扩音机的设计

目录

1引言 ........................................................................................................................................... 1 2工作原理 ................................................................................................................................... 2

2.1原理框图 ........................................................................................................................ 2 2.2各部分电路的功能 ........................................................................................................ 2 3电路设计 ................................................................................................................................... 4

3.1结构方式的选择 ............................................................................................................ 4 3.2各级电压增益计算 ........................................................................................................ 4 3.3各级电路的设计 ............................................................................................................ 5 3.3.1前置放大电路的设计 ................................................................................................. 5 3.3.2音制电路的设计 ................................................................................................. 7 3.3.3功率放大电路的设计 ............................................................................................... 10 3.4整机电路 ...................................................................................................................... 12 4电路仿真 ................................................................................................................................. 14

4.1仿真软件EWB简介 ................................................................................................... 14 4.2仿真结果 ...................................................................................................................... 14 5绘制PCB板 ........................................................................................................................... 16

5.1PROTEL 99SE软件简介 ............................................................................................. 16 5.2绘制PCB板图 ............................................................................................................ 16 6结论 ......................................................................................................................................... 19 参考文献 .................................................................................................................................... 20 致谢 ............................................................................................................................................ 21

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摘 要

扩音机的作用是把来自话筒或前级放大器的微弱信号放大，从而推动负载工作。本文按设计指标设计的是前后级分体式扩音机，包括前置放大器、音制器、功率放大器三部分电路，能使输入的话筒信号进行不失真的放大，其中功率放大器是扩音机的核心部分。本文对各个部分电路进行了设计,对重要元器件的参数进行了计算，然后用EWB仿真软件进行了仿真，仿真显示能达到技术指标的要求，最后用PROTEL 99SE软件绘制了PCB板图。

关键词：前置放大；音制；功率放大；扩音机

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Abstract

Amplifier effect is to enlarge the little signal coming from the microphone or the front level amplifier, driving the audio to work thereby. That the main body of this papers is designing amplifier that the preamplifier and the power amplifier are take apart from each other. It is three parts included, preamplifier, pitch controller and power amplifier. The purpose is the signal of the microphone input carries out after all true amplification. The most important part of the amplifier is power amplifier. The papers has designed the main three bodies

of the circuit, having been in progress to important component parameter secretly scheming against .The

papers has used simulated software of EWB to have been in progress simulating, then has made PCB board picture reach technology index request, simulate demonstrating the request being able to reach the technology index, at last has been drawn with PROTEL 99SE software.

Key words: preamplifier; pitch-controller; power amplifier; amplifier

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1引言

扩音机是用来将微弱的电信号放大成具有一定功率电能的设备，也就是把话筒、拾音器受到机械振动后所产生的信号电压，或由收音机、录音机等接收的信号电压，经过一级或多级放大后使其具有一定功率，来推动负载（扬声器）工作。其广泛应用于家庭、会议室、广播、教学等各个领域。随着生活质量的提高，人们对扩音机的功能和声响效果有了更高的要求，高保真、多功能的扩音机应运而生。

本文是按要求设计扩音机，要求对话筒信号进行不失真的放大。主要的技术指标如下:

（1）输入话筒信号的幅度：Ui≤5mV； （2）输出功率P≥1W，负载阻抗RL=8Ω； （3）频带宽度80-10KHz；

（4）音制特性1KHz处增益为0dB，10KHz处增益为±12dB。

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2工作原理

2.1原理框图

扩音机是一个多级放大器，由前置放大电路、音制电路、功率放大电路和负载组成，其原理框图如图1所示。

图1 扩音机原理框图

主要技术指标有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻尼系数等[1]。

2.2各部分电路的功能

（1）前置放大电路

前置放大电路实际上是一个小信号放大器。扩音机系统中，功率放大器对输入信号有一定要求，太弱的信号功率放大器无法工作。因此，在功率放大器前需要增加一级至多级的放大器，将小信号逐步放大到功率放大器所需要的信号幅度。前置放大器位于音源和功率放大器之间，对整个系统的频率特性的改善、前期音质的处理和音调的控制都有举足轻重的作用。

（2）音制电路

音制是音响电路中最基本的功能，可按规律调节扩音机输出信号的频率响应，从而达到补偿声学特性、美化音色等目的。

（3）功率放大电路

功率放大电路是电子电路中一个十分重要的部分。不同于前置放大器，功率放大器不仅对音频电压信号进行放大，而且放大了音频电流信号，以满足外接负载的功率要求

[2]

，同时功率放大器还具有效率特性平坦、高信噪比（有用信号和噪声信号的功率比值）

2

和优良的动态特性等功能。

（4）扬声器

扬声器是音响设备中的终端设备，它是一种电声转换元件，由音响设备中的功率放大器输出的音频信号，附加在扬声器的振动膜上，使其振动发声[3]，扩音机和扬声器的配接必须要匹配。

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3电路设计

3.1结构方式的选择

在高保真的音响设备中，扩音机通常有两种组合结构方式:

一种是把“前置”和“功放”组合在一起，称为合并式扩音机[4]。“前置”用来把信号作初步放大、调节音调和音量。“前置”分为有源和无源的，有源的“前置”是使用电源把信号放大，而无源的“前置”只有调节音调和音量的功效。功率放大器则是把前级信号放大来推动扬声器工作。这时由于小信号电压放大的前置级和大信号电流放大的功率放大在性能上不能兼顾，因而不能使扩音机达到最佳的工作状态，特别是前、后级的电源馈电，电源变压器的电磁干扰，印刷电路板的走线排版，功用地线的走向等方面总会存在一定的干扰，影响整机电路的提高。

另一种是在设计和制造上把前置放大器和功率放大器彻底分开,各自有更大的空间设计得更精密，可分别使用电源，单独的机壳，使两级之间互不干扰，形成分体式的结构，在使用时再把它们用信号传输线连接起来，这种分体式结构的扩音机可获得极高的性能指标。

根据技术指标要求，本文选用分体式结构设计扩音机。

3.2各级电压增益计算

首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常由功放级开始向前一级逐级计算。

对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗[5]。根据题意要求，输入信号为5mV时输出功率为1W，因此OTL功率放大器的电源电压VCC和输出信号电压UO分别为

VCC8PRL8188V 183V

UOPR考虑损耗，选择电源电压为12V。电路系统的总电压增益Au

AUUOUI3V5mA600(55.56dB)

4

各级增益分配如图2所示，功放级增益Au3取

Au375(37.50dB)

图2 各级电压增益分配

音制级在fO1KHz时，增益应为1（0dB），但实际电路有可能产生衰减，取

Au20.8(2dB)

在前置放大级中一般采用运算放大器，但由于受到增益带宽积的，增益不宜太大，取

Au110(20dB)

3.3各级电路的设计

由于各信号源强度不一，必须在功能转换开关之前协调处理好各信号的输入强度，对于过强的信号进行适当的衰减，或对太弱的信号采取必要的放大措施，以求得到强度一致的输入信号。

3.3.1前置放大电路的设计

前置放大器的输入信号为话筒信号，只有5mV左右。前置放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到100KHz），其输入阻抗远大于话筒的输出阻抗。由于LM324集成块具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，

5

因此本文运用运算放大器LM324构成的同相放大器设计前置放大电路。

LM324采用14脚双列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运算放大器相互。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。两个信号输入端口中，Vi-（-）为反相输入端，表示输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。其外形符号如图3所示，引脚排列如图4所示，设计的前置放大电路如图5所示。

图3 LM324的外形符号 图4 LM324的引脚排列

图5 前置放大电路

前置放大电路中A1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻抗的话筒配接作为话筒放大器电路，其放大倍数Au1为 Au11R12R11 （1）

运算放大器LM324的频带虽然很窄（增益为1时，带宽为1MHz），但这里放大倍数不高，故能达到fH10KHz的频响要求。

C11为隔直耦合电容。

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R12构成负反馈网络，决定话筒放大器的放大倍数，其放大倍数Au1为

Au11R12R1110(20dB)

两个10KΩ电阻是为集成运算放大器同相输入端口提供直流偏置而设的。 3.3.2音制电路的设计

音制器的功能是按一定规律调节输出信号的频率响应。它能对音频范围内的若干个频段点分别进行提升和衰减。某一频段点的理想频率特性控制曲线如图6所示，虚线为实际频率特性控制曲线。

图6 频率特性控制曲线

图中fo1KHz为中音频率（亦称中心频率），要求增益Aum0dB；fL1为低音转折频率，一般是几十赫兹；fL210fL1为中音转折频率；fH1为中音转折频率；fH210fH1为高音转折频率，一般为几万赫兹。

音制器只对低音或高音的增益进行提升或衰减，而保持中音的增益不变。音制又称音质调节，按其调节的频率范围分，有高音音质调节和多频段音质调节[6]。

基本的音制器如图7所示。中频区频率特性分析中，通常C1＝C2>>C3；R1＝R2；并使在中频区C3可视为开路，在中、高音频区C1、C 2可视为短路。这样，可绘出中音频区的音制器等效电路如图8（a）所示，显然，其电压增益Aum＝0dB。低频区频率特性分析中，在低频区，音制器的等效电路如图8（b）所示。其中（b）-1为R w1 的滑臂在左端，对应于低频提升最大的情况，（b）-1为Rw2 的滑臂在右端，对应于低频衰减最大的情况。高频区频率特性分析中，在高频区，音制器的等效电路

7

如图8（c）-1所示,为便于分析可先将星形连接的R1、R2、R4转换成三角形连接，转换后的电路如图 8（c）-2所示。当Rw2的滑臂至最左端和最右端时，可将图8（c）-2所示电路分别绘成图8（c）-3和8（c）-4所示电路。

图7 基本的音制器

（a）中频等效电路

（b）-1音制器的低频提升 （b）-2音制器的低频衰减

（b）低频等效电路

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（c）-1音制器高频等效电路 （c）-2转换后的音制器的等效电路

（c）-3音制器的高频提升 （c）-4音制器的高频衰减

（c）高频等效电路 图8 音制器的等效电路

在本文设计中，音制器可由运算放大器构成，运算放大器选用单电源供电的LM324。具体的音制电路图如图9所示，为反馈式高低音调节电路。

图9 音制电路

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经过前置放大器放大的信号通过耦合电容C24耦合到音制电路，实现高低频的频率补偿。音制电路采取RC网络反馈，集成运算放大器A构成反相放大电路。

R23、C21、C22构成低频段反馈量调节网络；其中RW1、另一部分是由RW2、R21、R22、R24、C23构成的高频段反馈量调节网络。由运算放大器的“虚短”和“虚断”的特点，

这两个反馈网络部分是作用，互不干扰的。RW1电位器的中心抽头与两端间有C21、

C22电容旁路中高频信号，因此，此反馈网络只对低频信号起作用。当RW1中心移动时，

中高频段的反馈量不变，放大倍数为1。对于低频信号电路中，RW2的中心抽头会改变反馈系数，即起到提升（左移）或衰减（右移）的作用。同理，RW2、R24、C23构成的高频段反馈量调节网络中，由于C23的存在，C23相当于短路；对低频信号C23相当于开路，因而不起作用，调节RW2电位器，只会改变对高频信号的放大倍数（中心头左移提升，右移衰减）。

RW3为音量控制电位器，其滑臂在最上端时，音响放大器输出最大功率。

3.3.3功率放大电路的设计

功率放大器是给音响的负载（扬声器）提供一定的输出功率。当输出功率一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线形失真尽可能小，效率尽可能高[7]。

功率放大器的电路形式很多，有双电源供电OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推免功放电路和变压器耦合功放电路等等。目前在音响设备设计电路中，广泛采用集成功率放大器。LA4102是一种音响设备中应用很广泛的集成功放，具有性能稳定，工作可靠及安装调试简单等优点。在本文中采用LA4102的集成功放，其封装形式如图10所示，主要性能指标如表1所示，内部电路如图11所示。

[8]

图10 LA4102的封装

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表1 LA4102主要技术指标参数

参数名称 电源电压 静态电流 输出功率

输入阻抗

符号

VCC ICCO PO

单位 V MA W KΩ

数 值 6～13 15 2.1 20

测试条件

-

VCC9V VCC9V，RL＝4Ω

f1KHz

Ri

f1KHz

图11 LA4102集成功放内部电路

输入级由VT1、VT2组成差动电路，用以减小温度漂移，提高输入阻抗和减小噪声。

VTVT3、R4、R5及VT5组成分压网络，一方面为VT1提供静态偏置电压，另一方面为VT5、组成的镜像恒流源提供参考电流。VT4、VT7组成两级电压放大器，具有较高的电

146压增益。VT8、VT组成的PNP型复合管与VT1112、VT13组成的NPN型复合管共同构

成互补对称推挽输出电路。R9、VT9～VT为电平移动电路，给末级功放提供合适的

静态偏置。R11接于输出端和VT2的基极之间，构成很深的直流负反馈，可以稳定静态工作点，提高共模抑制比。此集成功放采用单电源供电方式接成OTL电路形式，也可以采用正负双电源供电方式（将3脚接负电源）接成OCL电路形式。

本设计采用接成OTL形式的电路，功率放大电路图如图12所示。

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图12 功率放大器电路

外部元件的作用如下：

RF、CF与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制电路的闭环电路增益，其功放

级的电压增益Au3为

Au3R11RF （2）

CB为相位补偿。CB减小，频带增加，可消除高频自激。CB一般取几十至几百皮法。

在此取CB=51pF；

CC为OTL电路的输出电容，两端的充电电压为VCC/2，CC一般取大于VCC/2的

几百微法电容。在此取CC=470µF；

CDCH为反馈电容，消除自激振荡，CD一般取几百皮法。在此取CD=560pF； 是自举电容，使复合管VT12、VT13的导通电流不随输出电压的升高而减小。在

此取CH=220µF；

C32、C33是滤除纹波，一般取几十至几百微法。在此取C32=220µF，C33=100µF；

C31是电源退耦滤波，可消除低频自激。在此取C31=220µF；

如果输出波形出现高频自激（叠加毛刺），可以在13脚与14脚之间加0.15μF的电容。

3.4整机电路

根据上节各级电路的设计,整机电路共分三部分:

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（1）前置放大器：将输出的信号放大到功率放大器所需的信号幅度；

（2）音制器：调节扩音机输出信号的频率响应，补偿声学特性、美化音色； （3）功率放大器：放大音频电压和电流信号，以满足外接负载的功率要求。 整机电路图如13所示。

图13 扩音机整机电路

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4电路仿真

4.1仿真软件EWB简介

Electronics Workbench（简称为EWB）是基于PC的电子设计软件，由加拿大Interactive Image technologies Ltd公司研发。其一体化设计环境可将原理图编辑、SPICE仿真和波形分析、仿真电路的在线修改、选用虚拟仪器、借助14种工具分析输出结果等操作在一个集成系统内完成[9]。

4.2仿真结果

双击Electronics Workbench图标进入工作界面，根据电路图将所需元器件和仪表调入工作平台，按电路图进行连线，并对仿真电路图编辑和调整。线路连接如图14所示。

图14 仿真线路连接图

仿真输出波形如图15所示，其中输入正弦波幅度

A=1V

输出波形中，红线为信号输入端的波形，蓝线为输出端的波形。当可变电阻R6的滑动触点移动到最左端时，低音提升量最大；当移动到最右端时，低音衰减量最大；当

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可变电阻R9的滑动触点移动到最左端时，高音提升量最大；当移动到最右端时，高音衰减量最大。从中可看出电压仿真结果能够满足设计要求。

图15 仿真输出波形

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5绘制PCB板

5.1PROTEL 99SE软件简介

PROTEL 99SE是澳大利亚PROTEL Technology公司推出的一个全2位的电路板设计软件。它有超强的电路绘图、仿真、可编程逻辑设计和印刷电路板（PCB）功能，同时它还提供了一些适用于电路设计、文字编辑器、电路数据管理的电子表格编辑器和统计图编辑器等工具[10]。

5.2绘制PCB板图

（1）绘制电路原理图

双击PROTEL 99SE图标打开软件，使用Design/Options和Tool/Preferences菜单设置好原理图设计环境，将元件库中的元件从库中取出并按规则布线，再对原理图进行编辑和调整。扩音机整机原理图如图16所示。

VCCRP21470KΩC21VCC0.01uFR2347KΩ102R1310KΩ3A11/4 LM324 10uFC3010uFC23510pF10uFR1410KΩRP22470KΩ10KΩR2413KΩR26RP1110KΩRf1C13A21/4 LM324 9C25.7uFLM4102A31Cc470uFR2247KΩC220.01uF98220uFVCCC340.15uFR21R1290KΩ47KΩ.C31C32100uF220uFC33100uF4141012C12R1110KΩC114111uFR2510KΩR271KΩ话筒11543100Ω13ChRL8ΩCd51pFCf0.33uFCb560pF

图16 扩音机整机原理图

（2）电气规则检查：使用Tool/ERC菜单对画好的原理图进行电气规则检查，检查完毕后，显示检查报告表，如有错误则返回原理图进行修改，直至检查报告表显示没有错误为止。

（3）原理图元件列表：使用Edit/Export to Spread菜单可得元件列表的Excel格式的电子表格。元件列表如表2所示。

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表2 元件清单表

元件名称 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 扬声器 电位器 电位器 运算放大器 运算放大器

元件属性值 1μF25V 10μF400V 0.01μF50V 510pF35V 4.7μF250V 0.33μF100V 100μF25V 0.15μF100V 220μF200V 51pF25V 560pF50V 470μF25V 200Ω0.5W 10KΩ 68KΩ 47KΩ 13KΩ 1KΩ 8Ω5W 10KΩ0.5W 470KΩ0.5W LM324 LA4102

元件数量

1 3 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 5 1 3 1 1 1 1 1 2 1 1

（4）建立网络表：使用菜单Design/Net list。

（5）网络编辑器中调入网络表：使用菜单Design/Load Net将网络编辑器调入。 （6）自动布线：使用菜单Auto Route/Setup。

（7）手工干预布线：简单的自动布线不能画出满足实际需要的电路板，手工干预可满足实际布线规则。

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设计出的扩音机PCB板图如图17所示，可用于生产样品。

图17 扩音机PCB板

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6结论

本文按要求完成了扩音机的设计电路，包括基本的前置放大电路、音制电路和功率放大电路，对重要元器件的参数进行了计算，用EWB仿真软件进行了仿真并达到了技术指标的要求，最后用PROTEL 99SE软件绘制了PCB板图。

在实际生产过程中，可根据用户的实际需要设计扩音机电路。如对音质效果有较高要求，应引用先进的扩音电路，选用高档的元器件，可用“杜比定向逻辑解码器”做声音处理中心，其功放电路主声道用高档分立元件电路设计。

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参考文献

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[3] 康浩，高崧，吴焕泉．音响快速检修技巧及实例手册[M]，北京：地震出版社，1998：220． [4] 付家才．应用电子工程实践技术[M]．北京：化学工业出版社，2005：124-125． [5] 康华光．电子技术基础模拟部分[M]．北京：高等教育出版社，1999：196-198． [6] 林春方．电子线路学习指导与实训[M]．北京：电子工业出版社，2004：179．

[7] 谢云，易波，刘冰茹，王春茹．现代电子技术实践课程指导[M]．北京：机械工业出版社，2003：

137．

[8] 高吉祥．电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：电子工业出版社，2002：187． [9] 廖先芸．电子技术实践与训练[M]．北京：高等教育出版社，2000：150． [10] 黑杰克．Protel schematic 99SE电路设计[M]．北京：科学出版社，2001：2-3．

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致谢

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