8W扩音机

null电子课程设计实例——8W扩音机电子课程设计实例——8W扩音机5.1.1设计任务和要求 设计一个对弱信号具有放大能力的扩音机，其要求如下： （1）输入信号源为话筒输入，幅度大小为0~5mV。 （2）最大输出功率为8W。 （3）负载阻抗为8Ω。 （4）频带宽度BW=80~6000Hz。 （5）非线性失真系数≤3%（在BW内满功率下）。 （6）要求具有音调控制功能。在1kHz为0dB；在100Hz和10kHz处有±12dB的调节范围。null5.1.2设计 扩音机实际是一个典型的多级放大器。其原理框图如图5.1.1所示。 前置级主要完成对小信号的放大。一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽度要宽，噪声要小。 音调控制级主要实现对输入信号高、低音的提升和衰减。 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。null首先根据技术指标要求，对集电路作适当安排，确定各级的增益分配，然后对个几点了进行具体的设计计算。 因为P0max=8W。所以此时的输出电压： 要使输入为5mV的信号放大到8V的输出，所需要的总放大倍数为： null扩音机中各级增益的分配为：前置级电压放大倍数为80；音调控制级中频电压放大倍数为1；功率放大级电压放大倍数为20。null5.1.3 单元电路设计 1. 前置放大级 由于信号源提供的信号非常微弱，故一般在音调控制器前面要加一级前置放大级。该前置放大器的下限频率要小于音调控制器的低音转折频率，前置放大器的上限频率要大于音调控制器的高音转折频率。前置放大器采用集成运算放大器电路，具体电路结构如图5.1.2所示。null考虑对噪声、频率响应的要求，运算放大器选用LF353双运放，该运放是场效应管输入型高速低噪声集成器件。其输入阻抗极高，输入偏置电流仅有50×10-12A，噪声电压为16μV/ ，单位增益频率为4MHz，转换速率为13V/μs，用做音频前置放大器十分理想。null前置级由LF353组成两级放大器完成。第一级放大 器的AV1=10,即 ，取R2=10kΩ， R3=100kΩ。取AV2=10（考虑增益余量），同样 R5=10kΩ，R6=100kΩ。电阻R1、R4为放大器的 偏置电阻，取R1=R4=100kΩ。耦合电容C1、C2、 取10μF，C4、C5取100μF，以保证扩音机的低频 响应。null2.音调控制器设计 音调控制器的功能是根据需要按一定的规律控制、调节音响放大器的频率响应，达到美化音色目的。一般音调控制器只对低音和高音信号的增益进行提升或衰减，而中音信号的增益不变。音频控制器的电路结构有多种形式，常用的典型电路结构如图5.1.3所示。该电路的音调控制曲线（即频率响应）如图5.1.4。null图中给出了相应的转折频率：fL1—低音转折频率。fL2—中音下限频率。f0—中音频率（即中心频率），要求电路对此频率信号没有衰减和提升作用。fH1—中音上限频率。fH2—高音转折频率。null音调控制器的设计主要是根据要求的不同的转折频率，选择电位器、电阻及电容值。 （1）低频工作时元件参数计算 音调控制器工作在低音频时（即f＜fL2），由于电容C5＜＜C6=C7，故在低频时C5可看成开路，音调控制电路此时可简化为图5.1.5所示电路。null（a）为电位器RW1中间抽头处在最左端，对应于低频提升最大的情况。 （b）为电位器RW1中间抽头处在最右端，对应于低频衰减最大的情况。 下面分别讨论：null①低频提升 由图5.1.5(a)可求出低频提升电路的频率响应函数为: 式中:wL1=1/C7Rw1,wL2=(Rw1+R10)/(C7Rw1R10)。上式的幅频响应曲线如图5.1.6所示。当频率远远小于fL1时，电容C7近似开路，此时的增益为: null当频率升高时，C7的容抗减小，当频率远远大于fL2时，C7近似短路，此时的增益： 在fL1＜f＜fL2的频率范围内，电压增益衰减率为-20dB/10倍频，亦即-6dB/倍频。 本设计要求中频增益A0=1（0dB），在100Hz处有±12dB的调节范围。故当增益为0dB时，对应的转折频率为400Hz。该频率即是中音下限频率fL2=400Hz。最大提升增益一般取10倍，因此音调控制器的低音转折频率fL1=fL2/10=40Hz。 电阻R8、R10、Rw1的取值范围一般为几kΩ~几百kΩ。若阻值取得过大，运算放大器的漏电流的影响变大；若取值过小，流入运算放大器的电流将超过其最大输出能力。这里取Rw1=470kΩ。由于A0=1，故R8=R10。又因为wL2/WL1=（Rw1+R10）=10，所以R8=R10=Rw1/（10-1）≈52(kΩ),取R9=R8=R10=51kΩ。电容C7由下式求得：C7=1/（2πfL1*Rw1）≈0.0085（μF），取C7=0.01μF。null②低频衰减 在低频衰减电路中，如图5.1.5（b）。若取电容C6=C7，则当频率f≤fL1时，电容C6近似开路，此时电路增益：AL=R10/（R8+Rw1）。当频率f≥fL2时，电容C6近似短路，此时电路增益：A0=R10/R8。可见低频端最大衰减倍数为1/10（-20dB）。null(2)高频工作时元件计算 音调控制器在高频端工作时，电容C6、C7近似短路，此时音频控制器电路可简化成图5.1.7所示电路。由于电阻R8，R9、R10为星型连接，为便于，可将它们转换成三角形连接，转换后的电路如图5.1.8。因为R8=R9=R10，所以Ra=Rb=Rc=3R8。由于Rc跨接在电路的输入端和输出端之间，对控制电路无影响，故可将它忽略不记。null当Rw2中间抽头处于最左端时，此时高频提升最大，等效电路如图5.1.9（a）所示。当Rw2中间抽头处于右端时，此时高频衰减最大，等效电路如图5.1.9（b）所示。null①高频提升 由图5.1.9（a）知：该电路是一典型的高通滤波器，其增益函数为：null按照低频端的分析方法，可画出高频端的幅频特性曲线，如图5.1.10所示。 当f≤fH1时，电容C5可近似开路，此时的增益为A0=Rb/Ra=1（中频增益）。 当f≥fH2时，电容C5可近似短路，此时的增益为AH=Rb/（Ra//R11）。 当fH1≤f≤fH2时，电压增益按20dB/10倍频的斜率增加。null本设计任务书要求中频增益A0=1，在10kHz处有±12dB的调节范围。所以求得：fH1=2.5kHz。又因为ωH2/ ωH1=（R11+Ra）/R11=AH，高频最大提升量AH一般也取10倍，所以fH2=AHfH1=25kHZ。由（R11+Ra）/R11=AH得：R11=Ra/（AH-1）=17kΩ,取R11=18kΩ。由ωH2=1/C5R11得：C5=1/（2πfH2R11）=354PF，取C5=330pF。高音调调节电位器Rw2的阻值与Rw1相同，取Rw2=470kΩ。null②高频衰减 在高频衰减等效电路中，由于Ra=Rb，其余元件值也相同，所以高频衰减的转折频率与高频提升的转折频率相同。高频最大衰减为1/10（即-20dB）。null3.功率输出级设计 功率输出级电路结构有许多形式，选分立元件组成的功率放大器或单片集成功率放大器均可。为了巩固在模拟电子技术基础所学的基础知识，这里选用集成运算放大器组成的典型OCL功率放大器，其电路如图5.1.11所示。nullnull(1)确定电源电压Vcc 为了使功率放大器达到设计输出功率8W的要求，同时又保证电路安全可靠的工作，电路的最大输出功率应比实际设计指标大些，一般取 P0m=（1.5~2）P0。根据：考虑到输出功率管T2、T4的饱和压降和发射极电阻R8、R9的压降，电源电压常取Vcc=（1.2~1.5）U0m 将已知参数带入上式，电源电压选取：±18V。null（2）功率输出级设计 ①输出晶体管的选择。输出功率管T2、T4选择同类型的NPN型大功率管。其承受的最大反向电压UCEmax≈2Vcc，每管的最大集电极电流ICmax=Vcc/（R21+RL）≈2（A）。每管的最大集电极功耗为：PCmax≈0.2P0=1.6（W）。所以，在选择功率三极管时，除应使两管的β值尽量对称外，其极限参数应满足系列关系： U（BR）CEO＞2Vcc ICM＞Icmax PCM＞Pcmax 根据上式关系,选择功率三极管为:3DD01。null②复合管的选择 T1、T3分别与T2、T4组成复合管，它们承受的最大电压均为2Vcc，考虑到R18、R20的分流作用和晶体管的损耗，晶体管T1、T3的集电极最大电流近似为： ICmax≈ 晶体管T1、T3的集电极最大功耗近似为： PCmax≈ 实际选择T1、T3的参数要大于其最大值。另外为了复合出互补类型的三极管，一定要使T1、T3互补，且要求尽可能对称性好。故选用T1为8050，T3选用8550。null③电阻R17~R22的估算。 R18、R20用来减小复合管的穿透电流，其值太小会影响复合管的稳定性，太大又会影响输出功率，一般取R12=R20=（5~10）Ri2。Ri2为T2管的输入端等效电阻，其大小为：Ri2=rbe2+（1+β2）R21，大功率管的rbe约为10Ω，β约为20倍。 输出功率管T2、T4的发射极电阻R21、R22起到电流负反馈作用，使电路的工作更加稳定，减少非线性失真。一般取R21=R22=（0.05~0.1）RL。null由于T1、T3管的类型不同，接法也不一样，因此两管的输入阻抗不一样，这样加到T1、T3管基极输入端的信号将不对称。为此，加R17、R19作为平衡电阻，使两管的输入阻抗相等。一般选择R17=R19=R18//Ri2。 根据以上条件，电路选择元件值为：R18=R20=240Ω，R21=R22=1Ω，R17=R19=30Ω。null④确定偏置电路。 为了克服交越失真，二极管D1、D2和R15、R16、Rw3共同组成输出级的偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态。R15、R16的阻值要根据输出级输出信号的幅度和前级运算放大器的最大允许输出电流来考虑。静态时功率放大器的输出端对地的电位应为零，即V0=0V。运算放大器的输出电位V03≈0V，若取电流I0=1mA，Rw3=0，则 I0≈ 所以R15=17.3kΩ，取R15=18kΩ。为了使静态工作点能在一定范围内调节，取Rw3=1kΩ。为了保证对称，电阻R16=R15=18kΩ。null⑤反馈电阻R13、R14的决定： 运算放大器选用μA741，功率放大器的电压增益可表示为：Av=1+（R13+Rw4）/R14=20，取R14=1kΩ，则R13+Rw4=19kΩ，为了使功率放大器增益可调，取R13=15kΩ，Rw4=5kΩ。电阻R12是运算放大器的偏置电阻，电容C8是输入耦合电容，其容量大小决定扩音机的下限频率。取R12=100kΩ，C8=100μF。并联在扬声器两端的R23、C10消振网络，可以改善扬声器的高频响应。null5.1.4调试要点 调试安装前，首先将所选用的电子元器件测试一遍，确定元件完好。在进行元器件安装时，元器件布局要合理，连续尽可能短而直。所用的测量仪器要准备好。null1.前置级调试 输入交流信号不加入，用万用表分别测量μA741的输出电位，正常时应为0V附近。若输出端直流电位为电源电压值时，则可能运算放大器已坏或工作在开环状态。 输入端加入Vi=5mV，f=1000Hz的交流信号，首先用示波器观察输出波形有无自激现象。如有自激振荡，首先消除，例如在电源对地端并接滤波电容等措施。当工作正常后，用交流毫伏表测量放大器的输出，并求其电压发达倍数。 输入信号幅值保持不变，改变其频率，测量幅频特性，并画出幅频特性曲线。null2.音调控制器调试 静态测试同上。在音调控制器的输入端加入400mV的正弦信号幅值不变，分别测量将低音控制电位器调到最大提升，同时将高音控制电位器调到最大衰减，测量其幅频特性曲线；将两个电位器的位置调到相反状态，重新测试其幅频响应曲线。 若不符合要求，则应检查电路的连接，元器件值、输入输出耦合电容是否正确、完好。null3.功率放大器调试 静态调试。首先将输入电容输入端对地短路，接通电源，用万用表测试输出端o点的电位，调节电位器Rw3，使o点的电位近似为零。 在输入端接入400mV，1000Hz的正弦信号，用示波器观察输出波形失真情况，调整电位器Rw3，使输出波形交越失真最小。调节电位器Rw4，使输出电压的峰值等于或大于11V，以满足输出功率的要求。null4.整机调试 将三级电路连接起来，接收机检波后的信号或连接一话筒，调节音量控制电位器Rw4，应能改变音量的大小。调节高、低音控制电位器，应能明显听出高、低音调的变化。敲击电路板应无声音间断和自激现象。