音频放大器设计

音响放大器设计学习要求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的测试方法；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。一、音响放大器的基本组成话音放大器电子混响器械磁带放音机混合前置放大器音调控制器功率放大器扬声器话筒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)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。电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。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。主要是控制、调节音响放大器的幅频特性给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。1.话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。AVF=1+RFR2Ri=R1（R1一般取几十千欧。）耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取C1=C3=(3～10）12RLfL反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。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。v1v2R1R2RF－＋voRFR1VO=－V1＋RFR2V2)V1为话筒放大器输出电压；V2为放音机输出电压。音响放大器的性能主要由音调控制器与功率放大器决定，下面详细介绍这两级电路的工作原理及其设计方法。3、音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性201730－3－17－20fLxfL1fL2f0(1kHz)fHxfH2fH1f/Hz20dB/10倍频AV/dBf0（等于1kHz）表示中音频率，要求增益AV0=0dBfL1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fH1表示高音频区的中音频转折频率fH2(等于10fH1)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。音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成设电容C1=C2C3，在中、低音频区，C3可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器。viR1RP1R2C1C2R4C3R3RP2C5vo＋－＋C4＋①当ff0时当RP1的滑臂在最左端低频时，对应于提升最大的情况(a)viC2R4R1RP1R2vo－＋①当ff0时当RP1滑臂在最右端时，对应于低频衰减最大的情况(b)viC1R4R1RP1R2vo－＋①当ff0时分析表明，图(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为(3-7-2)式中，)π2/(1)(/121L1211CRPfCRP或)π2/()()(/)(22121L2221212CRRPRRPfCRRPRRP或(a)viC2R4R1RP1R2vo－＋12121io/)(j1/)(j1jRRRPVVA①当ff0时当ffL1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121VL/RRRPA(a)viC2R4R1RP1R2vo－＋①当ff0时在f=fL1时，因为fL2=10fL1，故可由式j1j1.01121V1RRRPA模此时电压增益相对AVL下降3dB。121V1R2/)RRP(A(a)viC2R4R1RP1R2vo－＋12121io/)(j1/)(j1jRRRPVVA得①当ff0时在f=fL2时，由式(3-7-2)得j101j1121V2RRRPAVL121V214.0102ARRRPA模此时电压增益相对AVL下降17dB。(a)viC2R4R1RP1R2vo－＋①当ff0时同理可以得出图(b)所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。(b)viC1R4R1RP1R2vo－＋②当ff0时音调控制器的高频等效电路如图所示viC3R3R1R2R4vo－＋RP2C1、C2可视为短路，作为高通滤波器。②当ff0时将C1、C2视为短路，R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图所示viC3R3RaRbvo－＋RP2Rc41221c2424b24141a///RRRRRRRRRRRRRRRRRR若取R1=R2=R4，则Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4②当ff0时图(a)为RP2的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况viC3R3RaRb－＋vo(a)viC3R3RaRbvo－＋RP2Rc②当ff0时图(b)为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况voRb－＋viRaR3C3(b)viC3R3RaRbvo－＋RP2Rc②当ff0时分析表明，图(a)所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为43abio/j1/j1)j(RRVVA式中，π2/1/133aH133a3CRRfCRR或33H233421/1CRfCR或viC3R3RaRb－＋vo②当ff0时当ffH1（3）时，C3视为开路，此时电压增益AV0=-1(0dB)。在f=fH1时,因fH2=10fH1由V0V32AA此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。viC3R3RaRb－＋vo43abio/j1/j1)j(RRVVA得②当ff0时在f=fH2时,V0V4210AA此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。viC3R3RaRb－＋vo②当ff0时当ffH2时，Ｃ3视为短路，此时电压增益AVH=(Ra＋R3)/R3viC3R3RaRb－＋vo②当ff0时同理可以得出图(b)所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。(b)viC1R4R1RP1R2vo－＋实际应用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6LL22xxff6HH12xxff4、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。(1)LA4100~LA4102集成音频功放1210986R35.1kT3R6100T4R83k100R12R9510R48.8kR11320kR510kT1T2R25.1kT5T6T8T9T10T11R1120kR7150kT7T14543114T13T12R10100(2)集成功放的典型应用图3.7.13LA4100接成OTL电路C214＋电源13121110981234567自举偏流输入制波抑纹空退耦输出空空电源地消振消振反馈LA4100~LA4102C1＋96RF＋CF543121014C3＋＋C4131CH＋＋CCRLCDCB＋－LA4100vi＋VCC(2)集成功放的典型应用--外部元件的作用①RF、CF与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益AVF，即F1111VF/1RRRRAF②CB为相位补偿电容。CB减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十皮法至几百皮法。C214＋电源13121110981234567自举偏流输入制波抑纹空退耦输出空空电源地消振消振反馈LA4100~LA4102C1＋96RF＋CF543121014C3＋＋C4131CH＋＋CCRLCDCB＋－LA4100vi＋VCC③CC为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于VCC/2，CC一般取耐压值远大于VCC/2的几百微法的电容。④CD为反馈电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法。C214＋电源13121110981234567自举偏流输入制波抑纹空退耦输出空空电源地消振消振反馈LA4100~LA4102C1＋96RF＋CF543121014C3＋＋C4131CH＋＋CCRLCDCB＋－LA4100vi＋VCC⑤CH为自举电容，使复合管T12、T13的导通电流不随输出电压的升高而减小。⑥C3、C4可滤除纹波，一般取几十微法至几百微法。⑦C2为电源退耦滤波，可消除低频自激。C214＋电源13121110981234567自举偏流输入制波抑纹空退耦输出空空电源地消振消振反馈LA4100~LA4102C1＋96RF＋CF543121014C3＋＋C4131CH＋＋CCRLCDCB＋－LA4100vi＋VCC二、音响放大器主要技术指标及测试方法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L2ooRVP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VCCocc22VV额定功率测量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。注意在最大输出电压测量完成后应迅速减小Vi，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。额定功率测量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(3-7-22)即可算出额定功率Po。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。音调控制特性同样，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、fH2等频率对应的电压增益。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%。频率响应测量步骤是：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。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。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。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。整机效率式中，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。%100/CoPP