语音放大电路设计报告

武汉理工大学《模电课程设计》1附件1：学号：0121112370724课程设计题目语音放大电路的设计学院专业通信工程班级通信GJ1101姓名董沛指导教师许建霞2013年1月6日武汉理工大学《模电课程设计》2语音放大电路的设计1绪论1.1课题背景及目的在日常生活和工作中，经常会遇到这样一些问题：如在检修各种机器设备时，常常需要能依据故障设备的异常声响来寻找故障，这种异常声响的频谱覆盖面往往很广，需要高亮度的声音以传达消息，例如校园广播，大型会议等，而仅仅凭人们自己的喉咙是无法实现的，因而要用到信号放大器。声音信号频率低，在放大的过程中极易受到外界的干扰，又如：在打电话时，有时往往因声音太大或干扰太大而难以听清对方讲的话，于是需要一种既能放大语音信号又能降低外来噪声的仪器……诸如以上原因，具有类似功能的实用电路实际上就是一个能识别不同频率范围的小信号放大系统。所以本课题要求采用集成运算放大器完成语音放大电路。有利于培养我的技开发能力和创新精神，并有一定的实用意义。2实验目的通过实验培养市场素质，工艺素质，自主学习能力，分析问题解决问题的能力及团队精神；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。3设计原理3.1已知条件→→→→语音放大器是一个典型的多级放大器，其框图如上图所示，前置级主要完成对小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带要求要宽，噪声要小。有源滤波器主要实现对输入信号高低音的调整。功率放大级主要决定了输出输入信号前置放大器有源滤波器功率放大器扬声器武汉理工大学《模电课程设计》3功率的大小，非线性失真系数等指标,要求效率高，失真尽可能小，输出功率高。因为maxoP=5w,所以此时的输出电压LoRPVomax=4.5V，要使输入为10mV的信号放大为4.5V的输出，所需要的总放大倍数为ivVVA04503.2性能指标1）前置放大器(1)输入信号Uid≦10mＶ;(2)输入阻抗Ri=100KΩ；(3)共模抑制比KCMR≧60dB。2）有源带通滤波器带通频率范围３００Ｈｚ～３ＫＨz。3）功率放大器①最大不失真输出功率Ｐomax≥5W;②负载阻抗ＲL＝４Ω；③电源电压＋５Ｖ，＋１２Ｖ，4）输出功率连续可调①直流输出电压≤５０mV(输出开路时)；②静态电源电流≤１００mA(输出短路时)。3.3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元件参数。2)置放大电路的组装与调试测量置放大电路的差模电压增益AUd、共模电压增益AUc、共模抑制比KCMR、带宽BW¬1、输入电压Ri¬等各项技术指标，并与设计要求值行比较。3)源带通滤波电路的组装与调试测武汉理工大学《模电课程设计》4量有源带通滤波电路的差模电压增益AUd、带通BW1，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P¬¬DC、输出效率η、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3.4原理与参考电路3.4.1前置放大电路由于信号源提供的信号非常微弱，故一般在音调放大级前加一级前置放大级在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输。典型情况下，信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，共模噪声可能高达几伏。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是同等重要的问题。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。在设计前置小信号放大电路时，可参考运算放大器应用的相关设计；C11uFR1100kohmC230pFC31uF15VVCC-15VVDD321141U1ALM324ADR2100kohmR310kohm561147U1BLM324ADR420kohmR5100kohmR65kohmC430pF50%10kOhmKey=aR7C51uFABTGXSC1XFG1武汉理工大学《模电课程设计》5不同方案比较：缺陷与不足：由于电路过于简单，不能对电路的整体增益进行合理的调节，而且反馈电路中没有电容，不能控制由于电路温度升高而引起的温度飘逸，误差较大；而且在电路中无串联电容使得电压稳定性不好，而且进入滤波电路的直流分量过大，引起噪声过大3.4.2有源滤波电路有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。有源滤波电路的种类有低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波器，本实验着重讨论典型的二阶有源滤波器。321141U1ALM324ADR1160kohmR21kohm-15VVCCC10.1uFC20.1uFR35.1kohmR45.1kohm15VVDD561147U1BLM324ADC30.01uFC40.01uFR7160kohm-15VVCC15VVDDR81kohmABTGXSC1XFG150%10kOhmKey=aR550%10kOhmKey=aR6不同方案比较：武汉理工大学《模电课程设计》6缺陷不足：电路基本符合要求，但是反馈电路中没有电容，不能控制温度漂移，R5与R6应该换成滑动变阻器，便于调节电路中的电流3.4.3功率放大电路功率放大的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高。非线性失真尽可能小。12354U1TDA2030C11uFC220uFC330pFR120kohmR21kohm12VVCC-12VVDDR410ohmC40.1uFXFG1ABTGXSC1R58ohm50%20kOhmKey=aR3不同方案比较：武汉理工大学《模电课程设计》7比较：该电路基本符合要求，但是Multisim10中没有TD2003这个元件，不便于进行仿真，故我们利用TDA2030重新设计了一个电路，经测试，基本符合要求3.5单元电路中的线路连接为了避免各级运算器之间的相互干扰，且过滤掉放大过程中的纹波，各级之间用100μf的电容进行连接。4核心原件参数特点4.1LM324运放集成电路LM324采用14脚双列直插塑料封装。它内部包含四组形式完全相同的运算放大器如图5.8（a）所示，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图5.8（b）所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“Ui+”、“Ui-”为两个信号输入端，“U+”、“U-”为正、负电源端，“Uo”为输出端。两个信号输入端中，Ui-为反相输入端，表示运放输出端Uo的信号与该输入端的相位相反；Ui+为同相输入端，表示运放输出端Uo的信号与该输入端的相位相同。由于电源管脚是众所周知的，因此，为了简化，通常可以把电源端省略不画，把五脚符号画成只有两个输入端、一个输出端的三端符号。武汉理工大学《模电课程设计》8图5.8集成运放符号及LM324管脚由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可采用单、双电源方式使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。注：集成运算放大器LM324的管脚图及基本参数见附录B4.2TDA2003集成功率放大器我们在本次设计中依然采用常用的TDA2003集成功率放大器，TDA2003是TDA2002的改进型，其输出功率更大，电路特点及内设的各保护电路与TDA2002相同。它适用于收音机及其它设备中作音频放大。+－U-U+Ui+Ui-Uo+－+－LM324+－123+－4567U+U-891011121314(a)(b)武汉理工大学《模电课程设计》9引脚功能定义：TDA2003为5脚单引直插式，其引脚功能如下：1——同向输入2——反向输入3——地4——输出5——输入Vcc集成功率放大器TDA2003的引脚图参数名称符号参数值单位备注峰值电源电压Vcc40V直流电源电压Vcc28V工作电源电压Vcc18V50ms输出峰值电流（重复）Io3.5A输出峰值电流（非重复）Io4.5A功率Po20W工作环境温度Topz–30~75˚CTa=9˚C贮存温度.结晶Tstg，T–40~150˚C武汉理工大学《模电课程设计》105Multisim10.0仿真结果5.1前置放大电路C11uFR1100kohmC230pFC31uF15VVCC-15VVDD321141U1ALM324ADR2100kohmR310kohm561147U1BLM324ADR420kohmR5100kohmR65kohmC430pF50%10kOhmKey=aR7C51uFABTGXSC1XFG1武汉理工大学《模电课程设计》115.2有源滤波电路武汉理工大学《模电课程设计》12321141U1ALM324ADR1160kohmR21kohm-15VVCCC10.1uFC20.1uFR35.1kohmR45.1kohm15VVDD561147U1BLM324ADC30.01uFC40.01uFR7160kohm-15VVCC15VVDDR81kohmABTGXSC1XFG150%10kOhmKey=aR550%10kOhmKey=aR6武汉理工大学《模电课程设计》135.3功率放大电路12354U1TDA2030C11uFC220uFC330pFR120kohmR21kohm12VVCC-12VVDDR410ohmC40.1uFXFG1ABTGXSC1R58ohm50%20kOhmKey=aR3武汉理工大学《模电课程设计》146调试电路及调试测量6.1前置放大电路的调试：静态调试：调零和消除自激振荡。动态调试：①在两输入端加差模输入电压Uid，测量输出电压Uod1，观测于记录输出电压与输入电压的波形，算出差模电压增益Aud1。②在两输入端加共模输入电压Uic，测量输出电压Uoc1，算出共模电压增益Auc1。6.2有源带通滤波器的调试：静态调试：调零和消除自激振荡动态调试：调节输入信号的频率，使输出电压达到不失真的最大值。记录此时的电压值和频率。不断改变输入信号的频率，（变大和变小），当电压的幅武汉理工大学《模电课程设计》15度为最大值的0.707倍时，分别记录此时的频率，即为上限截止频率和下限截止频率。由此计算通频带。6.3功率放大电路的调试：静态调试：将输入端对地短路，观察输出有无振荡，如果有振荡，采取消振措施以消除振荡。测量最大输出功率Pomax：在输出信号不失真的条件下，对功率参数进行测试。输入f=1kHz的正弦输入信号，并逐渐加大输入电压的幅值直至输出电压Uo的波形出现临界削波时，测量此时Rl两端的输出电压的最大值Uomax或有效值Uo，则Pomax=Uomax2/（2*RL）=Uo2/RL。6.4系统联调：经过以上对各级电路的局部调试后，可扩大到整个系统的联调。①令输入信号Ui=0，（前置级对输入短路），测量输出的直流输出电压。②输入f=1kHz的正弦信号，改变Ui的幅值，用示波器观察输出电压Uo波形变化的情况，记录输出电压Uo最大不失真幅度所对应的输入电压Ui的变化范围。③输入Ui为一定值的正弦信号（在Uo不失真范围内取值），改变输入信号的频率，观察Uo的幅值变化情况，记录Uo下降到0.707Uo之内的频率变化范围。④计算总的电压增益Au3=Uo/Ui3。6.5电路测量：分别测量所要求的数据：（1）前置放大器的电压放大倍数Au=100（2）测量带通滤波器的通频带BW=300Hz-3000Hz6.6效果测试系统级联后，分别在输入端输入语音信号和音乐信号，观测效果。6.7实验中遇到的问题及解决办法（1)问题：前级放大器焊接完成后在示波器中没有信号输出分析：电路中可能有虚焊短接情况解决：用万用表仔细检查电路，逐个焊点进行测试，找出虚焊点并将其焊牢。武汉理工大学《模电课程设计》16（2)问题：下限截频过低（170Hz）分析：高通滤波器中电过大解决：调节滑动变阻器6.8元件清单：元件规格数量LM3244片变阻器20K（50%）110K3电阻20K25.1K110K1100K310k11k3160