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1、返回返回返回 音响放大器设计与调试音响放大器设计与调试 返回返回返回 2 电子线路设计与测试电子线路设计与测试 2009年年5月月 第四阶段实验：第第四阶段实验：第16周第周第18周周 4.5 音响放大器设计与调试音响放大器设计与调试 （P114） 电子与信息工程系电子与信息工程系 罗罗 杰杰 L 返回返回返回 3 一、实验目的一、实验目的 o 了解集成功率放大器内部电路工作原理， o 掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测 试方法； o 掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统 的装调技术。 返回返回返回 4 话音放大器 电子混响器 磁带放音机 混合前置 放大器 音调控制器 功率放大器 扬声器

2、 话筒 二、音响放大器的基本组成二、音响放大器的基本组成 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。 电子混响器是用电路模拟声 音的多次反射，产生混响效 果，使声音听起来具有一定 的深度感和空间立体感。 主要是控制、主要是控制、 调节音响放大调节音响放大 器的幅频特性器的幅频特性 给音响放大器的负载RL( 扬声器)提供一定的输出 功率。 话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输 出阻抗达到20k(亦有低输出阻抗的话 筒如20，200等) 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 。 返回返回返回 5 1. 话音放

3、大器话音放大器 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)。由于话筒输出信号一般只有5mV左右， 而输出阻抗达到20k ，采用同相放大器，其输入阻抗 应远大于话筒的输出阻抗，能与高阻话筒配接。 1F R11 10k vi1 C1 1 10F 话筒 10k R12 9V A1 RL C12 1 返回返回返回 6 2.混合前置放大器混合前置放大器 其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。 12 12 () FF o RR VVV RR v v1 1为话筒放大器输出电压为话筒放大器输出电压 v v2 2为放音机输出电压为放音机输出电压 v1 v2

4、R1 R2 RF vo 返回返回返回 7 3.音调控制器音调控制器（选做）（选做） 音调控制器主要是控制、调节音响放大器 的幅频特性使声音变得更好听一些。 f f0 0（等于（等于1kHz1kHz）表示中音频率）表示中音频率 ，要求增益，要求增益A AV0 V0=0dB =0dB f fL1 L1表示低音频转折频率，一 表示低音频转折频率，一 般为几十赫兹般为几十赫兹 f fL2 L2( (等于 等于1010f fL1 L1) )表示低音频 表示低音频 区的中音频转折频率区的中音频转折频率 f fH1 H1表示高音频区的中音 表示高音频区的中音 频转折频率频转折频率 f fH2 H2( (等于

5、 等于1010f fH1 H1) ) 表示高音频转表示高音频转 折频率，一般折频率，一般 为几十千赫兹为几十千赫兹 音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升 与衰减，中音频的增益保持与衰减，中音频的增益保持0dB0dB不变。因此，音调控不变。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。制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。 返回返回返回 8 音调控制器的电路音调控制器的电路 由低通滤波器与高通滤波器构成音调控制器 设电容 C1=C2C3，在 中、低音频区 ，C3可视为开 路，在中、高 音频区，C1、 C2可视为短路 。 vi R1RP

6、1R2 C1C2 R4 C3 R3 RP2 C5 vo C4 返回返回返回 9 当当ff0时时 当RP1的滑臂在最左端时，对 应于低频提升最大的情况 。 (a) vi C2 R4 R1 RP1 R2 vo 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f/Hz 20dB/10 倍频 AV /dB 返回返回返回 10 当当ff0时时 当RP1滑臂在最右端时， 对应于低频衰减最大的情况。 (b) vi C1 R4 R1RP1R2 vo 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f

7、/Hz 20dB/10 倍频 AV /dB 返回返回返回 11 当当ff0时时 分析表明，右图所示 电路是一个一阶有源低 通滤波器，其增益函数 的表达式为： (5-5-2) 式中， )2/(1 )( /1 21L1211 CRPfCRP或 )2/()( )( / )( 22121L2221212 CRRPRRPfCRRPRRP或 v i C2 R4 R1 RP1 R2 vo 1 2 1 21 i o / )(j1 / )(j1 j R RRP V V A 返回返回返回 12 当当ff0时时 当当ffffL1 L1时， 时，C C2 2可视为可视为 开路，运算放大器的反向开路，运算放大器的反向

8、输入端视为虚地，输入端视为虚地，R R4 4的影的影 响可以忽略，此时电压增响可以忽略，此时电压增 益益 ： 121VL / RRRPA v i C2 R4 R1 RP1 R2 vo 20 17 3 0 3 17 20 fLx fL1 fL2 f0 (1kHz) fHx fH2 fH1 f/Hz 20dB/10 倍频 AV /dB 返回返回返回 13 当当ff0时时 在f=fL1时，因为fL2 =10fL1 ， 故可由式： j1 j1.01 1 21 V1 R RRP A 模 此时电压增益相对AVL下降3dB。 121V1 R2/ )RRP(A v i C2 R4 R1 RP1 R2 vo 1

9、 2 1 21 i o / )(j1 / )(j1 j R RRP V V A 得得 返回返回返回 14 当当ff0时时 在f=fL2时，由式(5-5-2)得 j101 j1 1 21 V2 R RRP A VL 1 21 V2 14. 0 10 2 A R RRP A 模 此时电压增益相对AVL下降17dB。 v i C2 R4 R1 RP1 R2 vo 返回返回返回 15 当当f f0时时 音调控制器的高频等效电路如图所示 ： vi C3 R3 R1R2 R4 vo RP2 C C1 1、C C2 2可视为短路，作为可视为短路，作为高通滤波器高通滤波器。 返回返回返回 17 当当f f0时

10、时 将C1、C2视为短路，R4与R1、R2组成星形连接， 将其转换成三角形连接后的电路如图所示： vi C3 R3 Ra Rb vo RP2 Rc 41221c 2424b 24141a / / / RRRRRR RRRRRR RRRRRR 若取R1=R2=R4，则 Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R4 返回返回返回 18 当当f f0时时 RP2的滑臂在 最左端时，对应于 高频提升最大的情 况 ,等效电路见右图： vi C3 R3 Ra Rb vo vi C3 R3 Ra Rb vo RP2 Rc 返回返回返回 19 当当f f0时时 RP2的滑臂在 最右端时，对应

11、于高频衰减最大 的情况，等效电 路见右图： vo Rb vi Ra R3 C3 vi C3 R3 Ra Rb vo RP2 Rc 返回返回返回 20 当当f f0时时 分析表明，右图所示电路 为一阶有源高通滤波器，其增 益函数的表达式为： 4 3 a b i o /j1 /j1 )j ( R R V V A 式中， 2/1 /1 33aH133a3 CRRfCRR或 33H2334 21 /1CRfCR或 vi C3 R3 Ra Rb vo 返回返回返回 21 当当f f0时时 当ffH1（ f0时时 在f=fH2时, V0V4 2 10 AA 此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。

12、vi C3 R3 Ra Rb vo 返回返回返回 23 当当f f0时时 当f fH2时，3视为短路，此时电压增益 AVH = (RaR3)/R3 vi C3 R3 Ra Rb vo 返回返回返回 24 当当f f0时时 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。 vo Rb vi Ra R3 C3 (b)(b) 返回返回返回 25 实际应用中实际应用中 通常先提出对低频区fLx处和高频区fHx 处的提升量或衰减量x(dB)，再根据下式 求转折频率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即 6 LL2 2 x x ff 6 HH1 2 x x ff 返回返回返回

13、 26 4.功率放大器功率放大器 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： o 输出的功率尽可能大 o 输出信号的非线性失真尽可能地小 o 效率尽可能高 返回返回返回 27 LM386集成功率放大器集成功率放大器 LM386是广泛用于收录音机、对讲机、电视 伴音等系统中的低电压通用型低频集成功放。 1、8 开路时，开路时， AV = 20 ( (负反馈最强负反馈最强) ) 1、8 交流短路交流短路 AV = 200 ( (负反馈最弱负反馈最弱) ) 电压串联电压串联 负反馈负反馈 镜像电流源镜像电流源 +VCC 接旁路接旁路 电

14、容电容 复合管电路复合管电路 R5 RRR R A / 2 65 7 VF R为外接电阻。 返回返回返回 28 5.音响放大器主要技术指标及测试方法音响放大器主要技术指标及测试方法 额定功率额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值(如 5%)时的最大功率称为额定功率。其表达 式为： L 2 oo RVP 式中，RL为额定负载阻抗；Vo(有效值)为RL两 端的最大不失真电压。Vo常用来选定电源电压VCC occ 22VV 返回返回返回 29 额定功率额定功率 测量Po的条件如下： o 音响放大器的输入信号为频率fi=1kHz，电压 Vi=5mV的正弦波。 o 音调控制器的两个电位器RP1、RP

15、2置于中间 位置，音量控制电位器置于最大值。 o 用双踪示波器观测Vi及Vo的波形，用示波器 监测Vo的波形失真。 注意注意 在最大输出电压测量完成后应迅速减小在最大输出电压测量完成后应迅速减小V Vi i， 否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。 返回返回返回 30 额定功率额定功率 测量Po的步骤是： o 功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代 替扬声器) o 逐渐增大输入电压Vi，直到Vo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 o 由式(5-5-22)即可算出额定功率Po。 返回返回返回 31 音调控制特性音调控制特性 测低

16、频特性的方法：测低频特性的方法： o 将RP1的滑臂分别置于最左端和最右端时 o 频率从20Hz至1kHz变化，记下对应电压增益 测高频特性的方法：测高频特性的方法： o 将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端 o 频率从1kHz至50kHz变化，记下对应电压增益 最后绘制音调控制特性曲线，并标注与最后绘制音调控制特性曲线，并标注与fL1、 fLx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等频率对等频率对 应的电压增益。应的电压增益。 返回返回返回 32 整机频率响应整机频率响应 o 放大器的电压增益相对于中音频fo(1kHz)的 电压增益下降3dB时对应低音频截止频率fL 和高音频截止

17、频率fH，称fL fH为放大器的 频率响应。 o 测量条件同上，调节RP3使输出电压约为最 大输出电压的50%。 返回返回返回 33 频率响应频率响应 测量步骤是： o 音响放大器的输入端接Vi (等于5mV)，RP1 和RP2置于中间 o 使信号发生器的输出频率fi从20Hz至50kHz 变化(保持Vi=5mV不变) o 测出负载电阻RL上对应的输出电压Vo，用 半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲 线上标注fL与fH值。 返回返回返回 34 输入阻抗输入阻抗 o 将从音响放大器输入端(话音放大器 输入端)看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。 o 如果接高阻话筒，则Ri应远大于20k。 接电唱机，

18、Ri应远大于500k。 oRi的测量方法与放大器的输入阻抗测 量方法相同。 返回返回返回 35 输入灵敏度输入灵敏度 o 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Vs。 o 测量条件与额定功率的测量相同，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电压值， 此时对应的Vi值即为输入灵敏度。 返回返回返回 36 噪声电压噪声电压 o 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VN。 o 测量条件同上，测量方法是，使输入 端对地短路， RP3为最大值，用示波 器观测输出负载RL两端的电压波形， 并测量其有效值。 返回返回返回 3

19、7 整机效率整机效率 式中，Po为输出的额定功率；PC 为输出额定功率时所消耗的电源功率。 %100/ Co PP 返回返回返回 38 6.设计举例设计举例 o 例：设计一音响放大器，要求具有音调输出 控制、卡拉OK伴唱，对话筒与录音机的输出信 号进行扩音。 o 已知条件： n +VCC = +9V(单电源) n 话筒(低阻20)的输出电压为5mV n 录音机的输出信号电压为100mV n 集成功放LM386 1只 n 8/2W负载电阻RL 1只 n 8/4W扬声器1只 n 集成运放NE5532 1只 返回返回返回 39 主要技术指标主要技术指标 o 额定功率：Po1W( 20。 返回返回返回

20、 40 设计过程（设计过程（1） o 确定整机电路的级数 o 根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益 o 分别计算各级电路参数，通常从后向前级逐级计算 o 根据技术指标要求 音响放大器输入为5mV时，PO1W，则输出电压Vo2.8V。 总电压增益AV=Vo/Vi560倍(55dB)。 话放级混放级音调级 5mV AV1 8.5 倍 18.5dB 42mV AV2 3 倍 9.5dB 125mV AV3 0.8 倍 2dB 100mV AV4 30 倍 29.5dB 3V AV=612 倍(56dB) 功放级 返回返回返回 41 功率放大器设计功率放大器设计 功放级的电压增益： vi +9V

21、C3 0.1F C 10F C1 3 2 10F 6 1 8 5 LM386 C2 250F RL 8 10F C4 4 5 R 2k A4 * 2 .31 / 2 65 7 4V RRR R A 返回返回返回 42 音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（1） vi R31 47k R32 47k RP31 470k C34 C31 0.01F C32 0.01F 47k R34 9V C33 470pF R33 13k 10k 10 9 10k 11 8 A3 4 RP32 470k C35 10F C41 4.7F RP33 10k 1 4 LM324 vo 100F 返

22、回返回返回 43 o 已知fLx=100Hz，fHx=10kHz，x=12dB。 o 由式(5-5-16)、(5-5-17)得到转折频率fL2及 fH1； nfL2 = fLx *2x/6=400Hz， fL1 =fL2/10=40Hz ； nfH1 = fHx /2x/6=2.5kHz ， fH2= 10fH1=25kHz 。 音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（2） 由式(5-5-5)得AVL=(RP31+R32)/R3120dB。其中， R31、R32、RP31一般取几千欧姆至几百千欧姆。现 取RP31=470k，R31=R32=47k，则 dB8 .2011 313

23、231VL RRRPA 返回返回返回 44 音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（3） 由式(5-5-3)得 uF fRP C0.008 2 1 L131 32 取标称值0.01F，即C31=C32=0.01F。 由式(5-5-9)得 R34=R31=R32=47k ，则 Ra=3R4=141k 返回返回返回 45 音调控制器音调控制器(含音量控制含音量控制)设计（设计（4） 由式(5-5-15)得 R33=Ra/10=14.1k 取标称值13k 由式(5-7-12)得 pF490 2 1 H233 33 fR C取标称值470pF 取RP32=RP31=470k，RP33=

24、10k，级 间耦合与隔直电容C34=C35=10F。 返回返回返回 46 话音放大器与混合前置放大器设计话音放大器与混合前置放大器设计 vo2 1F R11 10k 10k vi1 C1 1 10F 话筒 10k 3 2 R12 75k 9V 4 11 A1 录音机 vi2 100mV C13 10F RP12 10k C2 3 10F R23 30k R21 10k C2 1 10F RP11 10k C12 10F vo1 R22 30k 10k 10k 5 6 9V 4 11 + A2 C2 2 10F 1 7 1 4 LM324 5mV 1 4 LM324 图中电路由话音放大与混合前置

25、放大电路组成。 A1组成同相放大器，其放大倍数 dB5 .185 . 81 1112Vl RRA 返回返回返回 47 7.电路安装与调试技术电路安装与调试技术 （1）合理布局，分级装调）合理布局，分级装调 o 音响放大器是一个小型电路系统，安装 前要对整机线路进行合理布局 o 一般按照电路的顺序一级一级地布线 o 功放级应远离输入级 o 每一级的地线尽量接在一起 o 连线尽可能短，否则很容易产生自激。 返回返回返回 48 （1）合理布局，分级装调）合理布局，分级装调 o 安装前应检查元器件的质量 o 安装时特别要注意功放块、运算放大器、 电解电容等主要器件的引脚和极性，不能 接错 o 从输入级

26、开始向后级安装，也可以从功放 级开始向前逐级安装。 o 安装一级调试一级，安装两级要进行级联 调试，直到整机安装与调试完成。 返回返回返回 49 （2）电路调试技术）电路调试技术 o 电路的调试过程一般是先分级调试，再 级联调试，最后进行整机调试与性能指 标测试。 o 分级调试又分为静态调试与动态调试。 静态调试时，将输入端对地短路，用万用表测该 级输出端对地的直流电压。话放、混放、音调电路 均由运放组成，若运放是单电源供电，其静态输出 直流电压均为VCC/2，功放级的输出(OTL电路)也为 VCC/2，且输出电容CC两端充电电压也应为VCC/2。 若是双电源供电，直流电压均为0。 返回返回返

27、回 50 （2）电路调试技术）电路调试技术 动态调试是指输入端接入规定的信 号，用示波器观测该级输出波形，并测 量各项性能指标是否满足题目要求，如 果相差很大，应检查电路是否接错，元 器件数值是否合乎要求，否则是不会出 现很大偏差的。 返回返回返回 51 （2）电路调试技术）电路调试技术 单级电路调试时的技术指标较容易达到，但级 联后级间相互影响，可能使单级的技术指标发生 很大变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要 原因： 一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应 考虑重新布线； 二是级联后各级电流都要流经电源内阻，内阻 压降对某一级可能形成正反。覴C去耦滤波电 路。R一般取几十欧姆，C一

28、般用几百微法大电容与 0.1F小电容相并联。 返回返回返回 52 （2）电路调试技术）电路调试技术 由于功放输出信号较大，易对前级产生影响， 引起自激。集成块内部电路多极点引起的正反 馈易产生高频自激，常见高频自激现象如图所 示。 可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功 放级脚与之间接入几百皮法的电容，形成 电压并联负反。上加的高频毛刺。 返回返回返回 53 （2）电路调试技术）电路调试技术 o 常见的低频自激现象是电源电流表有规则 地左右摆动，或输出波形上下抖动。 o 产生的主要原因是输出信号通过电源及地 线产生了正反馈。可以通过接入RC去耦滤 波电路消除。 o 为满足整机电路指标要

29、求，可以适当修改 单元电路的技术指标。图5.5.19为设计举 例整机实验电路图，与单元电路设计值相 比较，有些参数进行了较大的修改。 返回返回返回 54 整机框图整机框图 C1 2 R11 10k 1F 10k 2 3 9V R12 75k A1 4 11 1 C11 10F 话筒 C13 C14 RP11 10k 10F 1 4 LM324 10F 电子混响器 R31 47k RP31 470k R32 47k C31 0.01F C32 0.01F 9V R34 47k 9 10 R22 9V 30k 6 10k 5 10k A2 7 C24 10F 1 4 LM324 R21 10k R

30、23 30k C21 10F C23 10F 录音机 C22 10F RP21 10k RP32 470k R33 13k A3 10k 1 4 LM324 C35 10F RP33 10k 470pF C33 10k 10k 4 11 8 4 11 +9V C3 0.1F C 10F C1 3 2 10F 6 1 8 5 LM386 C2 250F RL 8 10F C4 4 5 R 2k A4 * 返回返回返回 55 （2）电路调试技术）电路调试技术 用8/4W的扬声器代替负载电阻RL，可进行 以下功能试听： 话音扩音：将低阻话筒接话音放大器的输入端。应 注意，扬声器输出的方向与话筒输入的

31、方向相反，否 则扬声器的输出声音经话筒输入后，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。 音乐欣赏：将录音机输出的音乐信号，接入混合前 置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器， 扬声器的输出音调发生明显变化。 返回返回返回 56 （2）电路调试技术）电路调试技术 用8/4W的扬声器代替负载电阻RL，可进 行以下功能试听： 卡拉OK伴唱：录音机输出卡拉OK磁带歌曲， 手握话筒伴随歌曲歌唱，适当控制话音放大器 与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱音 量与音乐音量之间的比例，调节混响延时时间 可修饰、改善唱歌的声音。 返回返回返回 57 8.设计任务

32、（设计任务（P128） o 功能要求：功能要求： n 具有话音放大、音调控制（选做）、音量控制 等、卡拉OK伴唱等功能 o 已知条件：已知条件： n 高阻话筒20k，输出信号5mV n 集成运放 AD8608 （由ADI公司提供） n 集成功放 SSM2211（由ADI公司提供） n 10/2W负载电阻1只 n 8/4W扬声器1只 n 音源（MP3 or PC） n 电源电压9V(双电源) 返回返回返回 58 o 技术指标要求：技术指标要求： n 额定功率：Po0.3W（3%） n 负载阻抗：RL=10 n 频率响应：fL=50Hz，fH=20kHz n 输入阻抗：Ri20k n 音调控制特性

33、：1kHz处增益为0dB、125Hz和 8kHz处有12dB的调节范围， AVL=AVH20dB，输入灵敏度5mV。 （选做） 8.设计任务（设计任务（P128） 返回返回返回 59 8.设计任务（设计任务（P128） o 测量内容测量内容 n 测量音调控制特性，填入表5.5.4，并绘制音调 控制特性曲线（选做） n 测量频率为1kHz时的输出功率Po及整机电压增 益Av，绘制1kHz时的整机输入输出波形 n 输入阻抗Ri n 输出效率 o 绘制波形绘制波形 n 1kHz时的各级输入输出波形、整机输入输出波形 n 测试Ri时的Vs和Vi波形 n 整机幅频特性曲线 n 音调控制特性曲线（选做） 返回返回返回 60 芯片引脚图芯片引脚图 SSM2211.pdf AD8605_6_8_d.pdf