音频放大电路设计.docx

服务课程名称：

音频放大电路设计

系： ____________________________________ 专业： 班级：

学号： _____________ 姓名： ______________ 指导教师： _____________________________ 课程设计周次： __________________________ 起始日期： ______________________________

摘要

音频放大电路已经应用到了电子世界的各个方面，随着科学技术的发展， ， 人类对电子的依赖性更强， 这样也就注定了与电子相关的技术更显重要。 音频放 大电路是大部分电子产品一基本而且重要的组成部分。 设计好音频放大器， 优化 音频放大电路结构，增强音频放大的性能的电路设计已成为他、一个重要课题。

以往的音频放大器大部分有元件组成， 随着集成运放和功放的出现， 集 成音频放大器因具有工作稳定，性能好，易于安装和调试，成本低等优点，故得 到广泛的应用。 集成功放加上前置的话筒放大电路， 音频控制电路就构成了简单 的音频放大器。 关键词 LM324 LA4102 功率放大器 运算放大器 音频控制

Abstract

Modern transportation conductor system in,crossroad message number conductor light all is no man auto control.The design method of transportation light is varied,the most original traffic sign light completely uses an electric circuit design,not only structure complications,the physical volume is more big,and support very

difficult.Nowadays the transportation light design realm,widespread adopt a single slice machine,PLC etc.modern technique.The single slice representative with the most typical machine is serieses MCS-51s,80C51 series single slice the machine product be numerous,AT the serieses single slice machine of ATMEL company integrates flash saving machine technique, applied convenience, in keeping with raw recruit usage,so this system adoption ATS51 single slice mechanism makes electric circuit.

The electric circuit adoption exterior flaps to concuss an electric circuit design and use a 6 Ms crystal flap a mold piece, provide stable clock pulse signal for the single slice machine.The electric circuit still has an urgent circumstance manifestation the function of the red light. Keywords LM324 LA4102

目录

摘要

Abstract ................................. 错误！未定义书签。 1 引 言 ........................ 1 2 任务与要求 ...................... 2

2.1 设计任务： ................................................................. 2 2.2 设计要求： ................................................................. 2

3 设计过程 ...................... 3

3.1 课题分析 ................................................................... 3 3.2 方案论证 ................................................................... 3

3.2.1 确定整机电路级数，分配各级电压增益 ........................................ 3 3.2.2 电路论证分析 .............................................................. 4

4 方案设计 ...................... 9

4.1 功放电路设计 ............................................................... 9 4.2 音制器设计 ............................................................. 9 4.3 话筒放大器设计 ............................................................. 11

结 论 . ........................................... 14 致 谢 . ........................................... 15 参考文献 ....................... 15 附 录 . ........................................... 16

A1.1 A1.2

17 18

1引言

日常生活中的收录机，电视机和扩音机等电器身本中都有音频放大电路， 从前置

的输入区有话筒放大电路， 中间有控制音量的音频调制电路， 以及接近输 出区的扬声器端的功率放大电路， 外加上一些必要的辅助电路， 如滤波电路， 共 同就构成了音频放大电路， 实现放大小信号的功能。 在前置放大电路和功率放大 电路中，可以使用分离的元件构成实现功能， 也可以使用符合要求的运放器 和功放器来实现。 因为集成的运放和功放具有性能更好， 更易于安装和调试， 因 而大部分情况下都是集成运放管和功放管。 这样的电路简单而且规整， 易于满足 各项条件。 随着科技的发展， 性能更好， 精度更高的集成运放管和功放管不断涌 现，现今长用的运放管和功放管有 F007，

TDA2030、SF404，LM324 ，LA4100 系列等。

运放管 LM324 和功放管 LA4102 是性能较好而且廉价的器件，是最佳的选 择，应用比较多，可以较好的实现功能，外加上一些辅助性的元器件，即可以完 成音频放大功能的实现。

2 任务与要求

2.1 设计任务：

采用集成运放和音频功率集成放大器，设计一个对话筒输出信号具有放大 能力的扩音电路。

2.2 设计要求：

1） 额定输出功率PoW 1W。 2） 负载阻抗RL=8 Qo 3） 失真度丫 < 3%。

4） 输出功率大小连续可调，即用电位器可调节音量大小。 5） 频率响应（fL 〜fH ）; 40Hz〜10KHz。

6） 输入信号源为低阻话筒（20Q）,输出电压为5mV 7） Ri > 20k Q o

3设计过程

3.1课题分析

根据任务，能对音调进行控制，应设置音制电路，并且对增益进行分配, 音响放大器基本组成框图如图1所示。

3.2方案论证

3.2.1确定整机电路级数，分配各级电压增益

话筒输入信号较弱，根据任务要求，输入信号为 5mV时，输出功率最大值 为1W。据此可以计算出电路系统总电压增益为 于实际电路中会有损耗，应留有裕量，故取 A<= 600 (55.6dB) 0

下面进行各级增益分配： -

P°RL /Ui = 556(55dB)。由

1•音制级在f \"kHz。时，增益为1 ( 0dB )，但实际电路有可能衰减, 取代2 =0・

8(-2dB)

2.集成功放电路增益应较大，取 Au3=80 (38dB) 3.话筒放大级，采用集成运放电路构成。

Au 1

= 9.375(19.4dB)

4•带通滤波，实现频率的参数要求,

增益为1 (0dB)

3・2・2电路论证分析

1功率放大电路

常用音频集成功放有LA4100系列、TDA2030、SF404等。本课题设计采用

LA4102，其典型输出功率为1.4W，闭环增益为45dB, P^ 250 mW时，失真度

THD =0.5% 可满足要求。

2.音制器

音制器是控制、调节音响放大器输出频率高低的电路，

其控制曲线如图

2中折线所示。

图中 o \"kHz --------------------- 中音频率，要求增益Auo =0dB ；

f

f LI =1kHz ------------ 低音转折频率，一般为几十赫兹；

fL2 =10 5 ——中音频转折频率；

f H1 =1kHz

中音频转折频率；

fH2 =10fH1 ――高音频转折频率，一般为几十千赫兹。

图2音制曲线

从图中可见，音制器只对低音频或高音频进行提升或衰减， 中音频增益 保持不变，音制器由

低通滤波器和高通滤波器共同组成。

实现此方案，可有两种形式。一种是用专用集成电路 LA3600，外接发光二 极管频段显示器，可看见各频段的增益提升与衰减的变化情况， 在高中档收录机、 汽车音响等设备中，一般采用专用音制集成电路。另一种是采用集成运放构 成音制器，如图3所示。

工

0

图3音制电路

设C 1 =。2

视为短路

0

，在中、低音频区，C3可视开路，在咼音频区，C 1、C 2可

①当f小0时，音制器低频等效电路如图 的滑臂在最左端，对应于低音频提升最大的情况, 对应于低音频衰减最大情况。图 传递函数表达式为

I

4所示，其中图4 (a)为RP1

图4 ( b)为RP1滑臂在最右端,

4 (a)实质上是一个一阶有源低通滤波器，其

(a)

图4音制器低频等效电路

(b)

(a)低音频提升

• U o A (S)

U i

RP1 - R2

R1

(b)低音频衰减

1 *

/ 匕 1 - j- ■ r

式中

1

1

RP1C2

或 f L1

1 2 二 RPQ

2

RP1

R2

RP1 R2 C 2

或

RPt +R2

f

L 2

^!RP1 R2C 2

f < fL1时，C 2可视为开路，运放的反相输入端为虚地，因运放输入电

流I、0, R4影响可忽略，此时电压增益为:

RP\"i 亠

R2

AuL

RI

f = f L1时，得

RPi • R Ji

Ri

o.ij)'? ' (i - j)1'.1

A u1

模为

RP

Aui

i ' R2

AUL _

此时电压增益相对AUL下降了 3dB

f “L2时，由公式得

RPi - R2

A u 2

Ri

(1 • j)门 (1 10 j)'.1

模为

Au 2

RPi *2 >R Ri io

0.i4 A uL

此时电压增益相对AUL下降了 i7dB

f Li ：：： f Lx ：：： fL2范围内，电压增益衰减速率为-20dB /io

倍频程

同样可得出图4(b)所示电路表达式，其增益相对于中频为衰减量。音制 器工作在低音频时，幅频特性如图 2左半部虚线所示。

②当f • f。时，音制器咼音频等效电路如图 5(a)所示。在咼音频段ci、 C2可视为短路，R4与Ri、R2组成星形联接，为分析方便，将其转换成三角形 联接后的等效电路如图

5(b)所示。

(a)

图5音制器高频等效电路 (a)咼音频等效电路

R

(b)

电阻关系式为

(b)二角形联接后的等效电路

4 ■

( R

a = R1 '

R

1 R4 / R2)

Rb

二R2

- R4 - ( R2R4 / R1 )

Rc =R1 - R2 - ( R1R2 / R4)

若取 Ri = R2 = R4，贝U

Ra 二 Rb 二 Rc 二3R［二 3R2 = 3 R4

这时高频等效电路如图6所示，图6 (a)为RP2的滑臂在最右端时，对应于 高频提升最大的情况，图6(b)为RP2滑臂在最左端时，对应于高频衰减最大的 情况。该电路为一阶有源高通滤波器，其传递函数表达式为

U A(S)

*

Rb

U i

Ra

4.2.7

3

(Ra +R3)C3

1

-'4

fLi

2二(Ra - R3)C3

R3 C 3 27.R3C 3

图6高频等效电路

(a)高频提升

(b)高频衰减

通过低频等效电路相同方法分析，可得到以下关系式：

f ：十

1

时，C3可视为开路，Au°=1(OdB)

f =fH1 时, Au^ 2Au0 =1.4(2.9dB)

f 二 J2 日寸,

f -fH2时，C3可视为短路，电压增益为

Au4=10/ . 2Au。=7.1(17dB)

uH

二 a ' 3

R

R

)/ R

3

Ji ：：：Jx “H2

范围内，电压提升速率为20dB/10倍频程，音制器高频时 幅频特性如

图2中右半部虚线所示。

实际应用中，通常是给出低频区fLx和高频区fHx处的提升量或衰减量X（dB）, 再根据下式求出转折频率fL2fL1和fH1 （f H2）

（

）

f

L2

Lx

x

fHi \"Lx 心

（3） 话筒放大器

根据增益分配，采用集成运放电路改变外接电阻可方便实现增益调整。

与音

制器共采用一块LM324即可满足除功放外的所有电路功能，电路简单，价 格低廉。虽然它的频带很窄（增益为 1时，带宽1MHz），因放大倍数不大，代 入公式GB二

A0dfH，计算满足 fH =10 kHz的要求。

（4） 带通滤波

根据题设的要求，要实现在一定范围内的信号通过，任务要求的是在

40Hz

到10KHz内的信号通过实现放大。且放大倍数为一，所以可以设计成一个简单 的带通滤波器，运放可以使用 LM324中的一个。根据要求的频率可以计算出相 应的参数。

（5） 电路的失真度

根据运放LM324和功放LA4102在任务要求的情况下的失真度都为 0.5%, 又根据电路图的结构，可以得电路的总失真度为 4 0.5% =2% 3%，满足任务的 要求。

4方案设计

4.1功放电路设计

查阅手册，可选择功放外围元器件值。LA4102功放集成电路其内部电路中 有电压串联负反馈环节，内部电路反馈电阻Rr为20W,只要改变外接反馈电阻， 即可改变集成功放增益。该电路接成电压串联负反馈形式，外接反馈电阻 由下式计算

Au 3 — 1

Rr

Rr

— 80

f3

Rf3可

R

f 3

R

Rf3 取 250Q

C39起隔直作用，使电路组成交流电压串联负反馈电路， C39取33卩F。

C37起相位补偿作用，用于消除高频自激振荡，一般取几十皮法。C37取51pF。 C35为OTL电路输出电容，两端充电电压为 Vcc/2，—般取耐压大于 Vcc/2 的几百

微法电容。C35取耐压25V，470卩F电解电容。

C38为反馈电容，用于消除自激振荡，一般取几十~几百皮法。C38取560 pF。 C34为自举电容，使集成电路内部输出复合管的导通电流不随输出电压升高

而减小。C34取耐压25V，220卩F电解电容。

C33、C32用于消除纹波，一般取几十~几百微法。C32取220卩F，C33取100 卩F电解

电容。

c“起电源退耦滤波作用，用于消除低频自激振荡，c“取100卩F电解电容。

4.2音制器设计

根据任务要求，100Hz和10kHz处有土 10dB调节范围。即 fLx =100 Hz, x =10 dB，代入公式得

则

fL1 = fL2 /10 =40 Hz

fL2 二 fLx 2

x/6 10 /6

100 Hz 2

:

- 400 Hz

则

fL1 = fL2 /10 =40 Hz

又

fL1=10kHz

x

x=10dB 代入公式得

fH1 = fLx /26 =10 kHz / 210/6 :、2.5kHz

则 因此

f

H2

二

1

OJ1 =2^H Z

AuL

RP21 +R23 21 23

R

21

20 dB

R21、R22、RP21不能取得太大，否则运放漂移电流影响不能忽略不计 同时也不能太

小，否则流过电流将超出运放输出能力。一般取几千欧至几百 千欧。取RP21

=470k[i, R21 =R22 =47 k「，取值正确与否代入公式进行验算

RP21 +R22 21 22

R21

470 +47

47

AuL 11 (20.8dB )

满足设计要求。

由以上数据和公式可求得C22值

5 =1/(2「：RP2iC22) C22 =1/(2-：RP2i fLi) =0.008

取标称值 0.01 卩 F, c21 =C22 =0.0VlF 可得

Ra =Rb — Rc = 3 R1 =3R2 =3R4

R21 = R22 = R23 = 47 k;. ■

Ra =3R4 =141 k1'.1

因此

AuH =(Ra R3)/ R3 —10 R3 :' Ra /10 =14.1 k1'.1

取标称值R3 =13 可得

。

f

H 2

_ 1 /( 2

23

23

)

C24 二 1/（ 2「： R24 J 2）二 490 pF

取标称值C24 =510 pF。

4.3话筒放大器设计

话筒放大电路由A及外围电路组成，耦合隔直电容5 =63取10卩F, RPn为 话筒放大后音量调节电位器，取10k「

根据级间增益分配 歸=9.375，该电路为同相输入放大器。

Aui 二 1：：；‘R12 / .Rii 二 9.375

取Rii =10k[i,代入算得R12 =83.75k「，取标称值82k「，这时 汕=9.2。

该电路为单电源供电交流放大器，在电源与同相输入端及同相输入端与地之间， 各接入ioki.1电阻给集成运放，以提供合适的偏压。

Ci2取

10卩F。

4.4滤波电路设计

根据要求，要使频率在 40Hz到10KHZ内通过放大，就需要有一个低通的滤波电路和 一个高通的滤波电路组成带通滤波电路。运用运放

LM324的一部分就可以实现。将滤波的

电路放在末级可以减少前置电路的干扰，使输出的信号更佳。

根据公式

f =1/2 二RC

又由频率，根据滤波电路中电容和频率的对应可以确定的电容值，进而确定电阻。

当f =40 Hz时，对应的C为1 [1 F，可以确定电阻R41 =159 2.】，取标称值 R41 =200, |。之后串联一个高通的滤波电路，当

f =10 KHz时，对应的C值为

100nF,同是可以确定电阻 R42 =15.92Q」，取标称值R42 =15.8K「。 电路图如 图7。

5音频放大器电路图

结论

为期一个半周的课程设计就这样匆匆走过了， 看着自己劳动成果， 心里说不 出是怎么样的感觉，做的不是最佳，但却是我的最好！我很尽力而为了。

音频放大是一个很实际的电路， 应用很广泛， 生活中无处不在， 手机电视音 响等等，都有蕴涵，所以我感觉我的课题是很有实际意义的， 不管我的作品如何， 通过设计我已经深入的知道了它的工作原理， 组成结构， 现实意义等。 一个音频 放大电路的优差最直接的影响了一个电子产品的质量好坏。 使用适宜的元器件是 很重要的， 电路结构的繁简也很重要， 因为信号是弱信号， 很容易就会受到干扰 而使产品质量下降。 另外，必要的辅助器件也是很必须的， 因为没有良好的防护 措施，电路是不稳定的。

为了很好的完成设计， 我花费了大量的时间和精力在图书馆在网吧在和同学 的不断讨论验证， 以及在给老师的讨教之中， 总是感觉自己越是学习就越是有兴 趣，喜欢就问题的真伪进行论证和探索。 老师的帮助， 同学的帮助都给了我很大 的方便，也使我学会了很多， 感觉自己对这些方面有了更深入的学习。 模拟电子 本来就是一个很难的科目， 但是这次的课程设计却也使我对它的兴趣更浓了。 通 过图书馆的各式各样的专业书籍，网上丰富多样的资源，老师博深的孜孜教诲， 我了解了自己真的还有很大的差距， 心态也由以前的太难了， 到了现在的真有意 思，这是很重要的，至少对我以后的电子学习是影响深远的。

本次的设计同时使认识了一些电子世界里长用的元器件， 了解了它们的参数 等，知道了它们的应用场所和功能作用，比如运放管 LM324 ，功放管 LA4102 等，这也是很有趣且有意义的。 这对于我认识所学的专业是很有帮助的， 使我更 加热爱自己所学专业。 这次课程设计以书中内容为基础， 通过查阅课外的知识完 成了本设计要求的内容， 达到了学习的目的。 丰富了我的专业视野， 拓展了我的 认识世界，培养了我的设计能力，增强了我的专业爱好。

致谢

一个半周的模拟电子课程设计将要走向尾声， 能够在这短短的时间里很的完 成任务，得益于各位老师的指导和帮助， 也有同学的互助和自己的辛苦努力。 团 队的力量是必须的，领头的更是作用更大，同组之间是团队， xx 老师和 xx 老师 就是我们大家的领头。

记得和 x 老师探讨的火热场景， x 老师和蔼的面容，耐心的讲解指导，可能 是因为老师的耐心我们都是一定把问题问的水落石出才肯罢休， 在表示深深的感 谢，感谢老师的帮助指导使我能够顺利的完成自己的设计任务， 同时学会了很多 的实际知识。 当然还有我们的 x 老师，他的教诲更是不可忽视的， 孟老师的严格 要求使我更加认真的做， 认真的查阅资料，搞懂方方面面，使我学习的更加深入， 理解更加深刻。感谢各位老师的帮助。

同时，一个人的能力必定有限，所以同组之间的互相帮助也就显的很重要， 大家相互探讨难点要点， 遇见问题， 大家在一起集思广益， 在很短时间内完成设 计要求。对各位帮助我的同学表示感谢。

也感 xx 大学图书馆的支持，科技书刊借阅室和多媒体电子阅览室提供本设 计要求所需资料。

还有对本设计有过帮助的人，在此一并表示感谢！

参考文献

[1] 陈梓城•实用电子电路设计与调试，北京：中国电力出版社， [2] 林春芳•电子线路学习指导与实训，北京：电子工业出版社，

2008 [4] www.21IC.com

2006 2004

[3] 郝波.电子技术基础 ----- 模拟电子技术，西安：西安电子科技大学出版社,

⑸www.cediy.com 中国电子设计网

附录

A1.1

管脚连接

输出1

F 2 13

输入1 3 12

输入4

Vcc叵

勺

VEE*Gnd

输入3 回 9

附录图1 LM324管脚

参数名称 输入失调电压 测试条件 最小 典型 2.0 最大 7.0 50 250 单位 mV nA nA U。M.4V ,Rs =0 输入失调电流 5.0 45 U+=15V , R=5k Q U+=30V , Uo=0, RL= Rsw 10k Q 附录图2 LM324参数表

88k 1.5 65 100k 3.0 输入偏置电流 大信号电压增益 电源电流 共模抑制比 mA dB 70

A1.2

电路元器件列表:

器件 数量 LM324 LA4102 电容 电阻 扬声器 变位器

1个 1个 19个 15个 1个 3个 「