身边，就在我们身边或大或小的地方，甚至是我们不能发现的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。而如今，我才知道了这一切。我才会，并有这样的动力将我所学的知识来赋予实践。最后感谢我的同组战友，感谢我们的指导老师的栽培

2.建议

本次的模拟过程中省略了话筒信号的混响BBD结构，实物制作过程中可能达不到理想的试听效果，以后可以将电路图继续完善，制成实物，增强自己的成就感。

三级电路中前两级集成运放芯片可选择专用的音乐芯片，其效果应该更好。此次制作的是单声道输出，以后可以尝试制成多声道音频功放。

该设计还有许多可以创新的地方，比如给电路加入发光二级管，灯光的闪烁可以和音乐的节奏同步，实现更加完美的音质和视觉冲击。

Multisim只能定性的分析电路的可行性，但不代表其就能达到真实的效果，其测试数据有待事实的考证，不能盲目轻信模拟数据。

五.附录（元器件列表）

六．参考文献

【1】苗松池《电子实习与课程设计》中国电力出版社.2010.2

【2】路勇《电子电路实验及仿真》清华大学出版社.2004.1

【3】童诗白华成英《模拟电子技术基础》第四版高等教育出版社.2010

【4】陈明义《电子技术设计实用教程》中南大学出版社，2002

【5】高青《Multisim 8电子工作平台及应用》等教育出版社.2010.1

【6】陈有卿《新颖实用分立元件电子制作138例》

【7】姚福安《电子电路与实践》科技技术出版社.2001 .10

【8】李银华《电子线路设计指导》航空航天大学出版社.2005.6

【9 】贾更新《电子技术实验与课程设计》西北工业出版社2010.1

【10 】网站百度，51电子网,通信人家园等等

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