石家庄铁道大学四方学院课程设计

题目:        音响放大器                

专    业  电气工程及其自动化               

班    级  方0910—2     

学    号  

姓    名            

                         

完成日期: 20##   年 6   月 26   日

一．课程设计内容

设计一个具有话筒扩音，音调控制，音量控制，电子混响，卡拉OK伴唱等功能的音响放大器。

主要技术指标

（1） 额定功率Po≤1W(γ＜3%)

（2） 负载阻抗RL=8Ω

（3） 频率响应fL=40Hz，fH=10KHz。

（4） 输入阻抗Ri＞＞20kΩ。

（5） 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。

给定条件  

（1）电源电压VCC=+9V。

（2）话筒输出信号电压为5mV。

（3）录音机的输出信号电压为100mV。

二．课程设计应完成的工作

1、设计文本按学校的规定要求撰写。

2、独立完成设计任务（不能相互抄袭）。

3、按规范要求绘制一张3号电路原理图。

一、实验目的

1、 了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法；

2、 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、实验原理

音响放大器的原理框图：

 

话音放大器：无失真地放大人的语音信号。

电子混响器：用来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（不需乐队，利用磁带伴奏歌唱）伴唱机中，都带有电子混响器，是实现卡拉OK伴唱多功能音效的重要组成部分。

磁带放音机：放音机输出音乐信号。

混合前置放大器：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。

音调控制器：音调控制器要求只对低音频和高音频的增益进行提升或者衰减，中音频的增益保持为0dB不变。

功率放大器：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。

三、预习思考

课题要求：

设计一个具有话筒扩音，音调控制，音量控制，电子混响，卡拉OK伴唱等功能的音响放大器。

主要技术指标

（1） 额定功率Po≤1W(γ＜3%)

（2） 负载阻抗RL=8Ω

（3） 频率响应fL=40Hz，fH=10KHz。

（4） 输入阻抗Ri＞＞20kΩ。

（5） 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。

给定条件  

（1）电源电压VCC=+9V。

（2）话筒输出信号电压为5mV。

（3）录音机的输出信号电压为100mV。

简析：

由话筒输出信号电压要求5mV，而输入阻抗要远大于20KΩ，所以话音放大器的作用是无失真地放大声音信号（通频带要求fL=50Hz，fH=20KHz）,其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。

混合前置放大器将放大后的话音信号与由磁带放音机传送来的音乐信号混合放大，起到了混音的功能。

音调控制器主要控制和调节音响放大的頻幅特性，以产生不同的放音效果。

四、实验内容

1、  完成预习要求中音响放大器的设计。

设计放大电路分三级，电路总增益要求约400~1000，需要合理分配每级增益。话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为5~10倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为3~5倍左右，功放的增益30倍左右，所以RF的取值600Ω左右

目录

1.  音响放大器的组成框图························································2

2.  单元电路设计

2.1.    话音放大器······························································2

2.2.    电子混响器······························································3

2.3.    混合前置放大器··························································3

2.4.    音调控制器······························································4

2.5.    功率放大器······························································9

3.  主要技术指标参数计算

3.1.    话音放大器的设计·······················································10

3.2.    混合前置放大器的设计···················································10

3.3.    话音放大器与混合前置放大器的混合设计···································10

3.4.    音调控制器的设计·······················································11

3 .4 .1.  音调控制器的仿真··················································12

3.5.    功率放大器的设计·······················································14

3.6.    整机电路设计···························································15

4.  音响放大器的测试

4.1.    相关性能参数的测量·····················································17

4.2.    整机信号的试听·························································18

5.       实验设计总结与感悟·························································18

6.       参考文献····································································19

总体方案的论证：

一、音响放大器的组成框图：

二、单元电路设计

2.1 话音放大器

耦合电容C1、C3的计算：由表可知μA741的输入电阻为20KΩ，又fL=40Hz，那么C1为：

    取C1=0.20μF

C3是输出耦合电容，连接下一级的负载电阻即使最低也在100KΩ以上。

    取C3=0.40μF

    

反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。

2.2 电子混响器

电子混响器的组成框图如图2.2.1所示。其中，集成电路BBD成为模拟延时器，其内容含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。

2.3 混合前置放大器

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混合放大。

Vi1为话筒放大器输出的电压，Vi2为放音机输出的电压，Vo为混合后输出的电压。三者之间的关系为 

2.4 音调控制器

   音调控制器要求只对低音频和高音频的增益进行提升或者衰减，中频区增益为0dB。因此，音调控制器可以由低通滤波器和高通滤波器构成。

设电容C1= C2＞＞ C3，在低频区C3可以视作开路, 电路作为低通滤波器；在中高频区，C1、 C2可以视为短路，电路作为高通滤波器。

具体分析如下：

（1）当时

1当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况，如图2.4.2。

2当RP1的滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况，如图2.4.3。

分析表明，图2.4.2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：

                       (式2.4.1)

式中或者

, 或

图2.4.3所示电路是一个一阶有源低通滤波器，当时，C2可视为开路，运放的反向输入端可以视为虚地，R4的影响可以忽略，其增益函数的表达式为：

在当,故可由下式：

得：   计算其模：

此时的电压增益相对于AVL下降了3dB。

在当,故可由式2.4.1

得：    计算其模：

此时的电压增益相对于AVL下降了17dB。

同理可以得出图2.4.3所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰减量。

（2）当时

C1、C2视为短路电路作为高通滤波器的等效电路如图2.4.4：

将C1、C2视为短路,R1、R2、R4从星型连接改做为三角形连接后的电路图如图2.4.5：

   

若取R1=R2=R4,则Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4

1当RP2的滑臂在最左端高频时，对应于高频提升最大的情况，如图2.4.6：

2当RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况如图2.4.7。

分析表明，图2.4.6所示电路是一个一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为：

                      （式2.4.2）

式中或者

, 或

当时，C3视为开路，此时电路电压增益AVO=-1（0dB）。

在当时，因为，由式2.4.2得AV3=AVO

此时电压增益AV3相对于AVO提升了3 dB。

在当时，C3视为开路，此时电压增益AV4=AVO

此时电压增益AV4相对于AVO提升了17dB。

在当时，C3视为短路，此时电压增益AVH=（Ra+R3）/R3

同理可以得出图2.4.8所示电路的相应表达式，其增益相对于中频区的衰减量。

音调控制电路的幅频特性曲线如图2.4.9所示：

根据音响放大器的设计技术指标，要使，结合的表达式可知，、、的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取，有，。

取标称值，则，。由前述的假设条件可得，，，，，

由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为，所以级间耦合电容可取。

2.5 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。

 

三、主要技术指标参数计算

根据技术指标要求，首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后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。音响放大器的输入为5mV时，额定功率P≥1W，负载阻抗为8Ω，则输出电压

总电压增益AvΣ=Vo/Vi＞566倍，由于实际电路中会有损耗，故取Av=600

各级增益分配如下图所示

 

电路总增益要求约400~1000，需要合理分配每级增益。话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为5~10倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为3~5倍左右，功放的增益30倍左右，所以RF的取值600Ω左右。

3.1 话音放大器的设计

如图2.1.1所示，话音放大电路等于7.5，令R2等于20KΩ，有    可得等于130K。要求远大于20KΩ，而输入阻抗约为R1，则R1取500KΩ，在2.1中已经计算得C1=0.4uF, C3=0.8uF, C2 取几个微法。

3.2 混合前置放大器的设计

根据

  Vi1为话筒放大器输出的电压，Vi2为放音机输出的电压，Vo为混合后输出的电压。所以取Rf =30KΩ R1=10KΩ；音放机输出插孔的信号电压一般为100mV，已基本达到放大的要求不需要话。取R2 =30kΩ 。

3.3话音放大器与混合前置放大器的混合设计

   

3.4音调控制器的设计

根据音响放大器的设计技术指标，要使，结合的表达式可知，、、的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取，有

，。

取标称值，则，。由前述的假设条件可得，，，，，

由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为，所以级间耦合电容可取。

已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。

fL2及fH1； fL2 = fLx *2x/6=400Hz，则fL1 =

fL2/10=40Hz ； fH1 = fHx /2x/6=2.5kHz

则fH2= 10fH1=25kHz

3.4.1音调控制器的仿真

EDA仿真电路图设计如下：

1、低音衰减与提升：

将高音提升与衰减电位器PR2滑动端调到居中位置（即可变电阻器PR1的百分比为50%），低音提升和衰减电位器PR1滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器PR1的百分比为100%）.

①调节信号发生器，使输出信号f=40HZ,Vm=100mV,调节电路中音量调节电位器PR3，使电路输出电压达到最大值，记录此时PR3的数值和输出电压的幅值。

PR3= 0 KΩ    Vom=  698.0mV

②保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪接入电路，设置工作频率的范围为40HZ----1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时C1被短路，当F增大是，Vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处低音部分的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。

           F=40HZ时，低音的最大提升量= 17.004dB

③将低音提升和衰减电位器PR1滑动端调到最右边（低音衰减最大位置，即可变电阻器PR1的百分比为0%），重复（3）的步骤。（由于此时C2被短路，当f增大时，Vo将增大。）

           F=40HZ时，低音的最大衰减量= -16.933dB

2、高音提升和衰减

将低音提升与衰减电位器PR1滑动端调到居中位置（即可变电阻器PR1的百分比为50%），高音提升和衰减电位器PR2滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器PR2的百分比为100%）.

①调节信号发生器，使输出信号f=10KHZ,Vm=100mV,调节电路中音量调节电位器PR3，使电路输出电压达到最大值，记录此时PR3的数值和输出电压的幅值。

PR3= 0 K      Vom= 463mV

②保持PR3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪介入电路，设置工作频率的范围为10KHZ----1KZ,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时C2被短路，当F减少时，Vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处高音部分的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。

           F=10KHZ时，高音的最大提升量=13.274dB

③ 将高音提升和衰减电位器PR2滑动端调到最右边（高音衰减最大位置，既可变电阻器PR2的百分比为0%），重复（3）的步骤。（由于此时C2被短路当f减少时，Vo将增大。）

           F=10KHZ时，高音的最大衰减量=-12.78dB 

3.5功率放大器的设计

因为   故取RF=200Ω

①RF、CF与内部R11组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益AVF,

即：

②CB为相位补偿电容，CB减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十到几百皮法。

③CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压为等于VCC/2.，CC一般取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。

④CD为反馈电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法。

⑤CH为自举电容，使复合管T12，T13的导通电流不随输出电压的升高而减小。

⑥C3、C4可滤除纹波，一般取几十至几百微法。

⑦C2为电源退耦滤波，可消除低频自激。

6、整机电路设计

图3.6.1   音响放大器整机电路设计  

四.音响放大器的测试

   4.1相关性能参数的测量

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称为额定功率，其表达式为：PO=VO2/RL，式中，RL为额定负载阻抗，VO为RL两端的最大不失真电压有效值。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号，功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，用双踪示波器观察Vi及Vo的波形，失真度测量仪监测Vo的波形失真（无失真度仪可用肉眼观察无明显失真）。逐渐增大输入电压Vi，直到输出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，同时可算出额定功率值。

2频率响应：调节音量旋钮使输出电压约为最大输出电压的50%， Vi=5mV，测量方法和其他实验中幅频特性曲线的测量方法相同。

3输入阻抗：从音响放大器输入端(话音放大器输人端)看进去的阻抗称为输入阻抗，测量方法和放大器的输人阻抗测量方法相同。

4输入灵敏度：使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压有效值称为输入灵敏度。测量时函数发生器输出fi=1kHz正弦波作为音响放大器的输入信号，功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，测量方法是，使Vi从零开始逐渐增大，直到Vo达到额定功率值时所对应的输入电压值即为输入灵敏度。

5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，测量时功率放大器的输出端接额定负载电阻，如有音调控制器，控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，输入端对地短路，用示波器观测输出负载RL端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。

6整机效率：在输出额定功率的情况下，将电流表串入VCC支路中，测得总电流I，则效率为

4.2整机信号试听

用8Ω、4W的扬声器代替负载电阻RL，进行以下功能试听：

1话音扩音：将低阻话筒接话音放大器的输人端，应注意，扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输人后，会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音量电位器，可控制声音大小。

2Mp3音乐试听：将MP3输出的音乐信号，接入混合前置放大器，扬声器传出的声音应清晰，改变音量电位器，可控制声音大小。

3混音功能：MP3音乐信号和话筒声音同时输出，扬声器传出的声音应清晰，适当控制话音放大器与Line In输出的音量电位器，可以控制话音音量与音乐音量之间的比例。

五、实验设计总结与感悟

本学期我们开设了《电子技术基础（模拟部分）》课，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期电路刚学完之际，进行一次《模拟电子线路》课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

历时这一个星期的课程设计即将画上圆满的句号。回头看看，不禁感慨众多，课程设计这么复杂，仅仅是一个音响放大器就涉及很多的电路知识。高科技生活离不开电子技术，是它让我们的身边这一切如此快捷方便，并且通过了这次模拟电子电路课程设计，我才了解到我们所学的知识只是原来是如此地贴近我们，它们就在我们身边，在我们身边或大或小的地方，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。这次课程设计是我深刻认识到学好一门知识很难，做好一件事也很难，我们要想做好一件设计，一个产品，都离不开我们所学习的知识，一次，经历这次课程设计我认为今后每个人都应该有更大动力学习本专业的知识，将我所学的知识来赋予实践。

参考文献

 [1] 康华光主编.电子技术基础•模拟部分[M].第四版，北京：高等教育出版社，2000

 [2] 王愉节，窦勤耘编.电子技术实验指导[M].第一版，贵阳：贵州科技出版社，2004

 [3] 彭军主编.实用电子技术[M].第一版，北京：科学出版社，2006

 [4] 郝国法，梁柏华编.电子技术实验[M].第一版，北京：冶金工业出版社，2007