语音放大器的设计.doc

1、语音放大器的设计语音放大器的设计一、 实验目的（1） 掌握分立或集成运算放大器的工作原理及其应用。（2） 掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。（3） 了解语音识别知识。（4） 通过实验培养学生的市场素质，工艺素质，自主学习的能力，分析问题解决问题的能力以及团队精神。（5） 通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验，掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。二、 设计任务与要求（一） 设计任务1）已知条件：语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成。带通滤波器功率放大器前置放大器输入电路(麦克风)扬声器语音放大电路原

2、理框图2）性能指标：a) 前置放大器： 输入信号：Uid 10 mV 输入阻抗：Ri 100 kW。b) 有源带通滤波器：频率范围：300 Hz 3 kHz 增益：Au = 1c) 功率放大器：最大不失真输出功率：Pomax5W 负载阻抗：RL= 8 W 电源电压：+ 5 V，+ 12V，- 12Vd) 输出功率连续可调 直流输出电压 50 mV 静态电源电流 100 mA（二） 要求1） 选取单元电路及元件根据设计要求和已知条件，确定前置放大电路、有源带通滤波电路、功率放大电路的方案，计算和选取单元电路的原件参数。2） 前置放大电路的组装与调试测量前置放大电路的差模电压增益AU、共模电压增益

3、AUc、共模抑制比KCMR、带宽BW、输入电压Ri等各项技术指标，并与设计要求值进行比较。3） 有源带通滤波器电路的组装与调试测量有缘带通滤波器电路的差模电压增益AUd、带通BW，并与设计要求进行比较。4） 功率放大电路的组装与调试测量功率放大电路的最大不失真输出功率Po,max、电源供给功率PDC、输出效率、直流输出电压、静态电源电流等技术指标。5） 整体电路的联调与试听6） 应用Multisim软件对电路进行仿真分析三、 总电路框图及总原理图（一） 实验总体电路图麦克前置放大电路RC有缘滤波器功率放大电路喇叭（二） 各部分电路1） 前置放大电路前置放大电路由2个同向放大电路组成，如上图所示

4、。该电路具有输入阻抗高，电压增益容易调节，输出不包含共模信号等优点。本电路主要起放大电压幅度的作用。2） 带通滤波电路宽带通滤波器，在满足LPF的通带截止频率高于HPF的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来可以实现Butterworth通带响应。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用于测量信号噪声比的音频带通滤波器。3） 功率放大电路功率放大电路主要起放大电流的作用。其中TDA2030为集成功放器件，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。四、 设计思路依照原理框图，输入端可采用麦克风和音频线路输入两种形式，声音通过麦克风（或

5、音频线路）输入前置放大电路，进行一次放大后输入二阶有源带通滤波电路，对通频带（300Hz3000Hz）以外的信号进行滤波，以消除杂音，最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路，进行功率放大后将声音通过扬声器输出。五、 单元电路设计与参数计算（一） 前置放大电路前置放大电路采用集成运放LM324构成两级放大电路。为增强对输入信号的保持性，故两级放大电路均采用同相放大电路组态。放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的笔直来调节，即。放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放

6、大电路。输入信号：，输入阻抗：。实验中，实际设计放大倍数1000倍，可通过电位器调节。通过计算得元件参数如下：R1=110k，R2=100k，R3=1M，R4=100，R5=10k（滑变），R6=100（二） RC二阶有源带通滤波电路在滤波电路设计时采用LM324设计了具有Butterworth特性的二阶有源带通滤波器。在满足LPF的通带截止频率高于HLP的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来，可以实现Butterworth通带响应。用该方法构成的滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整。本实验设计带宽2.7kHz（300Hz3000Hz），理论上能够抑制低于

7、300Hz和高于3000Hz的信号。实际与前级放大电路使用同一个LM324的其余两个运放。通过计算得元件参数如下：R7=8.2k（滑变），R8=8.2k（滑变），R9=20k，R11=3.5k（滑变），R12=3.5k（滑变），R13=20k，C1=100nF，C2=100nF，C3=10nF，C4=10nF，（三） 功率放大电路功率放大的主要作用是向负载提供所需的功率，在信号不失真的前提下，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高。我们在设计时采用了TDA2030作为功率放大芯片。TDA2030是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。它的电气性能稳定、可靠

8、、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会 损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。（1） TDA2030主要参数：参数名称符号单位参数最小典型最大测试条件电源电压VccV+、- 6+- 18静态电流IccmA4060Vcc=+-18,RL=4欧输出功率PoW1214RL=4,THD=0.5%W89RL=8,THD=0.5%频响BWHz10140kPo=12w,RL=4,输入阻抗RiM0.55开环，f=1kHz谐波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W,RL=4（2） 电路特点：a) 外接元件非常少。b) 输出功率

9、大，Po=18W(RL=4)。c) 采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。 d) 开机冲击极小。e) 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。f) TDA2030A能在最低6V最高22V的电压下工作在19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD0.1%。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。（3） 引脚情况：1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端。（4） 注意事项：a) TDA2030具有负载泄放电压反冲保护

10、电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。b) 热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。c) 与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。d) 印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。e) 装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260，12秒。f) 虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必

11、须是品质有保障的元件。（5） 元件参数的确定：a) 同轴双联电位器用作左右声道的同步调节，可选47K，这里我们用的是高质量电位器只有10K的，也符合要求。b) 高频退偶电容一般去100nF。c) 耦合电容一般选用110F25V，这里用22uF也符合要求。d) 消振移相电路由该集成块的数据手册可知，电容选用100nF。e) 关于散热片的大小：由此功放的转换效率，可得功放块的热功率为4.5W，故查TDA2030数据手册，得散热片的规格应不小于40mm30mm15mm六、 安装与调试安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有5个引脚，看准后，可直接焊在电路板上。按照布局图把元件逐一焊接在电路板上

12、，对于电解电容等有极性的器件要用仪器判断好后再焊接。每一级元件全部焊接完成后，再仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。最好是焊完一级测试一级，这样如果出现问题比较容易查出来并改正。在分级测试完成后，我们便把各级连接起来测试，但是并没有得到想要的结果。如果用信号源代替话筒，喇叭可输出放大后的声音，并且声音随信号源的频率变化而变化。但是，一接上话筒，就什么声音都没有，所以我们一致认为话筒不符合要求，于是在更换之后，得到了想要的结果。（1） 前置放大器的电压增益：测试条件：输入100mV，1kHz的正弦交流信号（2） 带通滤波器的通带宽度：测试条件：先输入2.0V，1kHz的正弦交流信号，

13、再调节信号频率，找到上下截止频率（3） 功率放大器最大不失真输出功率的测量测试条件：输入1kHz的正弦信号（4） 功率放大器直流输出电压和静态电流的测量测试条件：输入对地短路，测量直流输出电压。将万用表调至电流档，量程为100mA，并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电流。2性能测试及分析（1） 前置放大器：（输入信号为100mV，1kHz的正弦交流信号）增益：（2） 带通滤波器：增益：（输入信号为2.0V，1kHz的正弦交流信号） （输入信号为2.0V，300Hz的正弦交流信号） （输入信号为2.0V，3kHz的正弦交流信号）通频带：BW=fH-fL=3000Hz-300Hz

14、=2.7kHz（3） 功率放大器最大不失真输出功率的测量6.5W（4） 功率放大器直流输出电压和静态电流的测量测得功率放大器静态工作电流为：798mA该语音放大器可将声音很好地放大并播放出来，各项指标均达到了设计要求。七，设计过程体会与创新点，建议梁嘉俊：通过这次模电实验课，在陆老师的带领下，我们再接再厉，完成了一个个实验，学到了课本上没有的很多知识通过这次实际动手实践大大增强了我实际操作能力也让我对模拟电子技术这门课中的很多知识加深了理解。同时也培养了我发现问题，解决问题的能力。在焊的过程中我们的创新点主要在我们使用杜邦线将LM324上的运算放大器接入电路，这样避免焊接错误且修改方便。LM3

15、24我们使用了底座，这样如果LM324烧毁的话，可以很容易换。并且我们将各个功能模块分开焊接然后再将各个模块用杜邦线连接起来。这样方便检测错误并修改电路。为了完成语音放大器的设计和制作，我们三个人积极行动，明确分工 从自学，然后设计到制作、调试，到最后通过扬声器能听到自己的声音，我们感触颇深。在其中，我们失败的次数远比我们成功的次数多。 在这次试验中，我担任着焊工，调试的角色。 首先，我们设计 12V直流稳压电源，在我们设计完成并成功焊接成功后，在老师检查后，发现我们的纹波电压很高，已经达到1V了，于是，我们又重新设计并焊接，最终达到合格。 然后接下来进行了放大电路的设计，起先，我们根据模拟软

16、件现有的运放，使用了TDA2030，然后我们进行了模拟和仿真，并进行了电路的连接，但是当我们焊完电路板后发现，这个运放放大的倍数太大了，即使我们使反馈电阻减少很多，但是我们的扬声器还是不能“胜任”，于是我们当机立断的放弃了这个方案，使用了TDA2003，以很快的速度，我们进行了模拟和仿真，并且进行了电路的焊接。 但是，当我们焊接完后，我们遇到了很多困难，首先，我们的电路存在着自激，于是，我们对直流稳压电路进行了改进，至此，我们已经对直流电源进行了三次改进，通过此次，我们消除了自激。然后，我们发现，在放大器的输入端有高频的噪音，于是，在经过计算后，我们添加了一个0.33uF的电容来滤波，然后在功

17、放电路的输入端，我们同样发现了这个问题，于是，经过计算，我们使用了一个0.1uF的电容进行了滤波，就这样，我们克服了一个又一个困难，最后终于成功的能进行音频的放大（使用MP3作为信号源），然后，我们开始加入话筒，刚开始，我们曾经想使用动圈式话筒，因为其不需要偏置电压，但是，我们在购买过程中发现，驻极体的更便宜，于是，本着节俭的原则，我们使用了驻极体话筒，在加入偏置电阻后，我们发现竟然也有噪音（不知道为什么，我们的噪音很多），于是，我们又并了一个电容进行滤波，最后，我们终于实验成功，可以使用话筒讲话了，虽然经过很多次滤波之后，声音已经很小了，但是音质还是可以的。 最后，我们觉得自己的电路板不是很

18、美观，而且距离交板子还有一段时间，于是，我们重新买了器材，将所有电路焊到了一个板子上，经过调试，我们达到了基本满意的效果，至此，我们的语音放大器实物部分完毕。 最后，经过我们三个人的合作和努力，我们体验到了一点点，只是一点点的喜悦，毕竟这是我们在这个专业领域做的第一个比较“专业”作品，感谢老师这几次课的耐心的教导，祝老师和我们以后都能这个专业领域有很大成就。 刘启鹏：接到这个题目的时候，说实话，我们组感觉难度颇大。由于只是在大一的时候完全按照图焊过一个万用表，没有任何创造性的成分，这次却要从查阅资料、设计、计算、仿真一直到焊制、调试、修改、再焊制，再调试面对这样一个具有很强实践性的问题，第一感

19、觉就是无从下手。但有一句古话叫：“明知山有虎，偏向虎山行。”我们决定一次性地完成直流稳压电源和语音放大器的设计和仿真。我们从图书馆和网上查阅了一些资料，再加上其他同学的资料，我们先大致地将电路划分为直流稳压电源，前置放大电路，滤波器，功率放大器四个部分，然后分别细化地进行计算，前三个的电路很快就确定了，就是功率放大器比较困难，我们决定先用TDA2030。由于我在电脑软件的应用方面比较熟练，所以我自告奋勇地担负起了仿真的任务。我也是分步仿真，仿真完一部分，进行一次测试，以对理论计算进行验证。直流稳压电源和前置放大电路的验证很简单。改变输入信号的频率，经过滤波器后的信号会发生变化。在300HZ和3

20、000HZ都分别达到了在1500HZ处电压数值的0.7倍。基本完成了滤波器的作用。当听见multisim 里的那个小的buzzer（蜂鸣器）发出的滋滋声，仿真过程就基本完成了。接下来的焊制部分主要是由杨成敏同学完成的。后来发现TDA2030不好用，我们决定用TDA2003，而元件库中并没有TDA2003，只好在没有仿真的情况下直接用，很幸运地是我们成功了。 在这次实践中，我清晰地感受到了理论知识是有用的，它们不仅仅是躺在书本上的，是可以通过我们的手变成实物的。总的来说，就是通过计算加深了对理论的理解，通过焊制和仿真增强了动手能力，通过不断地失败和尝试锻炼了我们的意志品质。最后，面对着伴着些许杂

21、音的被放大的音乐，我感觉一切努力都值得了。 巫受靖：摆弄电路板对于我们这些从小生活在温床里的独身子女来说，确实非常困难而且枯燥。第一次接触电路板是在我转专业到通信的大二上学期，怀着好奇心我很愉快的完成了第一堂课的学习，完全就是照着电路图麻木地焊完了一个完整的万用表，对于其中的原理和中间的调试工程都是一知半解的。而现在要我们从设计开始，独立完成语音放大器的制作，不能不说是难度巨大。 在前三次模电实验中，在陆老师谆谆教导下，我们掌握了一些基本简单的电路设计，对电路的基本实验功能，对集成运放的连接和使用，对信号发生器和示波器都有了一个比较熟练的操作体验，这些都为我们完成语音放大器的制作打下了坚实的基

22、础。 我们小组三个分工明确，在任务中各有定位和侧重，我主要负责实验报告的撰写以及对焊接电路板的检查。我们首先对实验教材进行了系统的学习和理解，然后开始查找资料进行电路图的设计，从直流稳压电源、前置放大电路、有源带通滤波器到功率放大电路，我们一步一个脚印的对电路进行不断地完善的改进，待对我们的电路实验基本功能取得一致意见满意后，开始由梁嘉俊同学进行电路的仿真。而在这一过程中，我继续着资料的整理和汇总。通过Multisim的仿真，我们的电路在不断改进中日趋完善。然后主要由刘启鹏同学进行焊接，我们急于求成，于是从一开始就决定将直流稳压电源与语音放大器一起焊接完成，焊接过程也进行得非常顺利。当时，当我

23、们第一次对直流稳压电源进行测量时，却失败了，只有+12V，负端没有任何示数，然后我仔细研究了焊接电路连接，结果发现在焊接的过程中误认为7812和7912的管脚接法一致，其实是有区别的，顺序不一样。错误排除了，接受了陆老师的第一次检验，发现纹波电压过高，在负端达到了IV，结果很不理想啊。八、仿真报告（1）前置放大电路仿真滑动变阻为10k*75%=7.5k 输入信号10mV 由示波器示数可知放大倍数Au=730理论值：Au=A1*A2 =750； A1=10 A2=75（2）二阶有源滤波电路仿真输入Vp-p=1V频率1.7kHzAu=0.86输入Vp-p=1V频率300HzAu=0.7000.70

24、7输入Vp-p=1V频率3kHzAu=0.6910.7（3）功率放大电路仿真功率放大电路放大倍数：Au=10.9611九、心得体会十、元件清单LM3241个TDA20301个电阻：1002个 1k1个 20k3个 110k1个 100k1个 1M1个电位器：10k6个电容：10nF2个 100nF4个 22uF2个 220uF2个喇叭：8W1个麦克风1个管脚座1个导线及杜邦线若干参考文献：1. 路勇.模拟集成电路基础M.北京：中国铁道出版社，2010.82. 侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计M.北京：高等教育出版社，2007.103. 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.5第四版4. 杨欣，王玉凤，刘湘黔.电子设计从零开始M.北京：清华大学出版社，20055. 孟涛.电工电子EDA实践教程M.北京：机械工业出版社，201018