音响混合前置放大器的设计

第一章

绪论

近几年来，计算机技术进入了前所未有的快速发展时期，随着电子信息技术的发展关于音响放大器在电子技术基础中所处的位置越来越重要，它不仅是电子信息类专业的一个重要部分，而且在其他类专业工程中也是不可缺少的。放大器电路做为子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其现实生活中的运用也是非常普遍和广泛。

在音响放大器的设计过程中，控制其电路的核心部分是几个放大器的设计，其主要包括：话音放大器，混合前置放大器，音调控制器，功率放大器等。电子技术的发展促使话音放大器被广泛应用到一系列放音设备中，混合前置放大器也成为数字电子电路设计和制作过程中不可缺少的部分，例如在信号放大器的设计和无线电遥控电路的设计过程中该部件都是不可缺少的，功率放大器更是设计电子电路的核心。功率放大器的运用使电子产品的成本大大减少，并且有设计简单，易于操作，可靠性好的优点。

对音响放大器设计的目的是为了更好的掌握集成功率放大器内部电路工作原理，学会其外围电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌握音响放大器的设计与电子线路系统的装试和调试技术。本次设计分为四个主要步骤：一，构思和设计话音放大器，混合前置放大器，音调控制级和功率放大级。二，根据设计要求和选择的电路通过计算选择元器件和参数，并准确无误的设计好要设计的电路原理图。三，在万能板或在面包板上根据设计电路原理进行元器件的电路安装和精细的调试。四，在安装好的电路板上进行输出功率的测试。

在此次课程设计的编写过程中得到了龙老师和许多实验室老师的大力支持和指导，在此表示感谢。

另外，由于时间仓促和本组成员能力有限，设计中难免出现缺点和不足之处，还敬请各位老师批评和指正。

2011年6月

第二章 理论分析

2.1音箱放大器基本原理

音响放大器的作用是对于微弱信号进行电压放大和功率放大，推动负载工作，同时需要对音调和音量的调节。

音响放大器由话筒、话音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器、功率放大器这几个部分组成。其中话音放大器是不失真的放大话筒输出的声音信号，电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使人听起来具有一定的深度感和立体空间感，混合前置放大器是将话筒传输的声音信号与放音机输出的音乐信号相混合并放大，音调控制器是控制和调节音响放大器的幅频特性，功率放大器是给音响放大器的负载提供一定的输出功率。这几部分之间的联系如图2-1所示。

图2-1

音响放大器分为四个部分，有两个组共同完成，我们组负责话音放大器和混合前置放大器设计。

第三章 设计过程及方案

3.1、设计方案选择

话音放大器和混合放大器设计框图

图3-1

方案一：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。供电电源电压3到32V,工作电压15V，差分电压+32V 输入电压20V允许功耗600mW。

方案二：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。

方案选取：两者都满足设计要求，uA741是通用单运放放大器，性能好，满足一般需求，但价格贵。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。LM324芯片满足要求,成本更低，芯片引脚具有对称结构，设计的线路更简单，便于检查。可不换芯片的情况下更换运放。故选用方案一。

3.2、话音放大器的设计

图3-2

话音放大级增益为8.5与20K话筒配接作为话音放大器电路，其交流放大倍数由式（3-1 ）

Av1=1+ R12/ R11=8.5（18.5dB）

高阻话筒要求输入内阻很大，采用同相放大电路R12 取标称值为75KΩ，R11标称值为10KΩ，电阻R13、R14作用是分流和提供直流偏置电压，R13、R14取标称值为10KΩ

电容C11、C13作用是去直流，C11去标称值为10uF，C13取标称值为1uF，电容C12在电路中起耦合作用，C12取标称值为10uF。考虑到电路接线出错直流电压被放大电压为38.5V, C12两端电压达到38.5V, 电容C12采用耐压值为50V，C11、C13两端的电压为4.5V，耐压值16V和50V均满足要求，C11采用耐压值为16V,C13采用耐压值为50V。

3.3、混合前置放大器的设计

图3-3

混合前置放大器的电路由运放组成，是一个反相加法器电路，话放级的输出作为混放级的输入，录音机的输入为Vi2,由式（3-2）得输出电压Vo2的表达式为： Vo2=-[(R22/ R21) Vo1 +(R22/ R23) Vi2]

第一级为第二级提供输入信号Vo1=42mV，混合前置放大倍数为3，可以达到输出125mV的设计要求。输入信号为100mV，信号只录音机接口输入放大倍数为1，录音机输入信号为100mV，不放大可以达到驱动下级正常工作的要求。取R23=R22=30KΩ，R21=10 KΩ。电阻R23、R24作用是分流和提供直流偏置电压，R23、R24取标称值为10KΩ。C21、C22、C24在电路中起耦合作用，C23在电路中起去直流作用。、C21、C22、C23、C24 都取标称值为10uF，如果线路接错，是直流也被放大，直流电压达到13.5V，C21、C23电容取耐压值为16V。C22、C24电容取耐压值为50V。

3.4、仿真测试

3.4.1话音放大器EWB仿真

图3-4 话音放大器仿真电路

图3-5 话音放大器仿真波形

高的波形为A通道输入波形，低的为B通道为输出波形。

输入信号为5mV，毫伏表数值42.5mV

从示波器波形的输入、输出信号同相。增益Av1= Vo1/Vi1=8.5

3.4.2、混合放大级ＥＷＢ仿真

图3-6 混放级仿真电路

图3-7 混放级仿真波形

高的为A通道为混放级输出信号，低的为B通道为混放级输信号，

输入信号为42mV，毫伏表数值126mV

从示波器波形的输入、输出信号反相。增益Av1= Vo2/输入信号为5mV，毫伏表数

值42.5mV

增益 |Av2| =| Vo1/Vi1|=3

3.4.3、两级放大EWB仿真

图3-8 两级仿真电路

图5-6 两级仿真波形 低的是A通道,高的是B通道

输入信号为5mV，调节电位器RP11使毫伏表的示数125mV,即输出值125mV，示波器的波形得出输入和输出波形反相。|Av3| =| Vi1/Vo2|=25

3.4.4、元件清单

表3-1元件清单

第4章技术指标及测试方法

4.1、话音放大级的测试

在话筒端输入正弦信号，用交流毫伏表测量是输入为频率为100Hz有效这值

5mV，在话音放大器输出端用交流毫伏表测输出电压，用毫伏表测量的数据更精准。再把输入端和输出端接示波器通道1和通道2，观察输入输出的波形。求出话音放大器的放大倍数。

4.2、混合放大级的测试

你在混合放大器的输入端输入42mV 100Hz的正弦信号，录音机输入端不输入

信号，混合放大器输出端用交流毫伏表测输出电压。再把输入端和输出端接示波器通道1和通道2，观察输入输出的波形。

综合测试仅在话筒端输入输入5mV正弦电压，在混合放大器的输出端用交流毫伏表测量输出电压，调节RP1使混合放大器输出端的电压满足125mV，再把输入端和输出端接示波器通道1和通道2，观察输入输出的波形。求出混合放大器的放大倍数。

在录音机输入端100mV，测量输出端的电压。对话筒说话，使之产生电信号。观察输入端和输出端的波形。

第5章 安装与调试

5.1、芯片介绍

LM324为四运算放大器。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。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图1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。

5.2、安装

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，一般

按照电路的顺序一级一级地布线，功放级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易产生自激。

安装前应检查元器件的质量，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。从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装。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。

安装完成后，根据电路图进行检查，及时排除存在问题及故障。

5.3、调试

实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。

在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括： 检查连线是否正确

按照实际线路来对照原理图电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。 检查元器件的安装情况

检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，要把所有的接地点连在一起，与电源的负极相连。

5.3.1、静态调试

把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，

甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。静态调试时，将信号输入端对地短路，接入直流电源， 用万用表测该级输出端对地的直流电压。话放级、混合级都是由运算放大器组成的，11管脚直流电压均为9V，每个输入端和输出端都有电容，同相端和反相端管脚电压为4.5V。且输出电容CC两端充电电压也应为4.5V。反馈电阻两端的电压都

为4.5V。

5.3.2动态调试

调试的方法是在电路的话音放大器输入端接入频率100Hz和5mV的正弦信号，并循着信号流向来检测话音放大器输出端的电压及波形，再检测混合放大器输出端的电压及波形。放大增益是否符合理论值，如果偏差太远，测量与增益相关的电阻阻值，阻值没很大误差是时，检查线路是否正确，没有改变是，更换芯片，如果换芯片，没变化。在分析可能是那个元件损坏，导致的偏差。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。在话音放大器输入端频率100Hz 5mV信号，调节RP1使混合放大器输出端的电压满足125mV，再把输入端和输出端接示波器通道1和通道2，观察输入输出的波形

5.4、实物测试

图6-1 话放级实测波形图

高的为话放级输入信号5mv/d低的为话放级的输出信号50mv/d

图6-2 混放级实测波形

低的为混放级的输入信号50mv/d高的混放级的输出信号50mv/d

图6-3 两级测试波形

CH低的为话放级输入信号5mv/d CH2高的为话放级的输出信号50mv/d

第6章 数据分析及结果

6.1、数据分析

只有话筒输入时测量值Vi1=5mv，Vo1=41.5mv； Av11= 8.30；由图6-1 话音放大级两个信号相位差0度

仅从混合前置端输入Vi2=42mv，Vo2=124mv；|AV12|=2.95；由图6-2 混合放大级两个信号相位差180度

Vi1=5mv，Vo2=121mv；|AV13|=24.2；由图6-3 两级放大两个信号相位差180度 只有话筒输入标称值的理论值Vi1=5mv，Vo1=42.5mv；Vo2=127.5mV, Av1= 8.50； |AV12|=3.00。|Av13|=| Vo2/Vi1|=25.5

6.2、误差分析

由式（5-1）话放级增益误差η1=2.3％ 混放级增益误差η2=1.67％; 两级增益误差 η3=5.09％

误差产生的原因，外界电阻是标称值本身有误差，影响增益。带入实际值R12=73.5kΩ，R11=9.82kΩ，R22=29.3kΩ，R21=9.7kΩ得到的理论值Av1=8.48;Av2=3.02，在焊接前找到匹配的电阻，可以误差减小，输入信号小易受外界干扰，每次测试时把没接信号的输入端接地，接线尽可能少裸露，从这两方面可以减少误差。

第7章 设计总结与体会

话音放大器与混合前置放大器

调试的时候应该一级一级的进行。前两级为一般的同向反向放大器，调试相对简单。注意不要将电源接错，还有第一级同乡端接地的电阻要尽量大，才会得到较高的的输入阻抗。受增益带宽积得限制，每一级的的增益不能太大，否则波形容易产生失真。

如何消除干扰

电源地端，信号源以及CH1和CH2地端位置不恰当都会造成不同程度的干扰，要根据实际电路找出最佳的接线位置，使波形达到最好的效果。没接入信号的输入端要接低，因为输入的信号5mV较小，易受外界干扰。采用低频运放芯片辅助过虑去高频。

插电路板的导线不能有太多的导线部分裸露在外面，这样也会造成一定的干扰。

实验总结

这个实验总共有两级电路，比前面做的都要复杂，对各方面的要求都很大。最大的难点就是调试，不能一开始就整机调试，必须得一级一级，一步一步的调否则很容易出现问题，很难一次就调试成功。

在调试的过程中也碰到了很多问题，比如如何放置地线，如何防止失真，如何滤波等，碰到问题后，要联系模电知识分析，然后想各种办法来解决问题。在解决问题的同时，收获也特别多，对自己也有很大提高

心得体会

通过这次课程设计让我学到很多，也认识到很多。对没有做过课程设计的人来说，课程设计看似简单，当自己着手去做时，其实不然。

平常做电子实验也不在少数，但课程设计与在实验室做实验是两个截然不同的状况，其中后者是别人已设计好的思路，只需在做实验之前搞懂实验原理，再根据已编写的实验步骤一步一步做下来便可；而课程设计从一开端全靠自己去弄清自己需要干什么，该怎样去做。

由于自己第一次做课程设计，在确定自己应做的课题后，首先做的是大量搜索自己需要的资料。音响放大器，单从名义上来说，应是一个好有意思的制作，因为它的意义很现实。根据设计要求和设计材料，我们需设计的音响放大器在所有音响类别里，是一个比较简单的设计，它由话音放大器、混合前置放大器、音调控制器各功率放大器这四部分组成。为了简便，其中的功率放大器选用集成芯片LA4102。但通过一番对音响放大器的了解，即便现在设计的是一个比较简单的音放，但相比其它几个课程还是要复杂一些，但至始到终肯定了这个课程坚持到底。要写一个课程设计，首先就必需对它的理论作充分的了解。平常学习不扎实，甚至有时总觉得很多的东西学了没什么作用，至少现阶段没什么用，在做课程时就感觉自己学的东西甚少。

课程设计除了要熟练掌握音响放大器的理论知识，还要明确自己的设计模式。对于毫无设计经验的人而言，最先想到的自然是通过网络渠道，搜索别人的设计方案。设计方案本没有一个固定的模式，设计要求中列写一个大致纲要，如果一致与纲要完全相同，稍感没有新意，又想创新。如此是一个很多虑的想法，既消耗时间，又不能满足自己的想法，因为课程设计本有自己的要点，是一个纯粹的技术项目，不需要太多的外在修饰。

电脑是一个很好的工具，对于课程设计更是得力的工具。刚豉足干劲去做一个课程设计时，又碰一个非常头疼的问题，打字、排版不是什么问题，而我们所做的模拟电子技术的课程设计，需要大量的图片才能有力的说明原理，使之更加明确。平常在做实验时，用过EWB、PROTEL，只是走马观花式的看看，当需要用它们来做一些精确的分析，便无从下手了。

在这个过程中，强烈的发现课程设计一个非常烦索的事，不仅需要我们认真仔细，还要速度掌握规律，以便在最短的时间内用最简便的方法做自己想要做的事。另外做课程设计的同时一定要多与同学与老师进行交流，注重相互之间的合作与交流，在遇到问题时可在别人那获得处理事情的方法。所以就需要团结身边的人。

通过这次课程设计不仅可以巩固自己的基础知识，同时可以锻炼自己的处事能力，为以后积累的相当量的经验。

参考文献

1、胡宴如.模拟电子技术 (第二版).高等教育出版社 2006

2、康华光.电子技术基础--模拟部分（第四版）.高等教育出版社 1998

3、谢自美.电子线路设计.实验.测试(第二版).华中科技大学出版社 2000

4、郝鸿安.常用模拟集成电路手册.人民邮电出版社 1991