带音调控制音响放大器的设计.ppt

带音调控制的音响放大器设计带音调控制的音响放大器设计一、设计目的一、设计目的1.熟悉集成功放的基本特点；熟悉集成功放的基本特点；2.了解放大电路的频率特性及音调控制原理；了解放大电路的频率特性及音调控制原理；3.学习音响电路的测试方法，测试各项指标及电路的音学习音响电路的测试方法，测试各项指标及电路的音调整控制特性。调整控制特性。二、相关知识（工作电源）二、相关知识（工作电源）-15V 0V +15V二、相关知识（测量线）二、相关知识（测量线）同轴连接器同轴连接器信号参考信号参考屏蔽线屏蔽线信号输入信号输入二、相关知识（元件清单）二、相关知识（元件清单）代号代号名称名称规格规格数量数量代号代号名称名称规格规格数量数量R1 R2电阻器电阻器100K2C6电容器电容器1n1R3电阻器电阻器510K2C9电容器电容器221R4 R5 R6 电阻器电阻器20K3C10电容器电容器100n1R8 R10电阻器电阻器22K2C11 C13C15 C16电容器电容器1004R9电阻器电阻器6802C12 C14电容器电容器10n2R11电阻器电阻器12D1 D4二极管二极管1N40074R12 R13电阻器电阻器1202A1 A2运算放大器运算放大器NE55321RL电阻器电阻器41A3功率集成电路功率集成电路TDA2030A 1C1 C3 C7 C8电容器电容器104RP1RP2可调电阻器可调电阻器220K2C2电容器电容器10P1RP3可调电阻器可调电阻器47K1C4 C5电容器电容器22n2三、实验准备三、实验准备1.阅读本实验简要说明中的内容，按图的形式进行实验阅读本实验简要说明中的内容，按图的形式进行实验电路布线和组装。电路布线和组装。2.估算前置级（估算前置级（A1）和音调控制级（）和音调控制级（A2）的电压增益、）的电压增益、音调控制范围；音调控制范围；3.了解扩音机电路的各项指标，拟订各项指标的测试方了解扩音机电路的各项指标，拟订各项指标的测试方法；法；4.提出本次实验所需的仪器设备。提出本次实验所需的仪器设备。四、实验原理四、实验原理 扩音机的整机电路如下图所示，按其构成，可分为扩音机的整机电路如下图所示，按其构成，可分为前置放大级，音调控制级和功率放大级三部分。前置放大级，音调控制级和功率放大级三部分。四、实验原理四、实验原理1.功率放大级功率放大级 本实验电路的功率放大级由集成功率器件本实验电路的功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成连成OCL电路输出形式。电路输出形式。TDA2030A功率集成电路具有转换速率高，失真小，输出功功率集成电路具有转换速率高，失真小，输出功率大，外围电路简单等特点，采用率大，外围电路简单等特点，采用5脚塑料封装结构。其中脚塑料封装结构。其中1脚脚为同相输入端；为同相输入端；2脚为反相输入端；脚为反相输入端；3脚为负电源；脚为负电源；4脚为输出脚为输出端；端；5脚为正电源。脚为正电源。四、实验原理四、实验原理 TDA2030A功率集成电路的内部电路包含由恒流源差动放大功率集成电路的内部电路包含由恒流源差动放大电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式OCL电路电路构成的输出级；启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。其构成的输出级；启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。其结构框图如图所示。结构框图如图所示。四、实验原理四、实验原理 TDA2030A的电源电压为的电源电压为6V22V，静态电流为，静态电流为50mA（典（典型值）；型值）；1脚的输入阻抗为脚的输入阻抗为5M（典型值），当电压增益为（典型值），当电压增益为26dB、RL=4时，输出功率时，输出功率Po=15W。频带宽为。频带宽为100KHz。源为。源为14V、负载电阻为负载电阻为4时，输出功率达时，输出功率达18W。为了提高电路稳定性，减小输出波形失真，功放级通过为了提高电路稳定性，减小输出波形失真，功放级通过R10，R9，C9引入了深度交直流电压串联负反馈，由于接入引入了深度交直流电压串联负反馈，由于接入C9，直，直流反馈系数流反馈系数F1。对于交流信号而言，因为。对于交流信号而言，因为C9足够大，在通频带足够大，在通频带内可视为短路，所以交流反馈系数内可视为短路，所以交流反馈系数,按电路的实际参数。因而该按电路的实际参数。因而该电路的电压增益。可见改变电阻电路的电压增益。可见改变电阻R9、R10可以改变电路增益。电可以改变电路增益。电容容C15、C16用作电源滤波。用作电源滤波。D1和和D2为保护二极管。为保护二极管。R11、C10为为输出端校正网络以补偿电感性负载，避免自激和过电压。输出端校正网络以补偿电感性负载，避免自激和过电压。TDA2030A技术参数技术参数详细参数请下载参阅（详细参数请下载参阅（TDA2030A技术资料技术资料.PDF文件）文件）TDA2030A技术参数技术参数TDA2030A技术参数技术参数TDA2030A技术参数技术参数TDA2030A典型应用典型应用TDA2030A典型应用典型应用四、实验原理四、实验原理2.音调控制电路（音调控制电路（A2）3.常用的音调控制电路有三种形式，一是衰减式常用的音调控制电路有三种形式，一是衰减式RC音调控音调控制电路，其调节范围宽，但容易产生失真；另一种是反馈型音调制电路，其调节范围宽，但容易产生失真；另一种是反馈型音调控制电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其电路复杂，多用于高级收录机。为使电路简单而失控制电路，其电路复杂，多用于高级收录机。为使电路简单而失真又小，本音调集成功率电路中采用了由阻容网络组成的真又小，本音调集成功率电路中采用了由阻容网络组成的RC型型负反馈音调控制电路。它是通过不同的负反馈网络和输入网络造负反馈音调控制电路。它是通过不同的负反馈网络和输入网络造成放大器闭环放大倍数随信号频率不同而改变，从而达到音调控成放大器闭环放大倍数随信号频率不同而改变，从而达到音调控制的目的。制的目的。四、实验原理四、实验原理 下图是这种音调控制电路的方框图，它实际上是一种电压并下图是这种音调控制电路的方框图，它实际上是一种电压并联型负反馈电路，图中联型负反馈电路，图中Zf代表反馈回路总阻抗；代表反馈回路总阻抗；Zi代表输入回路代表输入回路的总阻抗。电路的电压增益的总阻抗。电路的电压增益 。音调控制电路方框图音调控制电路方框图四、实验原理四、实验原理 只要合适选择并调节输入回路和反馈回路的阻容网络，就能只要合适选择并调节输入回路和反馈回路的阻容网络，就能使放大器的闭环增益随信号频率改变，从而达到音调控制的目的。使放大器的闭环增益随信号频率改变，从而达到音调控制的目的。组成组成Zi和和Zp的的RC网络通常有下图所示四种形式。网络通常有下图所示四种形式。(a)低音提升低音提升 图图(a)图图(a)中若中若C1取值较大，只有在取值较大，只有在频率很低时才起作用，则当信频率很低时才起作用，则当信号频率在低频区，随频率降低，号频率在低频区，随频率降低，增大，所以增大，所以 提高，从而提高，从而得到低音提升。得到低音提升。图图(b)中，若中，若C3取值较小只有高取值较小只有高频区起作用，则当信号在高频频区起作用，则当信号在高频区且随频率升高区且随频率升高 减小，所以减小，所以 提高，从而可得到高音提升。提高，从而可得到高音提升。(b)高音提升高音提升四、实验原理四、实验原理图图(b)(c)高音衰减高音衰减 (d)低音衰减低音衰减四、实验原理四、实验原理图图(c)同理可以分析图同理可以分析图134(c)(d)，分别可用作高、低音衰减。，分别可用作高、低音衰减。图图(d)四、实验原理四、实验原理 如果将这四种电路形式组合起来，即可得到下图所示的反馈如果将这四种电路形式组合起来，即可得到下图所示的反馈型音调控制电路。型音调控制电路。先假设先假设 R1=R2=R3=R；C1=C2C3；RW1=RW29R a)信号在低频区信号在低频区 在低频区，因为在低频区，因为C3很小，所以很小，所以C3、R4支路可视为开路，反支路可视为开路，反馈网络主要由上半部分电路起作用。又因运放的开环增益很高，馈网络主要由上半部分电路起作用。又因运放的开环增益很高，UEUE0（虚地），故（虚地），故R3的影响可忽略，当电位器的影响可忽略，当电位器RP2的活动端的活动端移至移至A点时，点时，C1被短路，其等效电路如下图所示。可以得到低音被短路，其等效电路如下图所示。可以得到低音最大提升量最大提升量 按实际电路参数按实际电路参数R1=R2=R3=20k，RP1=RP2=220k，C1=C2=0.022uF，可得，可得 (约约18.6dB)四、实验原理四、实验原理 转折频率：转折频率：以同样方式可以说明在以同样方式可以说明在RP2滑动到滑动到B点时，低音地最大衰减量：点时，低音地最大衰减量：按实际电路参数可得按实际电路参数可得 （约（约18.6dB）转折频率：转折频率：四、实验原理四、实验原理 b)信号在高频区信号在高频区 在高频区，因为在高频区，因为C1和和C2较大，对高频可视为短路，而较大，对高频可视为短路，而C3较较小，故小，故C3、R4支路已起作用，其等效电路可画成如下图所示支路已起作用，其等效电路可画成如下图所示(a)形式。形式。四、实验原理四、实验原理 图图(a)图图(b)为了便于说明，将电路中接成为了便于说明，将电路中接成Y形地形地R1、R2、R3电路变换电路变换成图成图(b)所示接成的所示接成的形电路，这里形电路，这里Ra=Rb=Rc=3R(当当R1=R2=R3=R时时)。设前级输出电阻很小（如小于。设前级输出电阻很小（如小于500），输出），输出电压电压Uo通过通过Rc反馈到输入端的信号被前级输出电阻所旁路，故反馈到输入端的信号被前级输出电阻所旁路，故Rc的影响可忽略（视为开路）。因此当的影响可忽略（视为开路）。因此当RP2滑动到滑动到C点或点或D点时，点时，可分别画出如下图可分别画出如下图(a)和和(b)所示的等效电路（因所示的等效电路（因RP2的数值很大，的数值很大，为简单起见，可视为开路）。为简单起见，可视为开路）。四、实验原理四、实验原理 图图(a)图图(b)上图上图(a)显然具有高音提升作用，其最大提升量显然具有高音提升作用，其最大提升量按电路实际参数按电路实际参数R=20k，R4=8.2k，C3=1000P，所以，所以 AUC8.3(约约18dB)上图上图(b)为高音衰减电路，其衰减量为高音衰减电路，其衰减量按电路实际参数按电路实际参数 AUD0.12(约约-18dB)高频转折频率高频转折频率四、实验原理四、实验原理 若将音调控制电路高低音提升和衰减曲线画在一起，可得到若将音调控制电路高低音提升和衰减曲线画在一起，可得到如下图所示幅频特性曲线。如下图所示幅频特性曲线。四、实验原理四、实验原理 20logA18dB0-18fL148fL2410fH12.3KfH219kf(Hz)由图可见，音调控制级的中频电压放大倍数由图可见，音调控制级的中频电压放大倍数Aum=1；当；当ffH2(19KHz)时高音控制范时高音控制范围也为围也为18dB。c)前置放大电路（前置放大电路（A1）由由A1组成的前置放大电路是一个同相输入比例放大器，电路组成的前置放大电路是一个同相输入比例放大器，电路的闭环特性如下：的闭环特性如下：理想闭环电压增益理想闭环电压增益 输入电阻输入电阻rif=R1 输出电阻输出电阻rof=0 扩音机电路的增益是很高的，所以扩音机的噪声主要取决于扩音机电路的增益是很高的，所以扩音机的噪声主要取决于前置放大器的性能。为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选前置放大器的性能。为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选用低噪声的运放。另外，如输入线的屏蔽情况，地线的安装等等用低噪声的运放。另外，如输入线的屏蔽情况，地线的安装等等都对噪声有很大影响。都对噪声有很大影响。四、实验原理四、实验原理 d)扩音机电路的一些主要技术指标扩音机电路的一些主要技术指标a)额定输出功率额定输出功率Pob)在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内，功率在满足规定的失真系数和整机频率特性指标以内，功率放大器所输出的最大功率放大器所输出的最大功率 Uo亦称输出额定电压亦称输出额定电压 静态功耗静态功耗PQ 指放大器处于静态情况下所消耗的电源功率。指放大器处于静态情况下所消耗的电源功率。c)效率效率 放大器在达到额定输出功率时，输出功率放大器在达到额定输出功率时，输出功率Po对消耗电源功对消耗电源功率率PE的百分比，用的百分比，用表示表示 四、实验原理四、实验原理 d)频率响应（频带宽度）频率响应（频带宽度）在输入信号不变的情况下，输出幅度随频率的变化下降至在输入信号不变的情况下，输出幅度随频率的变化下降至中频时输出幅度的中频时输出幅度的0.707倍时所对应的频率范围。如下图所示。倍时所对应的频率范围。如下图所示。图中图中fL称为下限频率，称为下限频率，fH称为上限频率。称为上限频率。四、实验原理四、实验原理 AUAUO0fLfHfd)音调控制范围音调控制范围e)为了改善放大器的频率响应，常对高、低频增益进行控制，为了改善放大器的频率响应，常对高、低频增益进行控制，如提升或衰减若干分贝，而对中频增益不产生影响。若未控制如提升或衰减若干分贝，而对中频增益不产生影响。若未控制的输出幅度未的输出幅度未Uo，而控制后的输出幅度为，而控制后的输出幅度为Uo1，则音调控制范，则音调控制范围为围为 (即即 )f)非线性失真非线性失真 在规定的频带内和额定输出功率状态下，输出信号中谐波在规定的频带内和额定输出功率状态下，输出信号中谐波电压有效值的总和与基波电压有效值之比：电压有效值的总和与基波电压有效值之比：式中：式中：U1为输出电压基波分量有效值；为输出电压基波分量有效值；U2、U3Un分别为分别为二次、三次二次、三次n次谐波分量有效值。次谐波分量有效值。可由失真度测量仪测得。可由失真度测量仪测得。四、实验原理四、实验原理 d)噪声电压噪声电压UN 扩音机输入信号为零时，在输出端负载上测得的电压有效值扩音机输入信号为零时，在输出端负载上测得的电压有效值为噪声电压为噪声电压UN，噪声电压是扩音机机内各种噪声经放大后的总和。，噪声电压是扩音机机内各种噪声经放大后的总和。d)输入灵敏度输入灵敏度Uimax 保证扩音机在额定的输出功率时所需的输入信号。保证扩音机在额定的输出功率时所需的输入信号。四、实验原理四、实验原理 五、焊接布置图五、焊接布置图六、电路原理图六、电路原理图七、实验内容七、实验内容1.安装有两级运放组成的前置放大级安装有两级运放组成的前置放大级A1、音调控制级、音调控制级A2及集成功放电路，如上页电路原理图所示。并仔细及集成功放电路，如上页电路原理图所示。并仔细复查整机电路的接线是否正确无误；复查整机电路的接线是否正确无误；2.测量各级电路的静态工作点；测量各级电路的静态工作点；注意：测量集成运放各脚的电压，注意在测试时，注意：测量集成运放各脚的电压，注意在测试时，一般将万用表测试棒搭接在与运放引脚直接相连的一般将万用表测试棒搭接在与运放引脚直接相连的其他连结点上，以免万用表测试棒将运放的引脚互其他连结点上，以免万用表测试棒将运放的引脚互相短路，造成运放损坏。相短路，造成运放损坏。七、实验内容七、实验内容3.在下列条件下测试前置级、音调控制级、功率放大级在下列条件下测试前置级、音调控制级、功率放大级的电压增益和整机增益，并将结果记入表中。的电压增益和整机增益，并将结果记入表中。a)音量电位器音量电位器RP3置于最大位置。置于最大位置。b)音调控制电位器置中心位置。音调控制电位器置中心位置。c)扩音机的输出在额定输出功率以内，并保证输出波形不产扩音机的输出在额定输出功率以内，并保证输出波形不产生失真。生失真。d)输入信号频率为输入信号频率为1KHz的正弦波。的正弦波。前置前置级级音音调调控制控制级级功率放大功率放大级级整机整机Vi1Vi2Vi3ViVo1Vo2Vo3VoAV1AV2AV3AV七、实验内容七、实验内容4.测量各项指标。测量各项指标。a)最大不失真输出电压最大不失真输出电压Vomax(或或Vopp)b)输入灵敏度输入灵敏度Vimaxc)最大输出功率最大输出功率Po 在测这三项内容时，可一次测得相关数据，经计算后得出各在测这三项内容时，可一次测得相关数据，经计算后得出各指标。具体做法是在输出端加接额定负载（指标。具体做法是在输出端加接额定负载（4功率电阻），逐渐功率电阻），逐渐增大输入信号，用示波器同时观察输入、输出信号，当输出波形增大输入信号，用示波器同时观察输入、输出信号，当输出波形刚好不出现失真时，用交流毫伏表测出输入和输出电压。此时的刚好不出现失真时，用交流毫伏表测出输入和输出电压。此时的输入电压就是最大输入灵敏度输入电压就是最大输入灵敏度Vimax（Vimax100mV）；输出电）；输出电压就是最大不失真输出电压压就是最大不失真输出电压Vomax。同时可得最大输出功率同时可得最大输出功率 七、实验内容七、实验内容d)噪声电压噪声电压VN 除去输入信号并且将扩音机电路输入端对地短路，此时测得除去输入信号并且将扩音机电路输入端对地短路，此时测得的输出电压有效值即为的输出电压有效值即为VN。e)整机电路的频率响应整机电路的频率响应 在高低音不提升、不衰减时（即将音调电位器在高低音不提升、不衰减时（即将音调电位器RP1和和RP2放在放在中心位置），保持输入信号幅度不变，并且改变输入信号中心位置），保持输入信号幅度不变，并且改变输入信号Vi的频的频率。随着频率的改变，测出当输出电压下降到中频（率。随着频率的改变，测出当输出电压下降到中频（f=1KHz）输）输出电压出电压Vo的的0.707倍时，所对应的频率倍时，所对应的频率fL和和fH。一般要求频带不小。一般要求频带不小于于50Hz20KHz。f=100Hz时的音调控制特性时的音调控制特性 使电位器使电位器RP2旋至二个极端位置旋至二个极端位置A和和B，依次测出，依次测出AVA和和AVB（即测出（即测出VOA和和VOB）,并由此计算出净提升量和净衰减量，用并由此计算出净提升量和净衰减量，用分贝表示。分贝表示。即即 和和 。七、实验内容七、实验内容f)整机高低音控制特性整机高低音控制特性 先将先将RP1、RP2电位器旋至中间位置，减小输入信号幅度电位器旋至中间位置，减小输入信号幅度（f=1KHz），使输出电压为最大输出电压的），使输出电压为最大输出电压的10左右。并保持左右。并保持Vi不变，测出不变，测出Vo，算出中频（，算出中频（f=1kHz）时的）时的AV。七、实验内容七、实验内容 f=10KHz时的音调控制特性时的音调控制特性 使电位器使电位器RP1旋至二个极端位置旋至二个极端位置C和和D，一次测出，一次测出AVC和和AVD，由此计算出净提升量和净衰减量，用分贝表示。，由此计算出净提升量和净衰减量，用分贝表示。即即 和和 。g)听音实验听音实验 将信号送入扩音机电路，逐一改变音调电位器将信号送入扩音机电路，逐一改变音调电位器RP1和和RP2，试听喇叭发音情况。试听喇叭发音情况。八、设计报告八、设计报告1.完成本学期模电课程设计总结报告一份；完成本学期模电课程设计总结报告一份；a)谈谈您本学期模电实验课程及课程设计的体会、谈谈您本学期模电实验课程及课程设计的体会、收获和存在的问题；收获和存在的问题；b)您在模电实验中遇到的问题和解决方法。您在模电实验中遇到的问题和解决方法。c)对选题、设计调试过程中的指导等方面提出您的对选题、设计调试过程中的指导等方面提出您的意见与建议。意见与建议。2.整理本次实验数据，将实测值与理论估算值相比较并整理本次实验数据，将实测值与理论估算值相比较并加以分析。加以分析。3.分析实验中出现的异常现象。分析实验中出现的异常现象。九、思考题九、思考题1.引起噪声、自激、失真现象的原因是什么？引起噪声、自激、失真现象的原因是什么？