语音放大电路设计

语音放大电路设计

一、设计的目的

1. 通过对语音放大器的设计，掌握低频小信号放大电路的工作原理和设计方法。

2. 进一步理解集成运算放大器和集成功放的工作原理，掌握有源滤波器和功放电路的设计过程。

3. 了解一般电子电路的设计过程和装配与调试方法。

4. 了解语音信号的有关知识。 二、系统的主要技术指标 1. 话筒放大器

输入信号：mV v i 10≤ 输入阻抗：Ω≥k R i 100 共模抑制比：db K CMR 60≥ 2. 语音滤波器（带通滤波器） 带通频率范围：300Hz~3kHz 3. 功率放大器

额定输出功率：W P om 1≤ 负载阻抗：Ω=16L R

电源电压：V 10

频率响应：kHz Hz 10~40 三、预习要求

1. 复习集成预算放大器、有源滤波电路及功率放大电路的相关知识，了解静态与动态的调试方法。

2. 根据设计任务与要求，确定各级的电压放大倍数和各单元电路的设计方案，并确定电路中各元件的参数值。

3. 根据实验要求和测试内容自拟实验方法和调试步骤。 调试注意：

1） 在进行直流微弱信号运算时，要注意运算放大器的调零。 2） 必要时进行相位补偿，避免自激震荡。

3） 由于电路的闭环输出电阻极小，所以测量输出电阻时所加载电阻不能太小，以免损坏运算放大器。

四、语音放大器方案

首先根据设计要求确定整个语音放大电路的级数，再根据各单元电路的功能及技术指标分配各级的电压增益，然后确定各级电路的元件参数。

由于话筒输出的信号一般mV 5左右，因此根据设计要求，当语音放大器的输入信号为

mV 5、输出功率为W 1时，系统的总电压放大倍数566=u A 。考虑到电路损耗的情况，取

600=u A 。所以系统各级电压放大倍数分配：话筒放大器7.5，语音滤波器2.5，功率放大

器32。设计方案如下：

图1 语音信号放大器框图 五、语音放大器设计 1. 话筒放大器

由于话筒输出信号一般只有mV 5左右，而共模噪声可能高达几伏，故放大器输入漂移和噪声的因数以及放大器本身的共模抑制比都是在设计中要考虑的重要因素。因此话筒放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移、能与高阻话筒配接的小信号前置放大器电路。由于受到运放增益带宽的限制，该级增益不易太大，一般取5.7=u A 。电路如图2所示，其中1A 组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路，其放大倍数1u A 为

（1）

图2 话筒放大器电路

R 为均压电阻， C 2为耦合电容。 2. 语音滤波器

声音时通过空气传播的一种连续的波，称为声波。声音的传播携带了大量信息，是人类传播信息的一种重要媒体。一般把频率低于20Hz 的声波称为次声波，频率高于20kHz 的声波称为超声波，这两类声音人耳是听不到的。人耳可以听到的声音时频率在20Hz ~20kHz 之间的声波，称为音频信号。人的发音器官发出的声音频率在80Hz~3.4kHz 之间，但人说话的信号频率通常在300Hz~3kHz 之间，人们把这种频率范围的信号称为语音信号。

语音滤波器实际上是二阶有源带通滤波器，因此根据语音信号的特点和要求所设计的带通滤波器的频率范围应在300Hz~3kHz 之间。

带通滤波器能够通过规定范围内的频率，这个频率范围就是电路的带宽W B 。将低通滤波器电路和高通滤波器电路串联起来就构成带通滤波器，条件是低通滤波器的截止频率H f 大于高通滤波器的截止频率L f ，两者覆盖的带通就形成了带通响应。滤波器的最大输出电

1

21/1R R A u +=

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，也就是电路的品质因数Q 越高，电路的Q 值可用如下公式求出：W B f Q /0=，由上公式可知，高Q 值的滤波器带宽较窄，但输出电压较大；低Q 值的滤波器有较宽的带宽，但输出电压较小。

在设计带通滤波器之前，首先讨论典型的二阶有源滤波器。 （1）二阶有源LPF ①基本原理

典型二阶有源低通滤波器如图3所示，为抑制尖峰脉冲，在反馈回路可增加电容

3C ，3C 的容量一般为22pF~51pF 。若滤波器每节RC 回路衰减—6dB/倍频程，每级滤波器

衰减—12dB/倍频程。其传递函数的关系式为：

()2

22

n

n

n uf s Q s A s A ωωω+∙+

∙=

（2）

ui

图 3 二阶有源LPF

式（2）中uf A ,n ω,Q 分别表示如下： 通带增益 Ra

Rb A uf +=1

固有频率 2

1211C C R R n =

ω (3) 品质因数 ()()1

12122

1211C R A R R C C C R R Q uf -++=

② 设计方法

设R R R ==21, C C C ==21,则

uf

A Q -=

31

(4)

Rc

f n π21=

由式（4）得知，f n 、Q 可分别有R 、C 值和运放增益A uf 的变化来单独调整，相互

影响不大，因此该设计法对要求特性保持一定n f 而在较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性较高的元件。在图3中，Q 值按照近似特性可有如下分类：

71.02

1≈=Q 为巴特沃思特性

58.03

1≈≈Q 为贝塞尔特性

96.0≈Q 为切比雪夫特性 ③设计实例

要求设计如图3所示的具体巴特沃思特性（71.0≈Q ）的二阶有源LPF ，已知f n =1KHZ.。 取Ω===k R R R 16021,71.0≈Q ,由式（4）可得： 58.113≈-=Q

Q A uf

uf R

f C C n 001.02121=∙=

=π

（2）二阶有源HPF ①基本原理

HPF 与LPF 几乎具有完全的对偶性，把图3中的R 1、R 2和C 1、C 2位置互换就构成如图4所示的二阶有源HPF 。二者的参数表达式与特性也有对偶性，二阶HPF 的传递函数为：

()2

22n

n

uf s Q

s s A s A ωω++

∙=

(5)

式中：

a

b uf

R R A +=1

2

1211C C R R n =

ω (6)

()()2

1/12212C R A C C R Q uf n -++=

ω

② 设计方法

HPF 中R 、C 参数的设计方法也与LPF 相似。 设C 1=C 2=C,R 1=R 2=R,根据所要求的Q ，n ω,可得