北交大模電報(bào)告--語(yǔ)音放大器設(shè)計(jì)

1、國(guó)家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 語(yǔ)音放大器設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 學(xué)生姓名： 索光霽 學(xué)號(hào)： 13274063 任課教師： 任 希 2015 年 6 月 20 日 國(guó)家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 模電研學(xué)報(bào)告 設(shè)計(jì)報(bào)告 目 錄1. 設(shè)計(jì)目的及要求.1 1.1 設(shè)計(jì)目的.1 1.2 設(shè)計(jì)要求.1 1.3 性能指標(biāo).22.原理框圖及總電路圖.23.設(shè)計(jì)思想及基本原理分析.3 3.1 設(shè)計(jì)思想.3 3.2 基本原理.44.單元電路分析、元件介紹和元件參數(shù)計(jì)算.4 4.1 前置放大電路.4 4.2 帶通濾波器設(shè)計(jì).5 4.3 功率放大電路設(shè)計(jì).65.

2、主要器件介紹.76.電路仿真.107.焊接實(shí)驗(yàn)電路板和調(diào)試.128.故障分析.139.實(shí)驗(yàn)感悟.1310.參考文獻(xiàn).141. 設(shè)計(jì)目的及要求 1.1 設(shè)計(jì)目的 .通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的市場(chǎng)素質(zhì)，工藝素質(zhì)，自主學(xué)習(xí)的能力，分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力以及團(tuán)隊(duì)精神。.通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)回顧所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握低頻小信號(hào)放大電路和功放電路的設(shè)計(jì)方法。 1.2 設(shè)計(jì)要求1）選取單元電路及元件根據(jù)設(shè)計(jì)要求和已知條件，確定前置放大電路、有源帶通濾波電路、功率放大電路的方案，計(jì)算和選取單元電路的原件參數(shù)。2）前置放大電路的組裝與調(diào)試測(cè)量前置放大電路的差模電壓增益AU、共模電壓增益AUc、共模抑制比KC

3、MR、帶寬BW、輸入電壓Ri等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，并與設(shè)計(jì)要求值進(jìn)行比較。3）有源帶通濾波器電路的組裝與調(diào)試測(cè)量有緣帶通濾波器電路的差模電壓增益AUd、帶通BW，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較。4）功率放大電路的組裝與調(diào)試測(cè)量功率放大電路的最大不失真輸出功率Po,max、電源供給功率PDC、輸出效率、直流輸出電壓、靜態(tài)電源電流等技術(shù)指標(biāo)。5）整體電路的聯(lián)調(diào)與試聽 1.3 性能指標(biāo) 前置放大器：輸入信號(hào)：Uid 10 mV 輸入阻抗：Ri 100 k 有源帶通濾波器：頻率范圍：300 Hz 3 kHz 增益：Au = 1。 功率放大器：最大不失真輸出功率：Pomax1W 負(fù)載阻抗：RL= 8 （ 4 ） 電源電

4、壓：+ 5 V，+ 12V，- 12V 輸出功率連續(xù)可調(diào) 直流輸出電壓 50 mV 靜態(tài)電源電流 100 mA2. 原理框圖及總電路圖 .語(yǔ)音放大電路由“輸入電路”、“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、“功率放大器”、“揚(yáng)聲器”幾部分構(gòu)成： .實(shí)驗(yàn)總電路：3設(shè)計(jì)思想及基本原理分析 3.1 設(shè)計(jì)思想 輸入端采用麥克風(fēng)形式，聲音通過(guò)麥克風(fēng)輸入前置放大電路，進(jìn)行一次放大后輸入二階有源帶通濾波電路，對(duì)通頻帶（300Hz-3000Hz）以外的信號(hào)進(jìn)行濾波，以消除雜音，最后將經(jīng)過(guò)放大和濾波的信號(hào)輸入功率放大電路，進(jìn)行功率放大后將聲音通過(guò)揚(yáng)聲器輸出。 3.2 基本原理 前置放大電路前置放大電路可采用兩級(jí)負(fù)反

5、饋放大器、差分放大電路，也可以用集成運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量用小信號(hào)放大電路等。在測(cè)量用的放大電路中，一般傳感器送來(lái)的直流或低頻信號(hào)，經(jīng)放大后多用單端方式傳輸。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)的最大幅度可能僅有幾毫伏，共模噪聲可能高達(dá)幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對(duì)于總的精度至關(guān)重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問(wèn)題。因此前置放大電路應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路。在設(shè)計(jì)前置小信號(hào)放大電路時(shí)，可參考運(yùn)算放大器應(yīng)用的相關(guān) ； 有源濾波電路有源濾波電路是用有源器件與RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。有源濾波電路的種類有低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）、帶阻（BEF）濾波器，本實(shí)驗(yàn)著

6、重討論典型的二階有源濾波器。 功率放大電路功率放大的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換功率盡可能高，非線性失真盡可能小。4.單元電路分析、元件介紹和元件參數(shù)計(jì)算4.1 前置放大電路方案一： 方案二：方案一是一級(jí)放大，其增益過(guò)小，且不夠穩(wěn)定，帶動(dòng)不起后級(jí)電路。因此，在前置放大器的選擇上，我們采用方案二的兩級(jí)放大。運(yùn)算放大器使用LM324。通過(guò)第二級(jí)放大電路中的電位器來(lái)調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)。這個(gè)電路非常簡(jiǎn)單，而且原理清晰。通過(guò)仿真可知，輸出很完整，基本上沒(méi)有噪聲。在第一級(jí)放大電路中，AU1=1+R3/R1=1+1010。在第二級(jí)放大電路中，AU2=1+（R10+R5）/R6 1100。

7、所以總的放大倍數(shù)為：AU=AU1.AU2 100200。前級(jí)放大部分最終設(shè)計(jì)電路如下：4.2 帶通濾波器設(shè)計(jì) 方案一： 方案二： 方案二高通與低通是分開做的，在滿足LPF的通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的LPF和HPF串聯(lián)起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的功能，而且?guī)V波器的低頻截止頻率fL由HPF的截止頻率決定，高頻截止頻率fH有LPF的截止頻率決定。與方案一相比較，方案二的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整。因此，我們采用的帶通濾波器是方案二，電路圖如下圖所示，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信號(hào)。帶通濾波器最終設(shè)計(jì)電路如下：高通部分：令=C=0.1&

8、#181;F，=2, 由已知條件：fH=1/(2C)=3000Hz，得7.5K，3.74k。低通部分：令=2=0.022µF，=0.01µF同理可得=R,由已知條件：fH=1/(2R)=300Hz，得=R3.74 k。 4.3 功率放大電路設(shè)計(jì)方案一：采用TDA2030作為功率放大器 方案二：采用LM386作為功率放大器 TDA2030是許多電腦有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成塊，它接法簡(jiǎn)單，價(jià)格實(shí)惠，額定功率為14W，電源電壓為±6±18V。輸出電流大，諧波失真和交越失真?。?#177;14V/4歐姆，THD=0.5%），具有優(yōu)良的短路和過(guò)熱保護(hù)電路

9、。采用LM386作為功率放大器雖然外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單并且穩(wěn)定性較好，但是仿真軟件Multisim中沒(méi)有找到LM386，基于TDA2030的優(yōu)點(diǎn)而且又便于仿真，我們最終決定采用方案一。功率放大部分最終設(shè)計(jì)電路如下：5 主要器件介紹 柱極體傳聲器傳聲器是一種將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)的電聲換能器。駐極體傳聲器是一種用駐極體材料制造的新型傳聲器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)言拾音、聲信號(hào)檢測(cè)等方面。 駐極體傳聲器內(nèi)部主要包括聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分。聲電轉(zhuǎn)換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是振動(dòng)膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜，然后再經(jīng)過(guò)高壓

10、電場(chǎng)駐極后，兩面分別駐有異性電荷，膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開，這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個(gè)電容。當(dāng)聲音傳入時(shí)，振膜隨聲波的運(yùn)動(dòng)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)振膜與固定電極間的電容量也隨聲音而發(fā)生變化。從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓信號(hào)，如此就完成了聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強(qiáng)弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率。駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。因而這個(gè)電信號(hào)輸出阻抗很高，而且很弱。因此，不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，

11、因此，一般是在傳聲器內(nèi)部接入一只輸入阻抗極高的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管用來(lái)放大駐極體電容產(chǎn)生的電壓信號(hào)，同時(shí)以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)阻抗變換。 LM324 1）LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，

12、“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2。 LM324的特點(diǎn)： 1.短路保護(hù)輸出 2.真差動(dòng)輸入級(jí) 3.可單電源工作：3V-32V 4.低偏置電流：最大100nA 5.每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。 6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?7.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列 9.輸入端具有靜電保護(hù)功能 TDA2030A TDA2030A是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1所示，按引腳的形狀引可分為H型和

13、V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。TDA2030A的電路特點(diǎn)：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。4.開機(jī)沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負(fù)載泄放電壓反沖等。6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。無(wú)疑，用它來(lái)做電腦有源音

14、箱的功率放大部分或小型功放再合適不過(guò)了。引腳情況：1.腳是正向輸入端；2.腳是反向輸入端；3.腳是負(fù)電源輸入端；4.腳是功率輸出端；5.腳是正電源輸入端。6 電路仿真第一級(jí)前置放大電路：帶通濾波器帶通濾波器的波特圖如下：功率放大電路7.焊接實(shí)驗(yàn)電路板和調(diào)試按照實(shí)驗(yàn)電路圖在PCB板上焊接好電路元件，并合理布線。在焊接過(guò)程中，要注意不要虛焊。然后從第一級(jí)到第三級(jí)開始調(diào)試，測(cè)量第一級(jí)的增益、第二級(jí)的通頻帶。若結(jié)果不合適，首先檢查焊點(diǎn)是否虛焊，然后檢查電路圖是否連錯(cuò)。每一級(jí)都無(wú)誤后，接通整個(gè)電路，并加入聲音信號(hào)，進(jìn)一步調(diào)試，直到輸出噪聲較小、失真較小的聲音信號(hào)。8.故障分析： 在調(diào)試第一級(jí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出

15、波形為矩形波。經(jīng)過(guò)分析確定是由于前置放大電路電位器值過(guò)大使得放大倍數(shù)過(guò)大引起的截止失真。將電位器阻值調(diào)小后問(wèn)題得到解決。 調(diào)試第三級(jí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)接上揚(yáng)聲器后波形出現(xiàn)單端被削平的情形。經(jīng)確定為功放電路和前置放大電路部分放大倍數(shù)太大引起失真。調(diào)節(jié)上述電路的滑動(dòng)變阻器，問(wèn)題得到解決。 對(duì)麥克講話時(shí)揚(yáng)聲器不出聲。經(jīng)分析是因?yàn)殡娢黄髯柚堤蠡蛱。沟名溈松戏謮何催_(dá)到或超過(guò)工作電壓約0.6v，調(diào)節(jié)電位器亦解決問(wèn)題。 揚(yáng)聲器有噪音。這個(gè)情況是在第二次調(diào)試電路時(shí)出現(xiàn)的。剛焊接玩時(shí)效果非常好，我們播放了男聲、女生、交響樂(lè)，發(fā)現(xiàn)失真很小，聲音很飽滿，但是過(guò)了幾個(gè)小時(shí)再次測(cè)試電路時(shí)發(fā)現(xiàn)揚(yáng)聲器出現(xiàn)自激，有噪聲，播放音樂(lè)

16、時(shí)失真也變大，雖然我們不斷調(diào)試并采取一些措施，但問(wèn)題始終沒(méi)有很好解決。9.實(shí)驗(yàn)感悟本次設(shè)計(jì)、焊接語(yǔ)音放大器我收獲很大。首先我根據(jù)老師的提示和在圖書館借的電工設(shè)計(jì)書設(shè)計(jì)電路圖，同時(shí)用Multisim軟件進(jìn)行仿真以驗(yàn)證電路圖的正確與否。我們通過(guò)仿真軟件反復(fù)對(duì)電路中的各種元件和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，直到最終基本符合了實(shí)驗(yàn)要求，在這個(gè)過(guò)程中我們不僅僅熟悉了Multisim軟件的使用，而且更加深了我們對(duì)電路工作原理的理解，為接下來(lái)我們購(gòu)買原件和焊接電路打下了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。接下來(lái)我們就按照我們?cè)O(shè)計(jì)的電路圖去中發(fā)購(gòu)買元件，開始焊接電路板了，在這個(gè)過(guò)程中我們不僅熟悉了我們的焊接技術(shù)，而且對(duì)于在電路板上的布線有了一個(gè)更好地認(rèn)識(shí)和理解。我最大的體會(huì)是