1.1音响系统放大器设计
一．设计任务与要求
1.1、设计任务及目的
设计一个具有话筒扩音，音调控制，音量控制，电子混响，卡拉OK伴唱等功能的音响放大器
⑴了解集成功率放大器内部电路工作原理；
⑵掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法；
⑶掌握用运放与功率管设计音频功率放大电路的方法；
（4）掌握运用电路仿真软件进行模拟电路辅助设计的方法；
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：
1.2、 设计音响放大器性能要求
二．方案设计与论证
设计思路
2.1 、了解工作原理
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。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。
2.2 确定整机电路的级数
电子混响器的作用：混合和延时混响，用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，是声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。
2.3根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益
总电压增益：1264（62dB）（由公式计算Vo=6.32v）
话筒输出电压一般为5mv左右话音放大级由于要求高保真，增益可以设置低，一般为5~10倍左右，混音放大器也要求失真度要小，放大倍数一般为10倍左右，功放的增益30倍左右。
2.4 选择合适的方案和芯片设计电路
芯片选择：
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。
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fL～fH＝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。
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1 LM324引脚图
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
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。
2.5分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算
三．单元电路设计与参数计算
3.1.话筒放大电路
话筒特点及功能
（1）信号小于5mv左右；
（2）输入阻抗小，输出阻抗大，噪声小
话音放大器：不失真的放大声音信号，为适应多种话筒，应采用高输入阻抗的集成运算放大器。并采用同相端输入。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。由于单电源供电容易出现不稳定问题，因此需要在电路外围增加辅助器件以提高稳定性。即R4，R6与R2组成了话放电路的偏置电路。其中的R4、R6组成1/2V+分压电路，通过R2对运放进行偏置。R4和R6组成偏置去耦分压电路，在单电源为15v或12v时偏置分压的两个电阻通常选用100千欧姆，这样可以在电源消耗与输入偏置电流误差之间进行合理的折中。R2为Vc/2的基准电压提供DC的返回通路，并且为AC输入提供了交流输入阻抗。C1，C3为耦合电容，阻止前后两级电路的信号干扰，消除自激作用。C9为旁路电容，提高AC电源的抑制。滑动变阻器：进行卡拉OK歌唱，可在话放输出端及录音机输出端接两个音量控制电位器，分别用来控制声音和音乐的音量。
根据前面论述，话筒放大器的增益分配为9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。
一个LM324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），但这里放大陪数不高，故能达到10kHz的频响要求
话筒放大器原理图
3.2.混合前置放大电路
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。采用反相比例加法电路。第一级为第二级提供输入信号Vo1=45mV，混合前置放大倍数为2.2，可以达到输出100mV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。C4去直流，其它电容为耦合作用。
混合前置放大器原理图
3.3音调放大电路
音调放大电路：人们在欣赏音乐时，总希望听到悦耳的声音，但由于爱好不同，有的人喜欢声音浑厚深沉，有的人则喜欢清脆嘹亮。这就要求对信号频率特性进行人为加工，使频率特性中某一段频率特性增加或降低达到某种效果，这就是音调控制，有称音质调节。通过人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果、或补偿扬声器系统及放音场所的音响不足。高低音音质调节，是在通频带的两端进行频率特性调节，例如100Hz左右、10kHz左右，并且要求在进行高低音调节时，中心频率（一般指1kHz）附近频率特性应保持基本不变，以保持音量。一个良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号（通常指1000赫）不发生明显的幅度变化，以保证音量大致不变。所谓提升或衰减高、低音，都是相对于中音而言的。先把中音作一个固定衰减（或加深负反馈）然后让高音或低音衰减小一些（或负反馈轻一些），就算是得到提升。因此，为了弥补音调控制电路的增益损失，常需增加一到两级放大电路。
音调控制电路大致可分为两大类：衰减式和负反馈式。衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但因中音电平要作很大衷减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变。所以噪声和失真大一些。负反馈式音调控制电路的噪声和失真较小，但调节范围受最大负反馈量的限制，所以实际的电路常和输入衷减联合使用，成为衰减负反馈混合式。
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。
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。
音调控制器只对低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。
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R14和R17是分别调节高音和低音的两个电位器，调节R14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。
音调放大器由低通滤波和高通滤波组成
低通滤波器：C10=C11》C12，在中低音频区，C12视为开路
高通滤波器：在中高音频区，C10，C11视为短路。
‘
音调控制电路
3.4.功率放大器
功率放大器的作用是给音响放大器的负载（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小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路（用单电源接法电容耦合输出）和正负双电源供电的OCL电路（双电源接法无电容耦合输出）；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。
TDA2030是一种性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率快，高瞬态互调失真小。TDA2030的另一特点是输出功率大，而保护性能比较完善。TDA2030输出功率能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。大功率集成电路由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使破坏，然而在TDA2030中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动的减流或者截止，使自己得到保护。TDA2030的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的引脚属于最少的一类，总共才五端，外形如同塑型大功率管，这就给使用带来方便。
功放条件：1，输出功率满足要求
2，效率高
3，非线性失真小
4，输入端与音调控制放大器匹配
5，输出端与音箱负载匹配，包括阻抗匹配，功率匹配，阻尼系数匹配
功率放大电路
四、总原理图及元器件清单
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音响系统放大器原理图
清单：
| 元件序号 | 型号、主要参数 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|
| R19, R20 | RESISTOR, 10kΩ | 2 | |
| R12, R13, R18 | RESISTOR, 47kΩ | 3 | |
| R40 | RESISTOR_RATED, 4 Ω | 1 | |
| C2, C6, C24, C25 | CAPACITOR_POL_RATED, 1uF | 4 | |
| C26 | CAPACITOR_RATED, 0.22uF | 1 | |
| R41 | RESISTOR_RATED, 220kΩ | 1 | |
| 0 | POWER_SOURCES, GROUND | 1 | |
| VEE | POWER_SOURCES, VEE | 1 | |
| VCC | POWER_SOURCES, VCC | 1 | |
| C27, C28 | CAPACITOR_RATED, 0.1uF | 2 | |
| R14, R17 | POTENTIOMETER, 470kΩ | 2 | |
| R5 | RESISTOR_RATED, 100kΩ | 1 | |
| R6, R11 | RESISTOR_RATED, 39kΩ | 2 | |
| R30, R42 | POTENTIOMETER, 10kΩ | 2 | |
| C13 | CAPACITOR, 4.7uF | 1 | |
| R1, R2, R3, R7, R10 | RESISTOR_RATED, 10kΩ | 5 | |
| R4 | RESISTOR_RATED, 200kΩ | 1 | |
| C9, C10 | CAPACITOR, 10nF | 2 | |
| C12 | CAPACITOR, 10uF | 1 | |
| R8, R9 | POTENTIOMETER_RATED, 10kΩ | 2 | |
| V3 | AC_VOLTAGE, 5mVpk 100 Hz 0° | 1 | |
| R39 | RESISTOR_RATED, 68 Ω | 1 | |
| R15 | RESISTOR, 13kΩ | 1 | |
| C11 | CAPACITOR, 510pF | 1 | |
| R38 | RESISTOR_RATED, 22kΩ | 1 | |
| C1, C7 | CAPACITOR_RATED, 10uF | 2 | |
| V1 | AC_VOLTAGE, 100mVpk 100 Hz 0° | 1 | |
| U2 | OPAMP, TDA2030 | 1 | |
| D6, D7 | DIODE, 1N4001 | 2 | |
| U1 | OPAMP, LM324AD | 1 | |
| C3, C4, C5, C8 | CAPACITOR_POL_RATED, 10uF | 4 | |
五、安装与调试
5.1.话筒放大器的参数确定
话放增益：Av1 = 1+R3/R1 = 9（19.1dB）
输出电压：Vo1 = 45mv
5.2.混合前置放大器的参数确定
混放增益：Av1 = -(（R11/R8）*Vo1+(R11/R7)*V1) = 2.2（7.0dB）
输出电压：Vo1 = 100mv
5.3.音调放大器的参数确定
通常先提出对低频区和高频区的提升量或者是衰减量x(dB)，再根据下式求得转折频率
所以，就有：
同样，可以求得：
取：
可以得到： 
从而得到：
5.4.功放的参数确定
①输出功率要大于额定功率：
所以，输出电压为：
得出：
电压的振幅为：
峰峰值为：
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<<C2，所以在低频时，C3开路，在高频时，C2短路
(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。
©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<<40Hz，若取4Hz，可得C2等于47uF。
(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。
把以上四种电路，用耦合电容总体方框图的连接起来，即组成了一个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
6.1.测量额定功率
功率放大器的输出端接额定负载电阻（扬声器），逐渐增大输入电压，直到输出电压的波形刚好不出现小波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压，利用公式可以计算出额定功率
6.2.输入灵敏度
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，测量方法是，使输入电压从零开始逐渐增大，直到输出电压达到额定功率值时所对应的电压值，此时对应的输入电压值即为输入灵敏度。
6.3.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。
6.4.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-f。
6.5.仿真结果
1，话放：
2，混放：
3，音放：
4，功放：
七、结论与心得
经过了一段时间的努力，终于把这个设计完成了。虽然有比较多的复杂运算过程，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，找了好几天的资料，看到网上那么多的东西，真的是有一点凌乱了，不知道哪种方法适合自己。后来多种方法对比之后，选择了现在自己设计的原理图。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。
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。因为画图过程中，音调级少画了一根线，导致该级调试不成功，经过细心查找后，最终还是找出了根源。最后整个电路也调试成功了，虽然效果不是很好，与自己的预期值有点小的差距但这是我自己动手做的，感觉收获还是很大的。
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！模电这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示。回头看看，不禁感慨众多，课程设计这么复杂，仅仅是一个音响放大器就涉及很多的电路知识。高科技生活离不开电子技术，是它让我们的身边这一切如此快捷方便，并且通过了这次模拟电子电路课程设计，我才了解到我们所学的知识只是原来是如此地贴近我们，它们就在我们身边，在我们身边或大或小的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。而如今，我才知道了这一切。这次课程设计是我深刻认识到学好一门知识很难，做好一件事也很难，我们要想做好一件设计，一个产品，都离不开我们所学习的知识，一次，经历这次课程设计我认为今后每个人都应该有更大动力学习本专业的知识，将我所学的知识来赋予实践。
八、参考文献
[1] 华成英:《模拟电子技术基础》[M]，北京高等教育出版社，2001。
[2]李继凯：《模拟电子技术及应用》，科学出版社
[3]http://wenku.baidu.com/view/76a40080d4d8d15abe234ea2.html?re=view
http://wenku.baidu.com/view/13fed718227916888486d72c.html
来源：oschina
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