音响系统放大器设计

音响系统放大器设计

一、设计任务与要求

1．一般说明：

音响系统中的放大器决定了整个音响系统放音的音质、信噪比、频率响应以及音响输出功率的大小。高级音响中的放大器通常分为前置放大器和功率放大及电源等两大部分。

前置放大器又可分为信号前置放大器和主控前置放大器。信号前置放大器的作用是均衡输入信号并改善其信噪比；主控前置放大器的功能是放大信号、控制并美化音质；功率放大器及电源部分的主要功能是提供整机电源及对前置放大器来的信号作功率放大以推动扬声器。其组成框图如图所示：

2．设计任务：

设计一个音响系统放大器。具体要求如下：

⑴ 负载阻抗 R L =4Ω；

⑵ 额定功率 P O =10W ；

⑶ 带宽 BW ≥50Hz ~15kHz ；

⑷ 失真度 γ

⑸ 音调控制 低音（100Hz ）±12dB;

高音（10kHz ）±12dB;

⑹ 频率均衡特性符合RIAA 标准；

⑺ 输入灵敏度 话筒输入端≤5mV;

调谐器输入端≤100mV;

⑻ 输入阻抗 Ri ≥500k Ω;

⑼ 整机效率 η≥50%；

二、方案设计与论证

本设计由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器五部分组成。此设计方案具有使用元件少，电路简单明了等特点。

其工作原理如下：当语音信号由话筒输出后，进入语音放大器放大并传入电子混响器产生混响效果。混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调控制器，然后进入功率放大器进行功率放大后，由扬声器输出声音[1]。

晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，因此本设计采用晶体管件设计放大器。还可以配合来自声源特别是数码声源的音质而设计和使用。它不会使声音降级。此外它还具有效率高，电力损失小等优点。

音响放大器各部分的作用：

1．话筒放大器：由于话筒的输出信号一般只有5mV 左右，所以话筒放大器

的作用是不失真的放大声音信号，其输入阻抗应该远大于话筒的输出阻抗。

2．电子混响器：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。

3．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 。

4．音调控制放大器：音调控制放大器的作用是实现对低音和高音的提升和衰减，以弥补扬声器等因素造成的频率响应不足。

5．功率放大器：给音响放大器的负载提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真度尽可能小，效率尽可能大。功率放大器有常见的单电源供电的TTL 电路和正负双电源供电的OCL 电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。

2.1放大电路的比较与论证

方案一

采用uA741运算放大器设计电路，uA741通用高增益运算通用放大器，早些年最常用的运放之一，应用非常广泛，为双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压±22V ，差分电压±30V ，输入电压±18V ，允许功耗500mW 。

方案二

采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。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；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。

方案选取：

uA741是通用放大器，性能不是很好，满足一般需求，而LM324四运放大器具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。本设计放大倍数不高，LM324能达到频响要求，故选用LM324四运放大器。

2.2 音频功率放大电路的比较与论证

方案一

采用SL34集成功率放大器， SL34是低电压集成音频功放，功耗低、失真小，工作电压为6V ，8负载时，输出功率在300mW 以上。主要用于收音机及其它功放。

方案二

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386电源电压4--12V ，音频功率0.5w 。LM386音响功放是由NSC 制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V ，消耗静态电流为4mA ，当电源电压为12V 时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW 的功率。它的典型输入阻抗为50K 。

方案三

TDA2030芯片所组成的功放电路，它是一款输出功率大，最大功率到达35W 左右， 静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16Ω的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。 方案选取：

本课题要求音响放大器的输出功率在10W ，然而LM386达不到这功率，故选用TDA2030。频率响应f L ～f H ＝50Hz ～15kHz ；而单电源供电音频功率放大器已经

达到所需要的目标。并且它较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点。而BTL 电路虽然也有以上的功能，但制作复杂，不利于维修。

2.3核心元件的介绍

2.3.1 LM324的介绍

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用右下角的图所示的符号来表示，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 图1 LM324引脚图

端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示

运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。

LM324的特点:

1．短跑保护输出

2．真差动输入级

3．可单电源工作：3V-32V

4．低偏置电流：最大100nA

5．每封装含四个运算放大器。

6．具有内部补偿的功能。

7．共模范围扩展到负电源

8．行业标准的引脚排列

9．输入端具有静电保护功能

2.3.2 TDA2030的介绍

TDA2030A 是德律风根生产的音频功放电路，采用V 型5 脚单列直插式塑料封装结构。如图1所示，按引脚的形状引可分为H 型和V 型。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。意大利SGS 公司、美国RCA 公司、日本日立公司、NEC 公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。

电路特点：

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。

管脚说明：

1脚：正相输入端

2脚：反向输入端

3脚：负电源输入端

4脚：功率输出端

5脚：正电源输入端 图2 TDA2030A引脚图

三、单元电路设计与参数计算

3.1参数计算

放大器输出电压为：V o =(P O R L ) =4*10）=6. 33v

最小话筒输入信号的总电压增益为：A V =V O /V I =6. 33/0. 005=1266=63dB （取63dB 为留有一定的余量）

因为调谐器输入端≤100mV ，

所以话筒放大器的放大倍数为：100/5=20=26dB

所以功率放大器的电压增益为：63dB-26dB=37dB

根据一般数据，选取均衡放大器的放大倍数为30dB

3.2单元电路设计

3.2.1 话筒放大器

根据技术指标的要求，已知话筒放大器的输入灵敏度5mV ，音调控制放大器

的输入灵敏度100mV ，而输出功率P 。＝10W ，则可确定总的增益和各放大器的增益。

输出电压有效为：错误！未指定书签。V 0=P 0R L =2(V ) ，为留有一定的余量，确定总电压增益为1400，即63dB 。

通常话筒输出信号较小，所以抑制话筒放大器的噪声是它的主要问题，可以通过加强屏蔽和匹配等措施来实现，同时要尽可能降低放大器本身产生的噪声。话筒放大器的增益可根据图中R F 的值来决定，本级可取20倍(26dB)。

由于话筒的输出信号一般只有5mV 左右，而输出阻抗达到20k Ω(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。

图4 话筒放大器

其中U1A 组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其放大倍数U1A 为四运放LM324的频带虽然很窄（增益为1时，带宽为1MHz ），但这里放大倍数不高，故能达到10kHz 的频响要求。

根据前面论述，话筒放大器的增益分配为20倍，并希望输入阻抗高、输出阻抗低，以减少对音调控制放大器的影响，同时要求噪声应尽量小。为此本级可选用低噪声运算放大器如图4所示。

适当选取R 6及R 9值以满足增益要求。共漏电路(源极输出器) 具有输入电阻

高，输出电阻低，常用做输入级。

3.2.2 音调控制放大器

音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图5中折线所示。图5中，f 0表示中音频率，要求增益Avo=0dB；f L 1表示低音频转折频率，一般为几十赫兹； f L 2(等于10f L 1) 表示低音频区的中音频转折频率；f H 1表示高音频区的中音频转折频率； f H 2(等于10f H 1) 表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。

A V /dB －－－图5 音调控制曲线

音调控制放大器的作用是实现对低音和高音的提升和衰减，以弥补扬声器等因素造成的频率响应不足。技术指标通常为：低音(100Hz)±12dB，高音(10kHz)±12dB。目前的高级音响设备大多已采用“多频段频率均衡”电路来达到更好地校正频响效果. 音调控制放大器一般取它的中频增益为1，但要能满足音调的调节范围。由此得出功率放大部分的电压增益应大于70倍，即37dB 以上。

根据对低频区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

x 6f L2=f ⋅2L x

f H1=f H x 26

常用的音调控制电路有衰减式音调控制电路和反馈式音调控制电路两类，由于后者失真较小，所以应用较广。本系统采用反馈式音调控制电路如图6所示。

图6 音调控制放大电路

音调控制器只对低音和高音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。由运算放大器构成的音调控制器，图6所示。这种电路调节方面，元器件较少，在一般收音机，音响放大器中应用较多。

设电容C 9=C 10≥C 11，在中、低音频区，C 11可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音频区，C 9、C 10可视为短路，作为高通滤波器。输入信号 V i (=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入, 输出信号V 0从输出的耦合电容引出. 先测1KHz 处的电压增益Avo(Avo≈0dB),再分别测低频特性和高频特性. 当f

最大的情况；当R17滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况。电路是一个一阶有源低通滤波器。当f > f0时，C 9、C 10可视为短路，作为高通滤波器。R16的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况；R16的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。电路为一阶有源高通滤波器。

测量方法如下:将R17的滑臂置于最左端, 当频率从20Hz 至50KHz 变化时记下对应的电压增益；再将R17的滑臂分别置于最右端, R16的滑臂置于最左端, 当频率20Hz 至50KHz 变化时记下对应的电压增益。最后绘制音调控制特性曲线, 并标注与等频率对应的电压增益。

该音调控制放大器是由一个音调控制网络和运算放大器所组成的负反馈放大器，其中R17和R16是分别调节高音和低音的两个电位器，调节R16和R17两个电位器以改变反馈系数，从而改变放大器的幅频特性，以达到音调控制作用。

3.4功率放大电路的设计

功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。当负载一定时，希望其输出的功率尽可能大，其输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高，功放的常见电路有OTL(Output Transformerless) 电路和OCL(Output Capacitorless) 电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。

TDA2030A是SGS 公司生产的单声道功放IC ，该IC 体积小巧，输出功率大，最大功率到达40W 左右；并具有静态电流小（50mA 以下），动态电流大（能承受

3.5A 的电流）；负载能力强，既可带动4-16Ω的扬声器，某些场合又可带动2Ω甚至1.6Ω的低阻负载；音色中规中举，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放等诸多优点。

图7 功率放大电路

四、总原理图及元器件清单

4.1 总原理图

图8 总原理图

4.2 元件清单

五、安装与调试（没有进行安装调试的这部分写电路中参数的选择与计算）

5.1话筒放大器的参数确定

运算放大器放大倍数：Av =1+R 3/R 1=21

因为在总体分析中我们已经确定话筒的放大倍数为21倍

5.2 音调放大器的参数确定

根据我们前面的分析，假定R3＝3R4，低音的最大提升量和衰减量为±20dB ，那么根据指标，低音：100Hz±12dB 。

所以，就有：

f L 2=100⨯2

12

6

=400Hz （1）

f L 1=

1002

20-126

=40Hz （2）

同样，可以求得：

f H 1=

102

126

=2. 5KHz （3）

f H 2=10⨯2

20-126

=25. 2KHz （4）

取：

R W 2=R W 1=100K

可以得到：

C 1=C 2=2πf L 1R W 2=0. 04(μF )

R 1=R 2=R 3=

R W 2

≈10(k Ω) 9

从而得到：

R 4=

10

=3. 3(k Ω) 3

C 3=C 4=2000(pF )

5.3 功放参数选择

①输出功率要大于额定功率：

P oM =1. 5P o =15(W )

所以，输出电压为：

V o =⨯4=7. 75(V )

得出： 电压的振幅为：

7. 75⨯2=11V

峰峰值为：

11⨯2=22V

所以电源电压要大于22V ，取25～30V 。 ②功率放大器的增益及频率特性：

因为电容器：C3

(a)选取R2 R2的取值范围一般在几十欧至几千欧均可，本例选取R2＝680Ω。

(b)确定R3 根据前述可知，功率放大器的中频增益应大于37dB ，为留有一定余量，可取40dB ，即l00倍，可求得R3=68kΩ。

(c)确定C2 因为TDA2030芯片的下限频率为40Hz ，所以由R2、C2形成的低频转折频率应

(d)选取R4 已知R3=68千欧，所以R4=R3/4=17KΩ。

(e)确定C3为本任务的上限频率为15kHz, 故本网络形成频率应大于15kHz ，取20kHz 得C3等于100pF 。

(f)确定C5、R7 可取C5=0.047uF、R7=4Ω。

把以上三种电路，用耦合电容总体方框图的连接起来，即组成了一个如图3-7所示的完整的音响系统放大装置。

其工作原理如下：当语音信号由话筒输出后，进入语音放大器放大并传入电子混响器产生混响效果。混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调控制器，然后进入功率放大器进行功率放大后，由扬声器输出声音。

六、性能测试与分析（写仿真调试与分析）

6.1 静态工作点测试

接上电源(次级为12伏) ，不带负载情况下接通电源，按下电路板上电源开 关，测试滤波电容两端输出电压应为14v 左右。若出现异常应该立即断电。

6.2 最大输出功率测试

将4Ω负载接入功率输出端。再将信号源调至频率f=1000hz，输出电压为1V ，接到音频放大器的声道输入端。将音调调节电位器调到最大。功率输出端接上示波器、毫伏表。

图9 测试的接法

调节音量电位器，使输出信号失真度THD=1%时，测出功率放大器的输出电压V o 的值，由公式P=Vo2/16计算放大器的最大输出功率。

6.3 频率特性测试

调节1000hz 输入信号幅度（或调音量电位器），使输出信号为1V 。测出电路输入信号的大小Vi 的值。调节输入信号的频率，保持输入信号Vi 的大小不变，测量输出信号的大小。找出上下限频率fL 和fH ，求出通频带BW=FH-fL。

6.4 仿真结果

(1)话音放大器输出波形

(2)音调控制电路输出波形

（3）功率放大器输出波形

七、结论与心得 八、参考文献

[1]。。。。。。（五号，宋体）