全集成电路高保真扩音机

本科生课程设计(论文)
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程
学号学生姓名专业班级
课程设计
（论文）
题目
全集成电路高保真扩音机
课程设计（论文）任务
设计参数：
1.采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。

2.额定输出功率W
P5
≥
3.负载阻抗Ω
=8
L
R。

4.频率响应20—20 kHz
设计要求：
1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握电路的设计要求。

（1天）
2、确定前置放大，滤波，功率放大电路系统的接线图。

（2天）
3、建立所设计电路框图。

（2天）
4、设计各个电路单元的电路图。

（2天）
5、对个单元电路以及整体电路进行软件仿真。

（2天）
6、撰写、打印设计论文（1天）
指
导
教
师
评
语
及
成
绩
成绩：指导教师签字：
年月日
本科生课程设计（论文）
摘要
随着信息时代的到来，计算机技术进入了快速发展的空前时期。

与此同时，电子信息技术的发展有关放大器在电子技术基础中所处的位置越来越重要，它不仅是电子信息专业的一个重要部分，而且在其他类专业工程中也是不可缺少的。

放大器电路作为子系统的应用，已迅速发展成为新一代电子不可缺少的核心部件，其在现实生活中的运用非常广泛。

扩音机电路是把微弱的声音信号放大成能推动扬声器的功率放大信号，主要由运算放大器构成。

电路结构分为前置放大，滤波器，功率放大三部分。

前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声要小，音频控制主要是实现对输入信号高、低音的提升和衰减；功率放大器决定了输出功率，要求效率高，失真尽可能小，输出功率大
关键词：扩音机；功率放大；滤波
目录
第1章绪论..................................................... - 1 -
1.1全集成电路高保真扩音机的应用意义 (1)
1.2设计的要求及技术指标 (1)
1.3设计方案论证 (2)
1.4总体设计方案的流程及分析 (2)
第2章全集成电路高保真扩音机电路设计........................... - 4 -
2.1方案的框图及工作原理 (4)
2.1.1前置放大电路 ....................................... - 4 -
2.1.2有源滤波器 ......................................... - 4 -
2.1.3功率放大器 ......................................... - 5 -
2.2扩音机各单元电路的设计 (5)
2.2.1前置放大电路设计 ................................... - 5 -
2.2.2有源滤波放大电路的设计 ............................. - 6 -
2.2.3功率放大器电路的设计 ............................... - 7 -第3章全集成电路高保真扩音机整体电路设计及仿真.................. - 8 -
3.1整体电路图及工作原理 (8)
3.2电路参数仿真及计算 (8)
3.2.1整机频率响应的测试 ................................. - 8 -
3.2.2最大输出功率的测试 ................................. - 9 -
3.2.3电压增益的计算 ..................................... - 9 -
3.2.4整体电路的仿真 .................................... - 10 -
3.3整机电路性能分析 (11)
第4章设计总结................................................. - 12 -附录一：参考文献................................................ - 13 -附录二：整机电路图.............................................. - 14 -附录三：所用元器件和测试仪器清单................................ - 15 -
第1章 绪论
1.1全集成电路高保真扩音机的应用意义
随着科学技术的不断发展,各种专用集成电路大量涌现。

在电子技术领域里，集成电路大有取代分立元件的趋势。

在各种音响设备中，全集成电路高保真扩音机由于工作可靠，外围电路结构简单，容易调试，内部设有各种保护设施，不易损坏的特点，不断地被从事电子技术工程人员和无线电爱好者认可和接受。

另外，由于体积小，价格便宜，在学校、公司、技术企业，以及工厂，它都发挥了其他任何东西不可替代的作用。

1.2设计的要求及技术指标
设计要求：
1. 分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思总体方案，绘制结构框图。

2. 确定合理的总体方案。

对所设计的方案进行分析，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3. 设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4. 组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

技术指标：
1）采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。

2）额定输出功率W P 50 。

3）负载阻抗Ω=8L R 。

4）频率响应20—20KHz 。

1.3设计方案论证
前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声要小，音调控制主要是滤除谐波，实现对所需波段的有效放大；功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、失真尽可能小、输出功率大。

设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计。

若W P 8max 0=,输出电压V R P U L 8max 00=•=。

要使输入为5mv 的信号放大到输出的8V ，所需的总放大倍数为1600。

扩音机中各级增益的分配为：前置级的电压放大倍数为100,功率放大级电压放大倍数为16。

1.4总体设计方案的流程及分析
总体流程如图所示。

图1.4：总体设计流程
电路分析说明： （1）前置放大器
由于话筒提供的信号非常弱，一般只有5mV 左右，而输出阻抗达到20k Ω。

考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353。

LF353是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪
功率放大器
有源滤波器
前置放大器
输入信号
扬声器
声的集成器件。

前置放大电路由LF353组成的两级放大电路。

前置放大器的作用是不失真的.放大声音信号，共输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。

（2）有源滤波器的设计
高带通滤波器允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

该电路中，在前级为无限增益多路反馈二阶带通滤波器的基础上，由第二级反相放大比例放大器对他施加正反馈组成。

从而，实现了带通滤波的作用。

（3）功率输出级的设计
功率输出及电路结构有许多种形式，这里选用TDA2030A型单片集成功率放大电路，其主要特点是a、上升随率高、瞬态互调失真小。

b、输出功率比较大，单片的TDA2030A的输出功率可达18W。

c、外围电路简单，使用方便。

d、采用单列直插的封装形式，体积小。

e、内含各种保护电路，工作安全可靠。

第2章 全集成电路高保真扩音机电路设计
2.1方案的框图及工作原理
扩音机电路主要由前置放大电路，有源带通滤波电路，集成运算放大电路组成，总体框图如图：
图2.1：扩音机电路总体框图
2.1.1前置放大电路
功能：将前级输出的微小的电信号在电压幅度上进行放大。

工作原理：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。

2.1.2有源滤波器
功能：滤除各种噪声信号，而使正常的语音信号通过。

工作原理：通带滤波器能通过规定范围的频率，这个频率范围就是电路的带宽BW ，滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率0f 的频率点上。

带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质Q 越高。

电路的Q 值可用公式求出：
输入信号
前置放大电路
有源带通滤波电路
集成运放电路
WB Q 0f =
可见，高Q 值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；反之低Q 值滤波器有较宽的带宽，势必输出电压较小。

要实现这么一个功能，我们可以将一个二阶有源低通滤波器与一个二阶有源高通滤波器串联起来，由二阶有源低通滤波器来对高频信号进行抑制，由二阶有源高通对滤波器队地频信号机行抑制，最终达到对信号进行一定频率范围的抑制作用。

2.1.3功率放大器
功能：放大电流，使信号能够驱动负载（喇叭）。

工作原理：功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

2.2扩音机各单元电路的设计
2.2.1前置放大电路设计
该电路中一般传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用多用单端方式传输。

该放大器的第一级有两个同相放大器采用并联方式，组成同向并联差动放大器，又对称：平衡对称差动放大器。

该图前半部分的输入电阻很大，当接入R 后，则R 与id R 或ic R 并联后，该电路和差模输入电阻id R =2R ，共模输/电阻ic R =R/2.。

所以，应选用高工共模抑制比、高精度、低漂移的集成运算放大器，如4E325. 另外，还应该确定前置放大器的电压增益。

由于输出功率要求，最大不是真输出功率W P m o 5≥，由计算知Uom=9V .
R151kΩOPAMP_3T_BASIC
1R2100kΩ
R3100kΩ
R4100kΩ
R5
100kΩ
R610kΩ
R710kΩ
R8
20kΩ
R9
20kΩ2
R10
100kΩ
Key=A 50%
3
A3
OPAMP_3T_BASIC
A2OPAMP_3T_BASIC R11
100kΩ
Key=A 50%
R12
51kΩ0
4
6
58
9
12
7
11
图2.2.1：前置放大电路
2.2.2有源滤波放大电路的设计 电路图中，在前级为无限增益多反馈二阶带通滤波器的基础上，由第二级方向比例放大器对他施加正向反馈组成。

利用两个运算反相放大器构成正反馈环路提高Q 值，以弥补多重复反馈带通电路在高Q 时元件离散型大、网络参数对元件变化敏感的问题。

选择C C C ==21，41R R =，则可以求得网络参数为:
),//2/(121R R R A -=
3121110//1/1R R R R C R W +++= )/2/(//1213121R kR R R R R Q -++=
按图中所给元件值，得到结果为fo=100KHz,Q=40;可通过调整R 、C 参数来获得所需要的中心频率fo 和Q 值。

R162kΩ
C11nF
C21nF
C3100nF
C4100nF
C5
100nF C6100nF
R262kΩ
A1
OPAMP_5T_VIRTUAL
A2
OPAMP_5T_VIRTUAL
R310kΩ
20
VCC 15V VCC
VDD -15V
VDD
R462kΩ
3
VDD
-15V
VCC 15V
VDD
VCC
R5430kΩ
4
R61
5
6
图2.2.2：有源滤波放大电路
2.2.3功率放大器电路的设计
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，转换效率
尽可能高，非线性失真尽可能小。

若取静态工作电流为1mA ，最大不失真功率为
9w ，每只晶体管的最大损耗为1.8w,最大集成电流为1.2A ，反向击穿电压24V 。

图2.2.3：功率放大器电路
C15uF C25uF
R11kΩR2
1kΩ
R31kΩ
R41kΩ10A1OPAMP_5T_VIRTUAL 4
R582kΩ3
2
C3
1uF
R6 5.1kΩ
R7
510kΩ
R8 5.1kΩ
R9 5.1kΩ
C4100uF R1010kΩ
R1110kΩD11DH62D21DH62D3
1DH6210
T12N2219R1222kΩ12
5
7R14240kΩ
T22N221915T3
2N1132A 13
R1322kΩ14
9T42N302016
VCC 12V
VCC
60
VDD -12V
VDD
第3章全集成电路高保真扩音机整体电路设计及仿真3.1整体电路图及工作原理
整体电路图如附录一：
工作原理：输入信号先经经前置放大，将输入信号放大，放大后的信号进入音调电路，对高低音段进行调节。

输出至音量电位器。

经平衡电位器后，功放输出经喇叭输出接座输出至喇叭。

3.2电路参数仿真及计算
3.2.1整机频率响应的测试
使用ultisim
M仿真软件中的波特图示仪进行仿真实验，观察所得的幅频响应曲线是否符合设计要求。

进行仿真实验后可得图3.2.1（a）与图3.2.1（b），由此可知本次设计的电路符合设计要求。

图3.2.1（a）：幅频响应曲线
图3.2.1（b ）：幅频响应曲线
3.2.2最大输出功率的测试
在ultisim M 仿真软件中连接电路，并将万用表连在输出端，进行仿真实验，
测量最大输出电压。

并使用公式L MAX
MAX R V P 2
=计算出最大输出功率。

图3.2.2：电压有效值
如图3.2.2所示，万用表测量得到电压有效值V V 548.5=，由此可得，电压峰
值为V V V MAX 845.72==，最大输出功率W R V P L MAX
MAX 69.72
== 3.2.3电压增益的计算
由上述3.2.2中的电压测量值可知，V V V MAX 845.72==，又因输入电压为
V V m 5i =，则电路总体增益为1569==V V A MAX
根据理论计算各级增益：
前置放大级：()80232=+=R R R A 音调和音量控制级：12=A ； 功率放大级：203=A ；
总的增益为各级增益之积：1600=A 。

3.2.4整体电路的仿真
在ultisim M 仿真软件中连接电路，并将示波器连联入电路，进行仿真实验，测得电路的输入波形与输出波形。

经过比较输入波形与输出波形可知，本次设计的电路，波形失真较小。

图3.2.4 输入与输出波形
经过本次的仿真实验可知，设计电路时的理论值与仿真实验所得的实际值误
差较小，波形失真较小，并基本能够达到所设计的放大倍数。

综上所述，本次设计的扩音机电路符合了设计要求。

3.3整机电路性能分析
前面已经提及，本次设计的全集成电路高保真扩音机主要由前置放大电路、有源滤波电路、功率放大电路三部分构成。

扩音机工作时，输入选择电路主要对输入信号进行选择切换控制，得出所需的信号输入，输入后的信号经有源滤波电路进行频率特性的校正和放大，使输入信号的频率特性变得较为平坦，同时使各种信号源输入的信号电平基本趋于一致，避免了在转换不同的信号源时声音响度出现较大的变化。

经前置放大器放大处理后的信号被送入功率放大器进行功率放大，以推动扬声器重放出声音。

在功率放大器中加入保护电路是为了保护扬声器免受电路冲击电流的干扰或在电路出现故障时烧毁扬声器，电源电路的设置是为集成运放电路元件提供合适的电压。

第4章设计总结
通过这次的课程设计，让我更加深刻的意识的理论与实践相结合的重要性。

课程设计中运用到了综合模电的知识，比如说放大器、集成运放，在寻找有关知识时，加深了对所学内容的印象。

在课程设计的过程中，不断的碰到新的问题迫使我一次次的去解决，以及各种元器件的参数。

使我对音频放大电路有了更深入的了解，对模拟电路设计过程和方法有了基本了解和认识，能够对简单电路系统中出现的故障和问题提出解决方案,学习并熟悉了 Multisim软件的基本使用。

同时有几点要注意事项：
1.如何消除干扰
电源地端，信号源以及CH1和CH2地端位置不恰当都会造成不同程度的干扰，要根据实际电路找出最佳的接线位置，使波形达到最好的效果。

没接入信号的输入端要接低，因为输入的信号5mV较小，易受外界干扰。

采用低频运放芯片辅助过虑去高频。

2.多级放大电路的第一级的反馈回路中需要在反馈电阻上并一个电容，用来滤除噪音。

3.对于特定的频率放大电路，可以通过串联电容的方法来调节电路中阻抗的大小，使得电路的性能更好。

4.在将直流源接到电路中时，需要接一大一小两个电容，以最大程度的滤除谐波分量，防止谐波对电路的影响。

此外，在与同学的讨论交流中，学到了许多课堂以外的知识。

本次实验使我的动手能力得到很大的提高，让我坚信有付出就会有收获。

附录一：参考文献
[1] 康华光主编《电子技术基础-模拟部分》高等教育出版社 2005.07.
[2] 鲁宝春等主编《电子技术基础实验》东北大学出版社2011.
[3] 朱兆优主编《电子电路设计技术》国防工业出版社2007.03
[4] 科林主编《功放机》电子工业出版社2004.06
[5] 沈有佳主编《显示器集成电路使用手册》电子工业出版社,2008.03
[6] 付家才主编《应用电子实践技术》北京化工出版社 2005
[7] 姚福安主编《电子电路设计与实践》山东科学技术出版社2001.
[8] 李万臣主编《模拟电子技术基础与课程设计》哈尔滨工程大学出版社2001.
[9] 黄永定主编《音响应用及技术》北京机械工业出版社2007.09.
附录二：整机电路图
R 11k Ω
A 1O P A M P _3T _
B A S I
C R 2
100k Ω
R 3100k Ω
R 4
100k Ω
R 5
100k Ω
R 610k ΩR 7
10k Ω
R 920k Ω
R 10
100k ΩK e y =A 50%A 3O P A M P _3T _B A S I C A 2O P A M P _3T _B A S I C
R 11
100k ΩK e y =A
50%R 12
51k Ω
R 8
62k ΩC 11n F
C 21n F C 3
100n F
C 4
100n F C 5
100n F
C 6100n F
R 1362k Ω
U 2U 1
R 1410k Ω
V C C 15V V C C 15V V D D -15V
V D D -15V R 15
62k Ω
R 16
430k ΩR 17
300k Ω
C 7
5u F
C 85u F
R 18
1k Ω
R 191k ΩR 201k ΩR 211k Ω
A 4O P A M P _5T _V I R T U A L R 2282k Ω
C 9
1u F R 235.1k ΩR 24
510k Ω
R 255.1k Ω
R 265.1k Ω
C 10100u F
R 2710k Ω
R 28
10k Ω
D 1
1D H 62D 21D H 62D 31D H 62T 1N 2219
R 2922k ΩR 30240k Ω
T 22N 2219T 3
2N 1132A R 3122k Ω
T 42N 3020V C C 15V
V D D -12V
附录三：所用元器件和测试仪器清单器件数量
示波器 1
信号发生器 1
3DG6 1
3CG21 1
3DD01 2
2CP10 2
uA741 1
电位器500K 2
电位器10K 1
功放TDA2030A 1 100K 电阻 6
10K 电阻 2
20K 电阻 1
18K 电阻 1
51K 电阻 3
62K 电阻 3 430K 电阻 1 300K 电阻 1 5.1K 电阻 4
22电阻 2 240电阻 2 0.001uf电容 2
5uf电容 2 0.1uf电容 6 100uf电容 2
滑动变阻器 2。