模电课设音响放大器

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：

题 目: 音响放大器的设计与制作 初始条件：话筒（20KΩ，输出电压5mV），集成功放LA4102，8Ω/2W负载电阻，

８Ω／５Ｗ扬声器，集成运放ＬＭ３２４，ＭＮ３２０７与ＭＮ３１０２芯片，其他电阻电容若干。

要求完成的主要任务:

利用分离元件或集成电路制作一个音响放大器，可以放大话筒信号或毫伏级音频信号。

要求：（１）技术指标如下：输出功率：1W；负载阻抗：8欧姆；频率响

应：fL~fH=40Hz~10KHz； 输入阻抗：>20K欧姆；整机电压增益： >20dB；

（２）电路要求有独立的前置放大级（放大话筒信号）; （３）电路要求有独立的功率放大级。

发挥部分：在话筒放大级和功放级之间利用模拟延时器件实现电子混响，以模拟声音多次反射的效果！

时间安排：

第 1天 理论讲解。

第2天 查阅参考文献，方案设计 第3天 电路原理图设计 第4-5天 电路仿真、调试 第6天 撰写报告，准备答辩 第7天 答辩

指导教师签名： 2012年 12月24日

系主任（或责任教师）签名： 2012年 12月 24 日

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音响放大器的设计与制作

一、 实验方案的比较与选择 1.1电子混响延时器的比较与选择

方案一：采用MN3200系列电子混响延时器 方案二：采用M65831组成的数字混响延时电路

方案的选择：方案二虽然设计的元器件少，但是M65831芯片在市场上不易找到，价格稍高，故购买不便，而MN3200系列芯片在市场上易购得且价格便宜，尽管需要的元件多些。相比之下，方案一的实践操作性更好，选择方案一更为合理。

1.2主要部分的设计方案方案选择

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。

比较选择：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。

二、 单元电路的设计与参数计算

2.1话音放大电路的设计

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。

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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，器电路原理图如图2.1所示。

图2.1

2.2混合前置放大级

Av =－（V1R22/R21+V2R22/R23）

R2230KR1C2110uF10KR2110KR2330K675R210K10uFLM324114VCCU1BC22Uo话筒V1录音机C23Ui110uF

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。

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2.3音调控制器

音调主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图2.3.1中折线所示。

AV /dB

20 17

20dB/10倍频 3 0 －3

fLx

－ 17 －20

f0 (1kHz) fHx f/Hz fL1 fL2 fH1 fH2 图2.3.1

图中，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。

由图可见，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。由运放构成的音调控制器，如图2.3.2所示。这种电路调节方便，元器件少，在一般收音机、音响放大器中应用较多。下面对该电路原理进行分析。

图2.3.2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。设电容C1=C2>>C3，在中、低音频频区，C3 视为开路，在中、高音频区，C1、C2视为短路。

（1）当f< f0时，音调控制器的低频等效电路如图2.3.3所示。其中，图（a）所示的为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况；图（b）所示的为RP1的滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图（a）所示的电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为

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图2.3.2

VRP1R21(j)/2oAjVR11(j)/1i（2．3．1）

式中，ω1=1/（RP1C2），ω2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）

R 1 vi RP1 R2 viR1RP1R2

＋ R4 C2 － vo C1R4－vo＋(a) 图2.3.3

(b)当f5

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AVLRP1R2)//2RR1（2.3.2）

在f=fL1时，因为fL2 =10fL1 ，故可由式2.3.2得

AV1(RP1R此时电压增益相对AVL下降3dB。 在f=fL2时，由式(1—1)得

21（2.3.3）

RP1R21jAV2 （2.3.4） R1110j 模

AV2RP1R2R12100.14AVL此时电压增益相对AVL下降17dB。

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，等效电路如图2.3.4

RP2R3viC3＋R4－voR1R2 图2.3.4

可简化为以下电路，如图2.3.5所示。

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vi C3 R3 Rb Ra － vo ＋ vi Ra C3 Rb R3 － vo ＋ （c） （d）

图2.3.6

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

VRb1j/3 A ( j  )  o   (2.3.5)

Ra1j/4Vi

式中，

31/RaR3C3 或 fH11/2πRaR3C3 41/R3C3 或 fH212R3C3当f在f=fH1时,因fH2=10fH1由式2.3.5得

此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。 在f=fH2时,

AV32AV0AV4102AV0此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。当f > fH2时，Ｃ3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。

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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。

2.4功率放大器的设计

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。

13R1212R35.1kR6100100R10100R83kT4T8T9T13T10T11R11T720k1R9510T1214T310 R48.8kR1920kT1T2R510kT6R25.1kT586T14R7150k354 图2.4.1

功放的核心是LA4102，图2.4.1所示的为LA4102的内部电路。 LA4102接成OTL形式的电路如图2.4.2所示。

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图2.4.2

RF、CF与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益AVF， 即 （2.4.1） A1RRR/RVF11F11F

由其内部电路知R11=20K，按性能指标AVF=30倍，所以RF应取650Ω。CB为相位补偿电容。CB减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十皮法至

i

4.7F6RF*600＋＋＋＋C42220F＋+9VC43220FC44100FCH220FC41＋14910＋A4LA4102－5CB4312131v＋CC470F/25VRL8CF33F51pFCD560pF 图2.4.3

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几百皮法。CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于VCC/2，CC一般 取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。CD为反馈电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法。CH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。C3、C4可滤除纹波，一般取几十微法至几百微法。C2为电源退耦滤波，可消除低频自激。综合有关资料可按电路图2.4.3中各元件的参数选择各元件参数。

2.5电子混响延时器

电子混响延时器是用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深度感和空间立体感。模拟混响延时电路的组成框图如下4-3图所示。其中电路BBD称为模拟延时器，器内部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，电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行采样、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一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延时时间越长。BBD配要有专业专用的时钟电路，例如，MN3102时钟电路与MN3200系利的BBD配套。

电子混响延时器产生电路其优点是，在一个音响电路中可以产生很好的音响混合效果，使音响发出来的声音具有动听悦耳的效果。缺点，在这个过程中失真度相对而言会加高，同时在电路方面还要配带自己已经所定的延时时钟电路。在电路方面也比较复杂，在电路调试方面带来很多不好的地方。所以本次设计中不采用延时放大器。而是通过一个RC低通滤波器来提高音量，经过一些简单的电路来达到混响的效果。其框图如图2.5.1所示。

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图2.5.1

三、 单元电路的仿真

3.1话音放大电路的仿真

按图3.1.1连接好电路，根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值，便将其保存成电路文件。

图3.1.1

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3.1.1 输出波形测试

其仿真波形图如图3.1.1所示。 输入波形：

输出波形：

图3.1.1

3.1.2 动态指标Av的测试

在电路的输入端输入信号频率为1Khz的正弦波，调整输入信号的幅度，使输出电压Vo不失真，讲测试结果填入下表，并与理论值比较

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表3-1 语音放大器放大倍数的测试结果 R1/ Rf/ Vi/mv Vo/mv Av1RfR1 AvVo/Vi（实测） 5 42.463 10k 75k 10 84.941 8.5 20 169.877 结论：仿真实测值与理论值基本相符.

3.1.3 幅频特性的测量

8.4926 8.4941 8.49435 将频率特性测试仪接入电路，根据上，下限频率fH，fL的定义，当电压放大倍数的幅值20log|Av|下降3dB时所对应的频率即为电路的上，下限频率，将从测试结果填入下表

话筒放大器的频率上下限测试

话筒放大器上，下限频率的测试结果 频率 测量值

3.2 混合前置放大器

3.2.1电路设计

按图3.2.1连接好电路，根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值，便将其保存成电路文件。

fH fL 9557KHZ 19.453Hz

图3.2.1 混合前置放大电路仿真图

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（2）输出电压的测试

在电路的输入端输入频率为1KZ的正弦波，调整输入信号的幅度，使输出电压Vo不失真，将测试结果填入3-3，并与理论值比较。

表3-2-1 混合前置放大器输出电压的测试结果 Vi1 Vi2 VO（实测） VORVi1Vi2（理f1R2R110 10 29.554 20 10 49.049 20 20 59.084 20 30 69.059 （3）幅频特性的测量： 特征频率特性测试仪接入电路，根据上，下限频率fh, fl的定义，当电压放大倍数的幅值下降3dB是所对应的频率几位电路的上，下限频率，讲测试结果填入表3-2-2

论） 30 50 60 70

图3.2.2 混合前置放大器的频率下限测试

图3.2.3 混合前置放大器的频率上限测试

表3-2-2 混合前置放大器上下限频率的测试 测量值

3.3音调控制电路 3.3.1电路设计

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fH fL 201.132KHZ 2.412Hz 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

按图3.3.1接好电路，根据设计确定电路中电阻和电容的具体数值，并将其保存成电路文件。

图3.3.1 音调控制电路仿真电路图

（2）音调控制特性的测量： 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 K 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

图3.3.2 音调控制器 （低音提升最大位置）频率响应曲线

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图3.3.3 音调控制器 （低音衰减最大位置）频率响应曲线

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

图3.3.4 音调控制器 （高音提升最大位置）频率响应曲线

图3.3.5 音调控制频率响应曲线

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3.4 功放电路

由于设计中采用集成功放实现功率放大，但Multism10的元器件库中没有功放集成块，所以，我们采用与LA4102工作原理相同的OTL功放，其电路如图3.4.1所示。

图3.4.1功率放大器仿真电路图

（1）按上图连接电路，并将其保存为电路文件 （2）调试电路，是静态时Vk=1/2Vcc

在没有交流信号输入的情况下，调节可调电位器R2的大小，同时利用虚拟万用表测试功放电路点K对敌直流电压，使其等于1/2Vcc，记录此时所对应的R2的大小。

R2= 14kΩ （3）交越失真的观察

在电路中将二极管D1,D2端接，从输入Vi加入1KHZ的交流正弦信号，用示波器观察输出电压Vo的波形，可以看到明显的交越失真。记录输出波形。

图3.4.2 交越失真波形

（4）最大不失真输出电压和输入灵敏度的测量

在输入端Vi加入1Khz的交流信号，用示波器观察输出电压Vo的波形，如输出波形出现交越失真，调节电位器R3.逐渐增大输入信号，测量最大不失真输出电压Vom的大小，结果填入表3-4。

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图3.4.3 最大不失真输出波形

音响放大器输出额定功率所需的输入电压（有效值）称为输出灵敏度Vs。在输入端Vi加入1Khz的交流正弦信号，用示波器观察输出电压Vo的波形。逐渐增大输入信号，当输入电压达到最大不失真值Vom时，此时所对应的输入电压的大小（有效值），即为电路的输入灵敏度，将结果填入表3—5. 表3-4 功放电路的输入灵敏度 Vom（V） 输入灵敏度Vs（mV） 测量值 4.336 16

3.5 电子混响延时器

其电路图如图3.5.1所示。

图3.5.1

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四、元件清单

元件序号 Ra、Rb、R11，R21、 R12 R22、R23 R31、R32、R34 R33 Rf RP11、RP21、RP33 RP31、RP32 C11、C13、C21、C22、C23、C24、C35、C41 C12 C45 C42、Cc C43、Ch C44 Cf C31、C32 C33 CB CD U1 U2

型号 主要参数 1/4W，10KΩ 1/4W，75KΩ 1/4W，30KΩ 1/4W，47KΩ 1/4W，13Ω 1/4W，600Ω W.L B10K W.L B100K 25V10uF 数量 备注 各1个 电阻 1 各1个 各1个 1 1 各1个 各1个 各1个 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电位器 电位器 极必电容 LM324 LA4102 10V1uF 10V1uF 25V470uF 25V220uF 25V100uF 10V33uF 10V0.01uF 10V470pF 10V51pF 10V470pF 3V-32V 1 1 各1个 1 1 1 各1个 1 1 1 1 1 极必电容 极必电容 极必电容 极必电容 极必电容 极必电容 电容 电容 电容 电容 集成芯片 集成芯片

六、 小结、建议及体会

通过这次的模电课程设计，很大程度上掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理，对LM324的几种基本电路有了更深刻的认识和印象，并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。同时也发现自己在模拟电路这一门课学习的不足之处，还要加强这门课的学习。

经过了一个多星期的努力，终于把这个设计完成了。虽然有比较多的复杂运

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算过程，但总的来说，这样的设计真的有点超出了我们可以目前所学了。做设计之前在网上，图书馆找了好几天的资料，计算部分也参考了很多的书，但有的元件的参数还是不明白为何设成这样，只好参考经典值。单元电路的每一部分都经过比较认真的考虑，比较了很多类似的电路，也参考了很多书，做完之后觉得这样的方案组合还是可行的。用multisim软件做仿真时，由于其元件库中找不到LA4102，及MN3200系列芯片，加上以前没有用过这个软件，仿真时是边看资料边做的，故仿真做的不是很好。

可以说，学了这门课，获益非浅，虽然课堂上很多还是不能听懂，但从分析到自己设计的重大转变，学到了很多意外的东西！

七、参考文献

[1]龙忠琪,金燕,李如春 《模拟集成电路教程》 科学出版社.2004.1. [2]谢自美 《电子线路设计·实验·测试》 华中科技大学出版社.2007.8 [3]百度百科及

[4]陈先荣 《电子技术实验基础》 国防工业出版社 [5]《multisim使用教程》

[6]吴友宇 《模拟电子技术基础》 清华大学出版社

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