语音放大器设计

语音放大器设计

目录

1 设计任务与要求 .......................................................................................................... 2 1.1 设计任务 . ............................................................................................................. 2 1.2 基本要求 . ............................................................................................................. 2 2 系统方案论证 . ............................................................................................................. 2 2.1 话筒 ..................................................................................................................... 2 2.3 带通滤波电路 ...................................................................................................... 4 2.4 功率放大 . ............................................................................................................. 4 3 硬件电路设计 . ............................................................................................................. 4 3.1系统总体设计 ....................................................................................................... 4 3.2单元电路设计 ....................................................................................................... 4 3.2.1电源去耦电路 ................................................................................................ 4 3.2.2麦克风 ........................................................................................................... 5 3.2.3前置放大电路 ................................................................................................ 5 3.2.4带通滤波电路 ................................................................................................ 6 3.2.5功率放大电路 ................................................................................................ 6 4 系统测试 ..................................................................................................................... 7 4.1 测试仪器 . ............................................................................................................. 7 4.2 话音放大器指标测试 ........................................................................................... 7 4.2.1单元电路的指标测试 ..................................................................................... 7 4.2.2 话音放大器整体指标测试 . ............................................................................ 8 5 总结 ............................................................................................................................ 9 附录： .......................................................................................................................... 10

摘要：话音放大器的作用是不失真地放大输入的音频信号。由于人发出的声音频率在340Hz ～3400Hz 之间，声波在传播中会产生反射、折射和干涉等现象，到达话筒的信号比人从声带中发出来的声音要小，同时话筒是一种换能器，它将声能转化为电能，话筒的输出信号一般很小，而输出阻抗很大，则要求对话音进行放大。由于声音在空气中传播产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在话音放大器中设计滤波器，提高输出信号的高保真性能。此外，话筒的频率特性、性噪比和灵敏度也直接影响着重现声音的音质。

关键字：前置放大电路，带通滤波器，功率放大电路

1 设计任务与要求

1.1 设计任务

设计并制作有一定输出功率的话音放大电路。

1.2 基本要求

（1）电路采用9V 单电源供电；

（2）前置放大器由两级放大器构成，其中放大器1的增益为20dB ，放 大器2的增益为20dB ；放大器2的增益可调； （3）带通滤波器：通带为300Hz ～3.4kHz ；

（4) 输出额定功率P>0.2W，失真度

2 系统方案论证

2.1 话筒

驻极体话筒与电路的接法有两种，漏极输出和源极输出

方案1：源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线．漏极D 接电源正极。源极S 与地之间接一电阻Rs 来提供源极电压。信号由源极经电容c 输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k Ω，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。

方案2：漏极输出类似晶体三极管的共发射极放大器。只需两根引出线。漏极D 与电源正极间接一漏极电阻Rd ，信号由漏极D 经电容C 输出。源极S 与编织线一起接地。漏极输出有电压增益。因而话筒灵敏度比源极输出时要高。 总结：由于放大信号对灵敏度要求较高，故采用方案2可满足要求。 2.2 前置放大电路1、前置放大电路

在测量的放大电路中，一般输入信号的最大幅度可能仅若干毫伏，而共模噪声高达几伏。所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大本身的共模抑制比特性也相当重要。因此前置放大器电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂流的小信号放大电路。 下面提供两种方案：

U i

o

方案一 方案二

对于方案一，

A U =(1+

R 3R ) ⋅(1+W ) R 1R 4

U o =(1+=(1+ 其中，

R 3R R R

) ⋅(1+W ) ⋅U i =(1+3) ⋅(1+W ) ⋅(U ic -U id ) R 1R 4R 1R 4

R 3R R R

) ⋅(1+W ) ⋅U ic -(1+3) ⋅(1+W ) ⋅U id R 1R 4R 1R 4

,

U i U

U ic =i

2，2；

U id =-

其中U ic 项前地系数不肯能为零，且差模信号和共模干扰的增益大小相等。 对于方案二，

先不考虑Rw 的影响，如上图，则：

U o =(1+

R 4R R

) ⋅U i 2-4(1+2) ⋅U i 1R 3R 3R 1

令U i 1=U id +U ic ，U i 2=U ic -U id

U o =(1-则

R 2R 42R R R

) ⋅U ic -(1+4+42) ⋅U id

R 1R 3R 3R 3R 1

1-再令

R 2R 4

=0R 1R 3

，这样就完全消除了共模噪声信号。

若考虑Rw ，则其增益为：

⎡R ⎤⎡R R ⎤R R R R R

A U =-⎢4(1+2) +4(2+1) ⎥⋅U i =⎢42+1+4(2+1) ⎥⋅U i

R 1R p R 3R p R 3⎢R 3⎥⎢R 3R 1⎥⎣⎦⎣⎦

故我们采用方案二。

总结：电压串联负反馈能提高输入阻抗，所以选择方案2

2.3 带通滤波电路

方案1：采用带通滤波电路

方案2：采用滤波器串联的方式：高通滤波电路+低通滤波电路

总结：由于设计要求通带为300Hz ～3.4kHz ，带通滤波电路无法满足，所以采用方案2

2.4 功率放大

方案1：采用分立元件构成功率放大电路 方案2：采用集成运放构成功率放大电路

总结：由于分立元件构成集成运放较复杂，所以选择方案2

3 硬件电路设计

3.1系统总体设计

语音放大器原理图如图1所示。电路由三个部分构成：前置放大电路，带通滤波电路和功率放大电路。

麦克风有多种类型，用于将声音转换为电信号常用驻极体话筒。前置放大电

图1 语音放大器原理框图

路对话筒的输入信号进行放大。带通滤波器用于滤除信号频带以外的噪声，最后由功率放大电路对语音信号进行功率放大驱动喇叭输出。 3.2单元电路设计 3.2.1电源去耦电路

由于电源产生噪音会对整个话音放大器性能的干扰，所以用一大一小并联在电源两端的方法去除这种干扰（电容大小不作要求，一般大的电容为10uf ，小的电容为0.01uf ）。

3.2.2麦克风

电路原理图如图2，上拉电阻R 用于调整静态工作点(由于MOS 管工作电流在1～2mA ，静态工作电压为Vcc/2,所以R 选3k Ω)10uf 的电容用于隔直减少对前级电路对后级的影响。

Vcc

图2 驻极体话筒原理图

3.2.3

F

图3前置放大电路原理图

图3为前置放大电路原理图，由于所用的电源为9v 的单电源所以选择R 5和R 6调整运放的静态工作点Vcc/2即4.5V ,C 3为隔直电容，C 4和C 5为去耦电容。 电路的理论增益：第一级增益20log|Au|=20log|（1+R1/R2）|=20.1,第二级增益为20log|Au|=20log|1+Rw /R3（该级增益可调节|R w 改变，最大能达到20.8，最小为0）所以前置放大增益为Max=40.9dB，Min=20.1dB。

3.2.4带通滤波电路

带通滤波电路如图4，这里选用串联方式实现带通滤波，前级为高通滤波电路，第二级为低通滤波电路。该电路构成通带大约为300Hz ～3.4kHz 的通带滤波电路。构成电路的电阻，电容参数根据附录1计算得出。（电路原理图见下页图4）

3.2.5功率放大电路

功率放大电路如图5

10uf

+

图4带通滤波电路原理

图5功率放大电路原理图

功率放大电路的连接有很多种，在这选择LM386外接元件最少的电路，足够本次设计使用。

4 系统测试

4.1 测试仪器

示波器GOS-620 信号发生器FG-506 数字万用表VC9802A+ 毫伏表UT803

数控式线性直流稳压电源LPS —305 失真度仪GAD-201G 4.2 话音放大器指标测试 4.2.1单元电路的指标测试

1）前置放大电路增益测试

输入正弦信号，在输出信号不失真的前提下，在语音信号频段范围内300Hz ～3.4kHz 测出放大器的增益。测试结果如表1：

表1：前置放大电路增益测试数据 频率（Hz ） U in （mV ） U out _min （V ） U out _max （V ） G min (dB) G max (dB)

10 0.1 1.0 20.1 40.9 200

10 0.1 1.0 20.1 40.9 301

10 0.1 1.0 20.1 40.9 1000

10 0.1 1.0 20.1 40.9 1500

10 0.1 1.0 20.1 40.9 3400

10 0.1 1.0 20.1 40.9 4000

第一级放大增益为20.1dB ，第二级放大最大增益为20.8dB ，整个频段范围最小增益为20.1dB ，最大增益为40.9dB 。设计基本满足要求。

2）带通滤波器指标测试

在带通滤波器的输入端输入正弦波，在信号不失真的前提下测出输出的幅值。测试结果如表2：

表2：带通滤波器指标测试数据

输入频率（Hz ） 186.8 277.7 322.0 350.0 495.6 678.4 889.4 1268 1772 2506

20log|Au|（dB ） -12.04 -6.02 -4.44 -3.10 -0.92 0 0 0 0 -0.92

3004 3513 4113 5140 6047 7067 10015 -2.50 -3.10 -4.44 -7.96 -10.46 -12.04 -16.48

下限截至频率为350.0Hz ，上限截至频率为3513Hz

图6 带通滤波电路幅频特性曲线

3）功率放大电路指标测试：

a．失真度测试：在输出信号幅度最大是测出失真度为0.7%

b．额定功率测量：电路输出失真度小于某一特定值时所对应的最大输出

2V 0

功率。 P 0 L （幅值为2.5V ，R L 为8Ω，所以P 0=0.39W）

4.2.2 话音放大器整体指标测试

1）频率响应：

指话音放大器整体的幅频特性，测试数据见表3

表3：话音放大器整体幅频特性

输入频率f （Hz ） 160.1 240.2 303.2 322.6 336.4 357.4 398.7 601.7 1030 1514 U in （mV ） 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

U out （V ） 0.6 1.2 1.5 1.6 1.7 1.8 2.0 2.2 2.4 2.4

2400 3089 3331 4226 5750 6770 20 20 20 20 20 20 2.2 2.1 1.8 1.6 1.2 0.6

下限截至频率为357.4, 上限截至频率为3331

2）输入阻抗：

在输入端串联一个5.1k Ω的电阻（该电阻的选取是接近电路设计的理论输入阻抗，以减少误差），然后输入20mV 的正弦信号，测得电阻与系统输入端的幅值U i 为10mv ，所以系统的输入阻抗为5.1K Ω。

3）输入灵敏度

语音放大器输出额定功率时所需输入电压为7.2V （有效值） 4）噪声电压

输入为零是负载两端电压为4.24mV(有效值) 5）失真度

在输出幅度最大时，用失真度仪测得失真度为4%。

5 总结

1 本次设计的主要部分在前置放大电路和带通滤波电路，由于要求用单电源供电而实验室所提供的TL082集成运放是双电源供电，所以要设置合适的静态工作点。这两部分在设计时一定要考虑对后级电路的影响，如果处理得不好就会被功率放大电路给放大从而影响整个系统的性能。

2整个电路的布局也非常重要，因为本次设计用的是通用板所以跳线特别多，如果布局不合理很容易产生自激振荡。而且每次有电源输入的地方多要加上去耦电容。

附录：

V i

V 0

图8 二阶低通压控电压源电路

二阶低通滤波电路如图8，根据公式 f c =

1

确定滤波电路中的

2πR 1R 2C 1C 2

电容C 再由K =100*(f c *C ) （0

表4：二阶低通电路电阻、电容值

A V R 1 R 2 R 3 R 4 C 1

1

1.422 5．399 开路 0

0.33C

2 1.126 2.250 6.752 6.752 C

4 0.824 1.537 3.148 9.444 2C

6 0.617 2.051 3.203 16.012 2C

8 0.521 2.429 3.372 23.602 2C

10 0.462 2.742 3.560 32.038 2C

二阶高通滤波电路如图9所示，根据公式f =

12πR 1R 2C

2

确定电路中的电

容C 再由公式K =100*(f c *C ) （ 0

表5：二阶高通电路电阻、电容值

A V R 1 R 2 R 3 R 4

1

1.125 2.251 开路 0

2

1.821 1.391 2.782 2.782

4

2.592 0.977 1.303 3.910

6

3.141 0.806 0.968 4.838

8

3．595 0.705 0.806 5.640

10

3.985 0.636 0.706 6.356

11