语音放大器的设计(全面).

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电 子 电 工 教 学 基 地 实 验 报 告

实验课程：模拟电路实验及仿真

实验名称：语音放大电路的设计

设计人员：

完成日期： 2012年6月27日 2 / 15

0、引言 在电子电路中，输入信号常常受各种因素的影响而含有一些不必要的成份（即干扰），或者输入信号是不同频率信号混合在一起的信号，对前者应设法将不必要的成份衰减到足够小，而后者应设法将需要的信号提取出来。而且随着社会的发展，在我们的日常生活中也经常会出现一系列的问题：如在检修各种机器设备的时候，我们要根据故障设备的异常声来寻找故障，这种异常的声响的频谱覆盖面往往很广；同时另外的一种情况我们在打电话的时候，有时往往因声音或干扰太大而难以听清对方的声音，这时我们就需要一种既能放大语音信号又能降低外来噪声的仪器。而且语音放大电路目前的运用很广泛：适用于很多的家用电器上面的运用。例如：便携式收音机、对讲机等很多方面的运用。为了达到这样的一个目的，我们就要考虑到设计一个能识别300~3000HZ频率范围内的小信号放大系统，我们可以用设计一个集成运算放大器组成的语音放大电路。

一、设计目的及要求 【设计目的】 1.通过实验培养学生的市场素质，工艺素质，自主学习的能力，分析问题解决问题的能力以及团队精神。 2.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。 【设计要求】 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原件参数。 2） 前置放大电路的组装与调试 测量前置放大电路的差模电压增益AU、共模电压增益AUc、共模抑制比KCMR、带宽BW、输入电压Ri等各项技术指标，并与设计要求值进行比较。 3） 有源带通滤波器电路的组装与调试 测量有缘带通滤波器电路的差模电压增益AUd、带通BW，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PDC、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 / 15

【性能指标】 1. 前置放大器：输入信号：Uid ≤ 10 mV 输入阻抗：Ri ≥ 100 k 2. 有源带通滤波器：频率范围：300 Hz ～ 3 kHz 增益：Au = 1。 3. 功率放大器：最大不失真输出功率：Pomax≥1W 负载阻抗：RL= 8 （ 4  ） 电源电压：+ 5 V，+ 12V，- 12V 4. 输出功率连续可调 直流输出电压 ≤ 50 mV 静态电源电流 ≤ 100 mA

二、总原理框图及总电路图 1.语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成：

2.实验总电路： 4 / 15 三、设计思想及基本原理分析。 【设计思想】 输入端采用麦克风形式，声音通过麦克风输入前置放大电路，进行一次放大后输入二阶有源带通滤波电路，对通频带（300Hz-3000Hz）以外的信号进行滤波，以消除杂音，最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路，进行功率放大后将声音通过扬声器输出。 【基本原理】 1．前置放大电路 前置放大电路可采用两级负反馈放大器、差分放大电路，也可以用集成运放构成的测量用小信号放大电路等。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。一般来说，信号的最大幅度可能仅有几毫伏，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 ； 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 5 / 15

讨论典型的二阶有源滤波器。 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。

四、单元电路分析，元件介绍和元件参数计算。 【前置放大电路】 方案一： 方案二：

方案一是一级放大，其增益过小，且不够稳定，带动不起后级电路。因此，在前置放大器的选择上，我们采用方案二的两级放大。 运算放大器使用LM324。通过第二级放大电路中的电位器来调节放大的倍数。这个电路非常简单，而且原理清晰。通过仿真可知，输出很完整，基本上没有噪声。在第一级放大电路中，AU1=1+R3/R1=1+10≈10。在第二级放大电路中，AU2=1+（R10+R5）/R6 ≈ 1～100。所以总的放大倍数为：AU=AU1.AU2 ≈100～200。前级放大部分最终设计电路如下： 6 / 15

【带通滤波器设计】 方案二高通与低通是分开做的，在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来可以实现带通滤波器的功能，而且带通滤波器的低频截止频率fL由HPF的截止频率决定，高频截止频率fH有LPF的截止频率决定。与方案一相比较，方案二的通带较宽，通带截止频率易于调整。因此，我们采用的带通滤波器是方案二，电路图如下图所示，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号。带通滤波器最终设计电路如下：

高通部分：令==C=0.1µF，=2, 由已知条件：fH=1/(2лC)=3000Hz， 得≈7.5KΩ，≈3.74kΩ。 低通部分：令=2=0.022µF，=0.01µF同理可得==R,

方案一： 方案二： 7 / 15

由已知条件：fH=1/(2лR)=300Hz， 得==R≈3.74 kΩ。

【功率放大电路设计】

TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块，它接法简单，价格实惠，额定功率为14W，电源电压为±6～±18V。输出电流大，谐波失真和交越失真小（±14V/4欧姆，THD=0.5%），具有优良的短路和过热保护电路。采用LM386作为功率放大器虽然外围电路相对简单并且稳定性较好，但是仿真软件Multisim中没有找到LM386，基于TDA2030的优点而且又便于仿真，我们最终决定采用方案一。功率放大部分最终设计电路如下：

五、主要器件介绍 【柱极体传声器】 传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器。驻极体传声器是一种

方案一：采用TDA2030作为功率放大器 方案二：采用LM386作为功率放大器 8 / 15

用驻极体材料制造的新型传声器。它具有结构简单、灵敏度高等优点，被广泛应用于语言拾音、声信号检测等方面。 驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。声电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。声电转换的关键元件是振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开，这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。从而产生了随声波变化而变化的交变电压信号，如此就完成了声音转换为电信号的过程。电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率。驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。因此，不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。而场效应晶体管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻极体电容产生的电压信号，同时以比较低的阻抗在源极S或者漏极G输出信号，实现阻抗变换。

【LM324】 1）LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，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，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。 LM324的特点： 1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能

【TDA2030A】 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。如图1所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、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。 TDA2030A的电路特点：[1].外接元件非常少。[2].输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。