音响放大器模电课程设计

模拟电子技术课程设计说明书

音响放大器设计

院 、 部： 电气与信息工程学院

指导教师： 职称 讲师

专 班

摘 要

该设计介绍了音响的构成、功能、及工作原理，它主要由LM386芯片所组成的功放电路，LM324四运算放大器为前置放大和音调放大构成，本身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。而LM386一款输出功率适当，最大功率5W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。本设计的功能是将输入音频信号进行放大，是一种可普遍用于家庭音响系统、立体声唱机等电子系统中，便于携带，适用性强。

关键词：LM386 功率放大器 输出功率 LM324 放大倍数

Abstract

This article describes the sound of the composition, function, and principle, which is mainly formed by the LM386 chip power amplifier circuit, LM324 quad op amp as the preamp and tone to enlarge constitute itself with supply voltage range, the static power consumption can be a single power use and low cost advantages. The LM386 ,a low output power, its maximum power reaches 5W or so, the static current, load capacity, dynamic current can drive large 4-16Ωspeaker, circuit simplicity, making convenient and reliable high-fidelity power amplifier, and an internal protection circuit. This design feature is the input audio signal amplifier, It is generally available for home audio systems,

stereo player and other electronic system, portable applicability.

Key words : LM386 OTL Output power

LM324 Magnification

目 录

1 概述……………………………………………………………………………… 1 1.1音响的介绍及音响的历史 ………………………………………………… 1 1.2音响的作用和意义 ………………………………………………………… 2 1.3名词解释 …………………………………………………………………… 2 2 设计课题说明及要求…………………………………………………………… 4 2.1设计目的…………………………………………………………………… 4 2.2设计要求和技术指标……………………………………………………… 4 3 电路设计方案比较与论证…………………………………………………………5 3.1放大电路比较与论证……………………………………………………… 5 3.2音频功率放大电路的比较与论证………………………………………… 5 4 核心元器件介绍 …………………………………………………………………6 4.1LM324的介绍……………………………………………………………… 6 4.2 LM386的介绍……………………………………………………………… 8 5电路的整体结构…………………………………………………………………… 9 5.1电路结构………………………………………………………………………9 5.1.1基本框图……………………………………………………………… 9 5.1.2音响放大器各级增益分配图………………………………………… 9 5.2语音放大器与混合前置放大器的设计……………………………………… 9 5.3音调控制器与功率放大器的设计 ………………………………………… 11 5.3.1音调控制器的设计…………………………………………………… 11 5.3.2功率放大器…………………………………………………………… 15 5.4音响放大器主要技术指标及测试方法…………………………………… 16 致谢与心得 …………………………………………………………………………18 参考文献 ……………………………………………………………………………19 附录A：电路原理图…………………………………………………………………20 附录B：PCB图……………………………………………………………………… 21 附录C：元器件列表 ……………………………………………………………… 22 附录D：实物图…………………………………………………………………… 22

1 概述

1.1 音响的介绍及音响的历史

音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。通过音响放大器设计，使我们认识到一个简单的模拟电路系统，应当包括信号源、输入级、中间级、和执行机构。信号源的作用是提供待放大的电信号，如果信号是非电量，还须把非电量转换为电信号，输出级然后进入输入级，中间级进行电流或电压放大，再进入输出级进行功率放大，最后去推动执行机构做某项工作。

经过改革开放30年来的高速发展，我国电子音响行业取得了长足的发展，从单一的收音机到现在CD、VCD、DVD、多媒体音响、GPS、车载多媒体终端等百花齐放，涌现出了一批优秀企业。即便是在经历了自然灾害、人民币升值、原材料大幅涨价等不利因素，我们仍有一大批企业以加强自主创新、优化产品结构、开拓新市场、加强经营管理为手段，面对困难，保持了较高的发展速度。 1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低。上世纪50年代，电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

上世纪60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。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。

上世纪60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

上世纪70年代中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色以及动态范围达90dB、THD＜0.01％（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。

1.2 音响的作用意义

细心观察我的身边，现在音响可以说是无处不在，做为一个现代人，我们已经离不开音响。它的出现与使用，丰富了我们的生活，而在实际生活中，它更是不可取代。娱乐、工作、学习 生活的方方面面都有它的身影。音响将我们的生活带入了一个全新的世界。

音响放大器是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。满足家庭需要，因为社会压力大，所以家里需要更能释放压力，怡情养性的Hi-Fi器材。特别在中国，因为消费力的提高，在Hi-Fi上的投资会有一个较长的增长期。而且中国人房子不大，车子少，旅游也不多，所以Hi-Fi和家庭影院会是一种很好的娱乐方式。

1.3 名词解释

音响系统整体技术指标性能的优劣，取决于每一个单元自身性能的好坏，如果系统中的每一个单元的技术指标都较高，那么系统整体的技术指标则很好。其技术指标主要有六项：频率响应、信噪比、动态范围、失真度、瞬态响应、立体声分离度、立体声平衡度。

1.3.1 频率响应：所谓频率响应是指音响设备重放时的频率范围以及声波的

幅度随频率的变化关系。一般检测此项指标以1000Hz的频率幅度为参考，并用对数以分贝(dB)为单位表示频率的幅度。音响系统的总体频率响应理论上要求为20~20000Hz。在实际使用中由于电路结构、元件的质量等原因，往往不能够达到该要求，但一般至少要达到32~18000Hz。

1.3.2 信噪比：所谓信噪比是指音响系统对音源软件的重放声与整个系统产生

的新的噪声的比值，其噪声主要有热噪声、交流噪声、机械噪声等等。一般检测此项指标以重放信号的额定输出功率与无信号输入时系统噪声输出功率的对数比值分贝(dB)来表示。一般音响系统的信噪比需在85dB以上。

1.3.3 动态范围：动态范围是指音响系统重放时最大不失真输出功率与静态

时系统噪声输出功率之比的对数值，单位为分贝(dB)。一般性能较好的音响系统的动态范围在100(dB)以上。

1.3.4 失真：失真是指音响系统对音源信号进行重放后，使原音源信号的某些

部分（波形、频率等等）发生了变化。音响系统的失真主要有以下几种： a．谐波失真：所谓谐波失真是指音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多

额外的谐波成分。此额外的谐波成分信号是信号源频率的倍频或分频，它是由负反馈网络或放大器的非线性特性引起的。高保真音响系统的谐波失真应小于1%。

b．互调失真：互调失真也是一种非线性失真，它是两个以上的频率分量按一定比例混合，各个频率信号之间互相调制，通过放音设备后产生新增加的非线性信号，该信号包括各个信号之间的和及差的信号。

c．瞬态失真：瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢，从而使信号产生失真。一般以输入方波信号通过放音设备后，观察放大器输出信号的包络波形是否输入的方波波形相似来表达放大器对瞬态信号的跟随能力。

d. 立体声分离度：立体声分离度表示立体声音响系统中左、右两个声道之间的隔离度，它实际上反映了左、右两个声道相互串扰的程度。如果两个声道之间串扰较大，那么重放声音的立体感将减弱。

e. 立体声平衡度：立体声平衡度表示立体放音系统中左、右声道增益的差别，如果不平衡度过大，重放的立体声的声像定位将产生偏移。一般高品质音响系统的立体声平衡度应小于1dB。

2设计课题说明及要求

2.1 设计目的

1) 了解集成功率放大器内部电路工作原理

2) 掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法 3) 掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术

2.2 设计要求和技术指标

1) 技术指标

设计一个音响放大器。要求具有电子混响延时，音调输出控制、卡拉OK伴唱，并对话筒与放音机的信号进行扩音。设计指标为：额定功率Po 1W，负载阻抗为8Ω，频率响应fL fH 40Hz-10KHz，音调控制特性：1 KHz处增益为0dB，

AuL AuH 20dB，100Hz和10KHz处有 12dB的调节范围，输入阻抗Ri 20 。

2） 设计要求

（1）设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级； （2）选定元器件和参数，并设计好电路原理图； （3）在PCB板上进行电路安装调测； （4）测试输出功率； （5）测试输入阻抗； （6）撰写设计报告。 3）设计扩展要求

（1）能驱动额定功率P≥8W的扬声器；

（2）电路电压放大级输出阻抗低，能带500Ω负载。

3电路方案的比较与论证

3.1 放大电路的比较与论证

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。

3.2音频功率放大电路的比较与论证

方案一：采用LA4102集成功率放大器，电路的外围电路太多，功率放大倍数不大，市场上基本没有符合设计要求值的元器件买，不得不采用相近值的元器件，这样会造成很大的失真，这里不采用此方案。

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输出功率在5W以上，频率响应fL～fH＝40Hz～10kHz；LM386是单电源供电音频功率放大器已经达到所需要目标。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。故选择LM386。

4 核心元器件介绍

4.1 LM324的介绍

LM324引脚图简介：

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。LM324的引脚排列见图3.1，实物如图3.1。

图3.1LM324 引脚图

LM324的特点：

1.短路保护输出2.真差动输入级； 3.可单电源工作：3V-32V；4.低偏置电流：最大100mA； 图3.2 LM324图 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。 LM324的内部结构如图3.3：

图3.3 LM324的内部结构图

LM324系列采用两个内部补偿，二级运算放大器，每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动到单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片尺寸，跨导的减小可由将Q20和Q18的极电集分离而实现。该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。

4.2 LM386的介绍

LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。LM386的内部电路图及引脚排列图如图1、图2所示。

图1.LM386的内部电路图

图2.LM386引脚图

5 电路的整体结构

5.1电路结构

5.1.1基本框图

5.1.2音响放大器各级增益分配图

根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时，输出功率大于1W，则输出电压Vo>=2.8V。总电压增益AvΣ=Vo/Vi>560倍(55dB)。

话放级18.5dB

混放级9.5dB

音调级–2dB

功放级29.5dB

5.2

5.2.1语音放大器

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ(亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，200Ω等)，所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。话音放大器主要是放大信号电压值。其放大倍数Av=1+R12/R11=8.5倍。即取R12的阻值是R11的阻值的7.5倍。R11与R12 和1/4LM324运算放大器组成了反向比例放大器。同时使用电容进行隔直、去耦合。电容的选取 , 耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定， 由于信号频率在40HZ到10KHZ之间，所以C 大于0.5uF一般选10uF，信号从3脚输入 。采用单电源供电 ，用两个阻值相同的电阻做偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。

AV =612倍(56dB)

图5.2.1话放电路图和仿真图

5.2.2混合前置放大器

混合前置放大器的作用是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 。这是一个反向加法器电路，输出与输入电压间关系

vvvo

Vo=-(RF/R1*V1+RF/R2*V2) （5.2.1)

V1 为话筒放大输出信号，V2为磁带放音机输出的音乐信号。

5.2.3话音放大器与混合前置放大器综合设计

根据图中增益的分配，混合级的输出电压Vo2大于等于125mV，而话筒放大器的输出Vo1已经达到了42mV,放大3倍就能满足要求。录音机的输出信号Vi2=100mV,已经达到Vo2的要求，不需要在进行放大。所以，取R23=R22=3R21=30K欧，可使话筒与录音机的输出经混方级后输出。

图5.3话放和混合前置仿真图

5.3音调控制器与功率放大器的设计

5.3．1音调控制器的设计

音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性

AV

－

－－

5.3.1音调控制曲线

fL1表示低音频转折频率，一般为几十赫兹 fL2(等于10fL1)表示低音频区的中音频转折频率 f0（等于1kHz）表示中音频率，要求增益AV0=0dB fH1表示高音频区的中音频转折频率

fH2(等于10f

H1)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹

音调控制器只对低音频与高音频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。

音调控置级电路:

AVL RP31 R32 R31 11 20.8dB

v

o

（5.3.1）

当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况 ①当f<f0时 其等效电路如图（a） 其增益函数的表达式为

（5.3.22

设电容C1=C2>>C3，在中、低音频区，C3可视为开路，作为低通滤波器；

vi

图(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器，

o

式中：

112L11C2)

(a)

2 (RP1 R2)/(RP1R2C2) 或 fL2 (RP1 R2)/(2πRP1R2C2)

①当f<f0时

当f<fL1时，C2可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R4的影响可以忽略，此时电压增益 ①当f<f0时

在f=fL1时，因为fL2 =10fL1 ，故可由式

RP1 R2

R1

1 0.1j1 j

AVL RP1 R2

/

R1

A

V1

AV1 (RP1 R2)/

2R1

此时电压增益相对AVL下降3dB。 在f=fL2时,

AV2

RP1 R21 j A V2

R11 10j

vi

RP1 R2

R1

210

o

0.14AVL

此时电压增益相对AVL下降17dB.

同理可以得出图(b)

R

R

(b)

其增益相对于中频增益为衰减量

②当f > f0时

C1、C2可视为短路，作为高通滤波器

将C1、C2视为短路，R4与R1、R2组成星形连接，

vo

RP2

将其转换成三角形连接后的电路如图所示

Ra=R1+R4+(R1*R4/R2); Rb=R2+r4+(R2*R4/R1);

vo

RP2

Rc=R1+R2+(R1*R2/R4); 若取R1=R2=R4，则

Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R4 图（d）

i

图(c)为RP2的滑臂在最左端时， v对应于高频提升最大的情况

o

分析表明，图(e)

其增益函数的表达式为

(j ) Vo Rb

A

Vi

1 1

Ra

j / 3

j / 4

图(f)为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况 式中

3 1/ Ra R3 C3 或 fH1 1/ 2π Ra R3 C3

vi

4 1/ R3C3 或 fH2 1 2 R3C3

o

当f<fH1（ < 3）时，C3视为开路，

此时电压增益AV0=-1(0dB)

图（f） 在f=fH1时,因fH2=10fH1由 得

(j ) Vo Rb 1 j / 3

A

Ra1 j / 4Vi

AV3 2AV0

vo

此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB 在f=fH2时, AV4

102AV0

此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。 当f fH2时，Ｃ3视为短路，此时电压增益

AVH = (Ra＋R3)/R3

同理可以得出图(g)所示电路的相应表达式，

图（g）

其增益相对于中频增益为衰减量。

实际中通常先提出对低频区fLx处和高频区fHx处的提升量或衰减量x(dB)， 再根据下式求转折频率fL2(或fL1)和fH1(或fH2),即

fL2 fLx 2

x6x (5.3.3)

f f2

H1

Hx

5.3．2功率放大器

功率放大器(简称功放)的作用是给音响放大器的负载RL(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地小，效率尽可能高

图5.3.2功放

AVF 1 R11RF R11/RF

5.4音响放大器主要技术指标及测试方法

1.额定功率

音响放大器输出失真度小于某一数值(如<5%)时的最大功率称为额定功率。其表达式为

式中，RL为额定负载阻抗；Vo(有效值)为RL两端的最大不失真电压。Vo常用来选定电源电压VCC

测量Po的条件如下：

信号发生器的输出信号(音响放大器的输入信号)的频率fi=1kHz，电压Vi=5mV，音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音量控制电位器置于最大值，用双踪示波器观测vi及vo的波形，失真度测量仪监测vo的波形失真。 测量Po的步骤是：

功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)，逐渐增大输入电压

Vcc 22Vo

Po Vo

2

RL

Vi，直到vo的波形刚好不出现削波失真(或<3%)，此时对应的输出电压为最大输出电压，由式Po VoRL即可算出额定功率Po。 2.音调控制特性

输入信号vi (=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号v0从输出端的耦合电容引出。先测1kHz处的电压增益Av0(Av0=0dB)，再分别测低频特性和高频特性。

同样，测高频特性是将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端，频率从1kHz至50kHz变化，记下对应的电压增益。

最后绘制音调控制特性曲线，并标注与fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、

2

fH2等频率对应的电压增益。 3.频率响应

放大器的电压增益相对于中音频fo(1kHz)的电压增益下降3dB时对应低音频截止频率fL和高音频截止频率fH，称fL ~ fH为放大器的频率响应。 测量条件同上，调节RP3使输出电压约为最大输出电压的50%。

测量步骤是： 音响放大器的输入端接vi (等于5mV)，RP1和RP2置于最左端，使信号发生器的输出频率fi从20Hz至50kHz变化(保持vi=5mV不变)，测出负载电阻RL上对应的输出电压Vo，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注fL与fH值。 4.输入阻抗

将从音响放大器输入端(话音放大器输入端)看进去的阻抗称为输入阻抗

Ri。如果接高阻话筒，则Ri应远大于20k 。接电唱机，Ri应远大于500k 。 Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同 5.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

Vs。测量条件与额定功率的测量相同，测量方法是，使Vi从零开始逐渐增大，直到Vo达到额定功率值时所对应的电压值，此时对应的Vi值即为输入灵敏度。 6.噪声电压

音响放大器的输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压VN。测量条件同上，测量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观测输出负载RL两端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。 7.整机效率

Po/PC 100%

式中，Po为输出的额定功率；PC为输出额定功率时所消耗的电源功率。

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