1.2音響系統放大器

• ​​一 設計任務與要求​​

• ​​1.1 一般說明​​
• ​​1.2 設計任務​​

• ​​二 方案設計與論證​​

• ​​2.1 放大電路的比較與論證​​
• ​​2.2 音頻功率放大電路的比較與論證​​
• ​​2.3 核心元件的介紹​​

• ​​2.3.1 LM324的介紹​​
• ​​2.3.2 TDA2030的介紹​​

• ​​三 單元電路設計與參數計算​​

• ​​3.1 參數計算​​
• ​​3.2 單元電路設計​​

• ​​3.2.1話筒放大器​​
• ​​3.2.2 音調控制放大器​​

• ​​3.3 功率放大電路的設計​​

• ​​四 總原理圖及元器件清單​​

• ​​4.1 總原理圖​​
• ​​4.2 元件清單​​

• ​​五 安裝與調試（沒有進行安裝調試的這部分寫電路中參數的選擇與計算）​​

• ​​5.1 話筒放大器的參數确定​​
• ​​5.2 音調放大器的參數确定​​
• ​​5.3 功放參數選擇​​

• ​​六 性能測試與分析​​

• ​​6.1 靜态工作點測試​​
• ​​6.2 額定功率測試​​
• ​​6.3 音調控制特性測試​​
• ​​6.4 頻率特性測試​​
• ​​6.5 輸入阻抗​​
• ​​6.6 輸入靈敏度​​
• ​​6.7 整機效率​​
• ​​6.8 仿真結果​​

• ​​七 結論與心得​​
• ​​八 參考文獻​​

一 設計任務與要求

1.1 一般說明

音響系統中的放大器決定了整個音響系統放音的音質、信噪比、頻率響應以及音響輸出功率的大小。進階音響中的放大器通常分為前置放大器和功率放大及電源等兩大部分。

前置放大器又可分為信号前置放大器和主要前置放大器。信号前置放大器的作用是均衡輸入信号并改善其信噪比；主要前置放大器的功能是放大信号、控制并美化音質；功率放大器及電源部分的主要功能是提供整機電源及對前置放大器來的信号作功率放大以推動揚聲器。其組成框圖如圖所示：

1.2 設計任務

設計一個音響系統放大器。具體要求如下：

二 方案設計與論證

本設計由語音放大器、電子混響器、混合前置放大器、音調控制器及功率放大器五部分組成。此設計方案具有使用元件少，電路簡單明了等特點。

話筒放大器：由于話筒的輸出信号一般隻有5mV左右，是以話筒放大器的作用是不失真的放大聲音信号，其輸入阻抗應該遠大于話筒的輸出阻抗。

電子混響器：電子混響器是用電路模拟聲音的多次反射，産生混響效果，使聲音聽起來具有一定的深度感和空間立體感。

混合前置放大器：将錄音帶放音機輸出的音樂信号與電子混響後的聲音信号混合放大 。

音調控制放大器：音調控制放大器的作用是實作對低音和高音的提升和衰減，以彌補揚聲器等因素造成的頻率響應不足。

功率放大器：給音響放大器的負載提供一定的輸出功率。當負載一定時，希望輸出功率盡可能大，輸出信号的非線性失真度盡可能小，效率盡可能大。功率放大器有常見的單電源供電的TTL電路和正負雙電源供電的OCL電路。有內建運放和半導體組成的功率放大器，也有專用內建電路功率放大器晶片。

其工作原理如下：當語音信号由話筒輸出後，進入語音放大器放大并傳入電子混響器産生混響效果。混響後的信号連同錄音帶放音機産生的信号一同進入混合前置放大器，并進行放大。放大後的信号進入音調控制器，然後進入功率放大器進行功率放大後，由揚聲器輸出聲音[1]。

半導體放大器具有細膩動人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動态範圍等特點，是以本設計采用半導體件設計放大器。還可以配合來自聲源特别是數位聲源的音質而設計和使用。它不會使聲音降級。此外它還具有效率高，電力損失小等優點。

2.1 放大電路的比較與論證

方案一

采用uA741運算放大器設計電路，uA741通用高增益運算通用放大器，早些年最常用的運放之一，應用非常廣泛，為雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓±22V，差分電壓±30V，輸入電壓±18V，允許功耗500mW。

方案二

采用LM324通用四運算放大器，雙列直插8腳封裝，内部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放互相獨立。它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信号輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信号輸入端中Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信号與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信号與該輸入端的相位相同。

方案選取：

uA741是通用放大器，性能不是很好，滿足一般需求，而LM324四運放大器具有電源電壓範圍寬，靜态功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點。本設計放大倍數不高，LM324能達到頻響要求，故選用LM324四運放大器。

2.2 音頻功率放大電路的比較與論證

方案一

采用SL34內建功率放大器， SL34是低電壓內建音頻功放，功耗低、失真小，工作電壓為6V，8Ω負載時，輸出功率在300mW以上。主要用于收音機及其它功放。

方案二

LM386是一種音頻內建功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓範圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。LM386電源電壓4–12V，音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的，它的電源電壓範圍非常寬，最高可使用到15V，消耗靜态電流為4mA，當電源電壓為12V時，在8歐姆的負載情況下，可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。

方案三

TDA2030晶片所組成的功放電路，它是一款輸出功率大，最大功率到達35W左右， 靜态電流小，負載能力強，動态電流大既可帶動4-16Ω的揚聲器，電路簡潔，制作友善、性能可靠的高保真功放，并具有内部保護電路。

方案選取：

本課題要求音響放大器的輸出功率在10W，然而LM386達不到這功率，故選用TDA2030。頻率響應fL～fH＝50Hz～15kHz；而單電源供電音頻功率放大器已經達到所需要的目标。并且它較少元件組成單聲道音頻放大電路、裝置調整友善、性能名額好等特點。而BTL電路雖然也有以上的功能，但制作複雜，不利于維修。

2.3 核心元件的介紹

2.3.1 LM324的介紹

LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的标準運算放大器相比，它們有一些顯著優點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜态電流為MC1741的靜态電流的五分之一。共模輸入範圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。

每一組運算放大器可用右下角的圖所示的符号來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信号輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信号輸入端中， Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信号與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信号與該輸入端的相位相同。

LM324的特點:

• 1．短跑保護輸出
• 2．真差動輸入級
• 3．可單電源工作：3V-32V
• 4．低偏置電流：最大100nA
• 5．每封裝含四個運算放大器。
• 6．具有内部補償的功能。
• 7．共模範圍擴充到負電源
• 8．行業标準的引腳排列
• 9． 輸入端具有靜電保護功能

2.3.2 TDA2030的介紹

TDA2030A是德律風根生産的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑膠封裝結構。如圖2所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該內建電路廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響裝置，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有内部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類産品生産，雖然其内部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。

電路特點：

• 1.外接元件非常少。
• 2.輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。
• 3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。
• 4.開機沖擊極小。
• 5.内含各種保護電路，是以工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載洩放電壓反沖等。
• 6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Ω阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD≤0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不過了。



• 圖2 TDA2030A引腳圖

1腳：正相輸入端

2腳：反向輸入端

3腳：負電源輸入端

4腳：功率輸出端

5腳：正電源輸入端

三 單元電路設計與參數計算

3.1 參數計算

（取63dB為留有一定的餘量）

因為調諧器輸入端≤100mV，

是以話筒放大器的放大倍數為：​

​100/5=20=26dB​

​

是以功率放大器的電壓增益為：​

​63dB-26dB=37dB​

​

根據一般資料，選取均衡放大器的放大倍數為​

​30dB​

​

3.2 單元電路設計

3.2.1話筒放大器

根據技術名額的要求，已知話筒放大器的輸入靈敏度5mV，音調控制放大器的輸入靈敏度100mV，而輸出功率P。＝10W，則可确定總的增益和各放大器的增益。

由于話筒的輸出信号一般隻有5mV左右，而輸出阻抗達到20kΩ(亦有低輸出阻抗的話筒如20Ω，200Ω等)，是以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信号(最高頻率達到10kHz)。其輸入阻抗應遠大于話筒的輸出阻抗。

其中U1A組成同相放大器，具有很高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話音放大器電路，其放大倍數U1A為四運放LM324的頻帶雖然很窄（增益為1時，帶寬為1MHz），但這裡放大倍數不高，故能達到10kHz的頻響要求。

而混合前置放大器的作用是将錄音帶放音機輸出音樂與電子混響後的聲音信号混合放大。其電路如圖 4所示，這是一個反相加法器電路，輸出與輸入電壓的關系為

式中 V1為話筒放大器輸出電壓，V2為放音機的輸出電壓。

在語放輸入端和錄音輸入端接2個音量控制電位 器R23和R10，分别控制聲音和音量。

3.2.2 音調控制放大器

音調控制放大器的作用是實作對低音和高音的提升和衰減，以彌補揚聲器等因素造成的頻率響應不足。技術名額通常為：低音(100Hz)±12dB，高音(10kHz)±12dB。目前的進階音響裝置大多已采用“多頻段頻率均衡”電路來達到更好地校正頻響效果。音調控制放大器一般取它的中頻增益為1，但要能滿足音調的調節範圍。根據對低頻區fLx處和高頻區fHx處的提升量或衰減量x(dB)，再根據下式求轉折頻率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即

常用的音調控制電路有衰減式音調控制電路和回報式音調控制電路兩類，由于後者失真較小，是以應用較廣。本系統采用回報式音調控制電路如圖6所示。

音調控制器隻對低音和高音的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持0dB不變。是以，音調控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成。由運算放大器構成的音調控制器，圖6所示。這種電路調節方面，元器件較少，在一般收音機，音響放大器中應用較多。

具體分析：當f<f0時，[外鍊圖檔轉存失敗,源站可能有防盜鍊機制,建議将圖檔儲存下來直接上傳(img-80VjTz2Y-1592989785325)(F:\學習筆記\模電學習筆記\模拟電子技術課堂設計\1.2音響系統放大器.assets\wps58.png)]可視為開路，作為低通濾波器。當R17的滑臂在最左端時，對應于低頻提升最大的情況；

當R17滑臂在最右端時，對應于低頻衰減最大的情況。電路是一個一階有源低通濾波器。

其增益函數的表達式為：

R16的滑臂在最右端時，對應于高頻衰減最大的情況。電路為一階有源高通濾波器。

其增益函數的表達式為：

3.3 功率放大電路的設計

功率放大器，簡稱“功放”。很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統的任務，這時就要在主機和播放裝置之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統中起到了“組織、協調”的樞紐作用，在某種程度上主宰着整個系統能否提供良好的音質輸出。當負載一定時，希望其輸出的功率盡可能大，其輸出信号的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高，功放的常見電路有OTL(Output Transformerless)電路和OCL(Output Capacitorless)電路。有用內建運算放大器和半導體組成的功放，也有專用內建電路功放。

TDA2030A是SGS公司生産的單聲道功放IC，該IC體積小巧，輸出功率大，最大功率到達40W左右；并具有靜态電流小（50mA以下），動态電流大（能承受3.5A的電流）；負載能力強，既可帶動4-16Ω的揚聲器，某些場合又可帶動2Ω甚至1.6Ω的低阻負載；音色中規中舉，無明顯個性，特别适合制作輸出功率中等的高保真功放等諸多優點。

圖7 功率放大電路

R18是音量調節電位器，C13是輸入耦合電容，R19是TDA2030同相輸入端偏置電阻。

R21、R22決定了該電路交流負回報的強弱及閉環增益。圖7的電路閉環增益為（R21+R22）/R21=(0.68+22)/0.68=33.3倍，C15起隔直流的作用，以使電路直流為100%負回報。靜态工作點穩定性好。

C16、C17為電源高頻旁路電容，防止電路産生自激振蕩。

D1、D2是保護二極管，防止輸出電壓峰值損壞內建塊TDA2030。

四 總原理圖及元器件清單

4.1 總原理圖

4.2 元件清單

元件序号	型号、主要參數	數量	備注
R1, R5, R7, R8,R24,R25	RESISTOR_RATED, 10kOhm	4
POWER_SOURCES, GROUND
C3	CAPACITOR_RATED, 10uF	1
R2, R4, R11	RESISTOR_RATED, 100kOhm	3
R3, R20	RESISTOR_RATED, 1kOhm	2
C2, C4, C5, C6，C8, C12	CAPACITOR_POL_RATED, 10uF	6
Rf	RESISTOR_RATED, 200kOhm	1
R6, R9	RESISTOR_RATED, 30kOhm	2
VCC	POWER_SOURCES, VCC	1
C1, C7, C13	CAPACITOR_POL_RATED, 1uF	3
V1	AC_VOLTAGE, 5mVpk 1kHz 0_uc100b0	1
V2	AC_VOLTAGE, 200mVpk 1kHz 0_uc100b0	1
R12, R13, R14	RESISTOR_RATED, 47kOhm	3
R15	RESISTOR_RATED, 13kOhm	1
C9, C10	CAPACITOR_RATED, 0.01uF	2
C11	APACITOR_RATED, 470pF	1
R16, R17	POTENTIOMETER, 470kOhm	2
R10, R18, R23	POTENTIOMETER, 10kOhm	3
D1, D2	DIODES_VIRTUAL, DIODE	2
R19, R21	RESISTOR_RATED, 22kOhm	2
C14	CAPACITOR_RATED, 0.22uF	1
C16, C17	CAPACITOR_RATED, 0.1uF	2
C15	CAPACITOR_POL_RATED, 22uF	1
VEE	POWER_SOURCES, VEE	1
R22	RESISTOR_RATED, 680 Ohm	1
U1, U2, U3	OPAMP, LM324AD	3
U4	OPAMP, TDA2030	1

五 安裝與調試（沒有進行安裝調試的這部分寫電路中參數的選擇與計算）

5.1 話筒放大器的參數确定

5.2 音調放大器的參數确定

5.3 功放參數選擇

①輸出功率要大于額定功率：

是以電源電壓要大于22V，取25～30V。

②功率放大器的增益及頻率特性：

(a)選取R22 R22的取值範圍一般在幾十歐至幾千歐均可，本例選取R22＝680Ω。

(b)确定R21 根據前述可知，功率放大器的中頻增益應大于37dB，為留有一定餘量，可取40dB，即l00倍，可求得R21=680kΩ。

©确定C15 因為TDA2030晶片的下限頻率為40Hz，是以由R22、C15形成的低頻轉折頻率應<<40Hz，若取4Hz，可得C15等于47uF。

(d)選取R21 已知R20=68千歐，是以R20=R21/4=17KΩ。

(e)确定C16為本任務的上限頻率為15kHz,故本網絡形成頻率應大于15kHz，取20kHz得C16等于0.1uF。

(f)确定R14 可取C14=0.22uF

把以上三種電路，用耦合電容總體方框圖的連接配接起來，即組成了一個如圖8所示的完整的音響系統放大裝置。

其工作原理如下：當語音信号由話筒輸出後，進入語音放大器放大并傳入電子混響器産生混響效果。混響後的信号連同錄音帶放音機産生的信号一同進入混合前置放大器，并進行放大。放大後的信号進入音調控制器，然後進入功率放大器進行功率放大後，由揚聲器輸出聲音。

六 性能測試與分析

6.1 靜态工作點測試

接上電源(次級為12伏)，不帶負載情況下接通電源，測試濾波電容兩端輸出電壓應為14v左右。若出現異常應該立即斷電。

6.2 額定功率測試

式中，RL為額定負載阻抗；Vo（有效值）為RL兩端的最大不失真電壓。

測量Po的條件如下：

音響放大器輸入信号的頻率fi=1kHz，電壓Vi=5mV，接到音頻放大器的聲道輸入端。音調控制器的兩個電位器RP1、RP2置于中間位置，音量控制電位器置于最大值，用雙蹤示波器觀測vi及vo的波形，失真度測量儀監測vo的波形失真。功率輸出端接上示波器、毫伏表 。

圖9 測試的接法

測量Po的步驟是：

功率放大器的輸出端接4Ω負載(代替揚聲器)，逐漸增大輸入電壓Vi，直到vo的波形剛好不出現削波失真(或<3%)，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓，即可算出額定功率Po。 調節音量電位器，使輸出信号失真度THD=1%時，測出功率放大器的輸出電壓Vo的值，由公式P=Vo^2/4計算放大器的最大輸出功率。

6.3 音調控制特性測試

測試步驟：首先把混合前置放大器與音調控制電路斷開，獨立測試音調控制特性，用函數信号發生器發出信号，通過改變信号的輸出頻率模仿高低頻信号，輸入信号vi從音調控制級輸入端的耦合電容加入，輸出信号v0從輸出端的耦合電容引出。先測1kHz處的電壓增益Av0(Av0=0dB)，再分别測低頻特性和高頻特性。

測低頻特性是将R17的滑臂分别置于最左端和最右端，頻率從20Hz至1kHz變化，記下對應的電壓增益。

同樣，測高頻特性是将R16的滑臂分别置于最左端和最右端，頻率從1kHz至50kHz變化，記下對應的電壓增益。

6.4 頻率特性測試

放大器的電壓增益對于中音頻f0(1kHz)的電壓增益下降3dB時所對應的低音頻率fL和高音頻率fH稱為放大器的頻率響應。

測量條件：調節電位器使輸出電壓約為最大輸出電壓的50%。

測量步驟：話筒放大器的輸入端接Ui=5mV，輸出端接音調控制器，使信号發生器的輸出頻率fi從125Hz-20kHz變化（保持Ui=5 mV不變），測出負載電阻RL上對應的輸出電壓U0，找出上下限頻率fL和fH，求出通頻帶BW=FH-fL。

6.5 輸入阻抗

從音響放大器輸入端（如話筒放大器輸入端）看進去的阻抗稱為輸入阻抗Ri。如果接高阻的話筒，Ri應遠大于20k。接電唱機，Ri應遠大于500k。Ri的測量方法與放大器的輸入阻抗測量方法相同。

6.6 輸入靈敏度

使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓（有效值）稱為輸入靈敏度。測量條件與額定功率的測量相同，測量方法是，使Ui從零開始逐漸增大直到U0達到額定功率值時對應的電壓值，此時對應的Ui值即為輸入靈敏度。

6.7 整機效率

​

​hη=（P0/Pc）×100%​

​

P0——輸出的額定功率； Pc——輸出額定功率時所消耗電源功率。

6.8 仿真結果

(1)話音放大器輸出波形

(2)音調控制電路輸出波形頻率為100HZ，R17的滑臂在最左端時，對應低頻信号衰減最大：

頻率為100HZ，R17的滑臂在最右端時，對應低頻信号提升最大：

頻率為10kHZ，R16的滑臂在最左端時，對應高頻信号衰減最大：

頻率為10kHZ，R16的滑臂在最右端時，對應高頻信号提升最大：

（3）功率放大器輸出波形

​ （4）失真儀：

七 結論與心得

八 參考文獻

• [1] 李繼凱:《模拟電子技術及應用》，科學出版社，2013
• [2]http://www.docin.com/p-251107581.html?qq-pf-to=pcqq.c2c
• [3]http://wenku.baidu.com/link?url=vSR3pZVzDsBkKAXP4TGuCrTkncHC2q9FW6XcUFdnyH08YmCMMHBqOGwg8_tI5qPDGI0oKebtGzvTCF-cug9_4tQu9_wXU4EO-XiytajWie
• [4]http://www.doc88.com/p-493544362085.html
• [5]http://www.geekfans.com/article-4073-1.html