音响放大器.pdf
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1、 音响放大器的设计与制作 第一章 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、输出级和执行机构。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,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
2、,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。1.2 音响的作用意义 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。第二章 电路方案的比较与论证 2.1 放大电
3、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
4、,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,满足一般需求,故采用 uA741运算放大器。2.2 音频功率放大电路的比较与论证 方案一:采用 SL34集成功率放大器,SL34是低电压集成音频功放,功耗低、失真小,工作电压为 6V,8 负载时,输出功率在 300mW以上。主要用于收音机及其它功放。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
5、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芯片所组成的功放电路,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 4-16 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的输出功率在5W 以上,然而 LM386达不到这功率,故选用TDA2030。频率响应 fLfH50Hz20kHz;而单电源供电音频功率放大器已经达到所需要的目标。并且它较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整
6、方便、性能指标好等特 点。而 BTL电路虽然也有以上的功能,但制作复杂,不利于维修。第三章 核心元器件介绍 3.1 uA741的介绍 741 放大器为运算放大器中最常被使用的一种,拥有反相向与非反相两输入端,由输入端输入欲被放大的电流或电压信号,经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源,其值由12Vdc 至18Vdc 不等,而一般使用15Vdc的电压。741 运算放大器的外型与接脚配置分别如图3-1所示。图 3-1 3.2 TDA2030的介绍 TDA2030A是德律风根生产的音频功放电路,采用 V 型5 脚单列直插式塑料封装结构。该集成电路广泛应用于汽车立体声
7、收录音机、中功率音响设备,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。意大利 SGS公司、美国 RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产,虽然其内部电路略有差异,但引出脚位置及功能均相同,可以互换。电路特点:1.外接元件非常少。2.输出功率大,Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度。4.开机冲击极小。5.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。6.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1
8、6W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。引脚情况(如图3-2):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。图 3-2 第四章 电路设计 4.1音响电路的整体结构如图 4-1 音频输入 语音放大(前置放大器)音调调节 功率放大 扬声器 图 4-1 4.2语音放大器 由于输出信号一般只有 5mV左右,而输出阻抗达到 20K亦有低输出阻抗的话筒如(20欧,200欧等),所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号其输入阻抗应远大于输出阻抗如图 4-2所示 图 4-2 4.3音调控制器 音调控制
9、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 4-3-1中折线所示。图中 kHzfo1中音频率,要求增益dBAuo0;kHzfL11低音转折频率,一般为几十赫芝;1210LLff中音频转折频率;kHzfH11中音频转折频率;1210HHff高音频转折频率,一般为几十千赫芝。图4-3-1音调控制曲线 从图中可见,音调控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,音调控制器由低通滤波器和高通滤波器共同组成。采用集成运放构成音调控制器,如图4-2-2所示。图 4-3-2 音调控制电路 设321CCC,在中、低音频区,3C可视开路,在高音频区,1C、2C可视为短路。当 0f
10、f 时,音调控制器低频等效电路如图 4-4-3所示,其中图 4-4-3(a)为1RP的滑臂在最左端,对应于低音频提升最大的情况,图4-4-3(b)为1RP滑臂在最右端,对应于低音频衰减最大情况。图 4-3-3(a)实质上是一个一阶有源低通滤波器,其传递函数表达式为 (a)(b)图 4-3-3 音调控制器低频等效电路(a)低音频提升 (b)低音频衰减 12121./1/1)(jjRRRPUUSAio 4.3.1 式中 2111CRP 或 21121CRPfL 221212CRRPRRP 或 2212122CRRPRRPfL 1Lff 时,2C可视为开路,运放的反相输入端为虚地,因运放输入电流0I
11、,4R影响可忽略,此时电压增益为:121RRRPAuL 4.3.2 1Lff 时,由式 4.2.1得 )1()1.01(1211jjRRRPAu 4.3.3 模为 221211uLuARRRPA 4.3.4 此时电压增益相对uLA下降了dB3。2Lff 时,由式4.3.3得)101()1(1212jjRRRPAu 4.3.5 uLuARRRPA14.01021212 4.3.6 此时电压增益相对uLA下降了dB17。21LLxLfff范围内,电压增益衰减速率为dB20/10倍频程。同样可得出图 4-3-3(b)所示电路表达式,其增益相对于中频为衰减量。音调控制器工作在低音频时,幅频特性如图4-
12、4-1左半部虚线所示。当off 时,音调控制器高音频等效电路如图4-4-4(a)所示。在高音频段1C、2C可视为短路,4R与1R、2R 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 4-3-4(b)所示。(a)(b)图 4-3-4 音调控制器高频等效电路 电阻关系式为)/(24141RRRRRRa)/(14242RRRRRRb)/(42121RRRRRRc 若取421RRR,则 421333RRRRRRcba 这时高频等效电路如图 4-3-5所示,图 4-3-5(a)为2RP的滑臂在最右端时,对应于高频提升最大的情况,图 4-3-5(b)为2RP滑臂在最左端时,对应于高频衰减
13、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 43./1/1)(jjRRUUSAabio 4.4.7 333)(1CRRa 或 331)(21CRRfaL 3341CR 或 33221CRfH 图 4-3-5 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:1Hff 时,3C可视为开路,)0(10dBAu 1Hff 时,)9.2(4.1203dBAAuu 2Hff 时,)17(1.72/1004dBAAuu 2Hff 时,3C可视为短路,电压增益为 33/)RRRAauH 4.3.1 21HHxHfff范围内,电压提升速率为 20dB
14、/10倍频程,音调控制器高频时幅频特性如图 4-4-1中右半部虚线所示。实际应用中,通常是给出低频区Lxf和高频区Hxf处的提升量或衰减量x(dB),再根据下式求出转折频率)(12LLff和)(21HHff。即 622xLxLff 4.3.2 612/xLxHff 4.3.3 根据以上的的分析,可以做成这样的设计图,如图4-4-6所示 图 4-3-6 4.4功率放大电路的设计 功率放大器,简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务,这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口,而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用,在某种程度
15、上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。当负载一定时,希望其输出的功率尽可能大,其输出信号的非线性失真尽可能地小,效率尽可能高,功放的常见电路有 OTL(Output Transformerless)电路和 OCL(Output Capacitorless)电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功放,也有专用集成电路功放。TDA2030A是 SGS公司生产的单声道功放 IC,该 IC 体积小巧,输出功率大,最大功率到达 40W左右;并具有静态电流小(50mA以下),动态电流大(能承受 3.5A的电流);负载能力强,既可带动 4-16 的扬声器,某些场合又可带动 2 甚至 1.6 的低阻负载;音
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