林蘭平

(福州市委市政府會議保障中心，福建 福州 350001)

0 引言

近年來，電子產(chǎn)品盛行，各式各樣的電子產(chǎn)品逐漸融入人們的生活中。音響作為一個重要的聲音播放媒介應(yīng)用更加廣泛，不但可以滿足人們正常通信的需求，而且用其播放音樂越來越成為人們緩解生活壓力的一種方式。隨著微電子科技日趨成熟，人們對聲音品質(zhì)也有了更高的要求。本設(shè)計基于此背景利用模擬電子技術(shù)展開對音響放大器的研究。

1 音響放大器的組成

1.1 音響放大器概述

音響放大器由語音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器和功率放大器組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音響放大器基本組成結(jié)構(gòu)

1.2 語音放大器

通常語音放大器就是話筒。話筒的主要作用是將外界輸入系統(tǒng)的聲音做一個形式上的轉(zhuǎn)換，即從聲信號變?yōu)殡娦盘?。其主要過程是輸入的聲音通過聲波使內(nèi)部元件振動進而產(chǎn)生電壓，轉(zhuǎn)化為電能進行傳輸。因為話筒的電信號是線圈振動產(chǎn)生的，所以電壓較小但阻抗大。語音放大器能發(fā)揮很好的作用，將傳來的電信號無損地放大，但阻抗遠大于話筒的阻抗。通常語音放大器內(nèi)部會有一個濾波器用來解決聲音在空氣中傳播過程中的諧波失真問題。

1.3 混合前置放大器

混合前置放大器主要作用就是將之前不同來源的傳入信號進行混合后放大。通常來講，音響放大器的混合前置放大器都有好幾路，這一器件會將輸出信號混合在一起，進而傳入后面的放大器進一步放大。

1.4 音調(diào)控制器

音調(diào)控制器的主要作用就是調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻，可以改變輸出聲信號中各頻率成分的相對強度。其內(nèi)部包含一個低通濾波器和一個高通濾波器，一般由電阻器與電容器組成。當(dāng)需要將低頻信號調(diào)高時，僅需衰減高頻信號即可；當(dāng)需要將高頻信號調(diào)高時，是也是如此操作。

1.5 功率放大器

功率放大器就是“功放”，其在音響放大器中起著組織、調(diào)配的關(guān)鍵作用，能夠?qū)⑶凹墏鱽淼妮^弱信號放大后傳送給揚聲器。其內(nèi)部的驅(qū)動放大器能夠?qū)⑶爸梅糯笃鬏斎氲碾娦盘栠M一步放大；末級放大器將電流信號整合后形成大功率信號，從而帶動揚聲器發(fā)聲。

2 音響放大器的指標(biāo)要求及總體設(shè)計

由前文可知，本設(shè)計的音響放大器主要由語音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器以及功率放大器組成。在設(shè)計中，電路的級數(shù)是首先要確定的，然后利用各級的級數(shù)、功能指標(biāo)參數(shù)要求對各級電壓的增益進行分配，再從功放級向前級依次計算各級電路的相關(guān)參數(shù)。

2.1 音響放大器的相關(guān)指標(biāo)要求

本系統(tǒng)擬設(shè)計一款音響放大器，可以通過話筒與其他媒體播放器輸入音頻并進行聲音的放大，其中話筒輸入信號為5 mV，媒體播放器輸入電壓為100 mV，此外系統(tǒng)還可以進行手動調(diào)節(jié)輸出音調(diào)，系統(tǒng)擬定各項參數(shù)指標(biāo)如下。

(1)額定功率：P0=0.5 W，失真度≯10%；

(2)負載阻抗：R=20 Ω；

(3)頻率響應(yīng)：40 Hz～10 kHz；

(4)音調(diào)控制特性：在1 kHz處的增益為0 dB，在40 kHz和10 kHz處有±12 dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH≮20 dB。

2.2 音響放大器總體設(shè)計

根據(jù)以上的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計各級的電壓增益分配如圖2所示。

圖2 音響放大器各級電壓增益分配

利用圖中對電壓增益分配即可對各單元電路進行具體設(shè)計，通過對各個放大級參數(shù)的合理調(diào)節(jié)，即可完成上述參數(shù)音響放大器的設(shè)計。

3 各單元電路設(shè)計

3.1 語音放大器電路設(shè)計

基于此前的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，本系統(tǒng)的語音放大器選擇了由集成運放組成的同相放大器，放大器的增益為：

語音放大器的電路如圖3所示。語音放大器電路由集成運放和兩個電阻組合而成，通過圖示連接方式實現(xiàn)對電信號的放大。

圖3 語音放大器

為保證語音放大器的放大倍數(shù)為7.5，設(shè)計圖中Ri=10 kΩ，Rf采用電阻值為100 kΩ的電位器，這樣可以根據(jù)不同的需求進行靈活調(diào)整[1]。

3.2 混合前置放大器電路設(shè)計

混合前置放大器需要和功率放大器的特性相適應(yīng)，否則系統(tǒng)無法做到高保真。混合前置放大器的電路如圖4所示。

圖4 混合前置放大電路

電路圖中R’是一個平衡電阻，其阻值大小為R’=R1//R2//Rf。由電路圖可以表示出輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，即：

其中，vi1為前一級話筒的輸出信號，vi2為媒體設(shè)備的輸出信號。

3.3 音調(diào)控制器電路設(shè)計

通常來講，音調(diào)控制電路可以分為以下3類。

(1)衰減式RC音調(diào)控制電路，可以實現(xiàn)較大范圍的調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)后失真的現(xiàn)象較為明顯。

(2)反饋型電路，與RC音調(diào)控制電路相比調(diào)節(jié)范圍較小，但同時也能避免一部分失真的現(xiàn)象。

(3)混合式音調(diào)控制電路，其電路相比于前兩種較為復(fù)雜，常常被用在高級的錄音機中。

在本系統(tǒng)中，考慮到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，同時為了保證電路的簡潔與低失真，選擇反饋型電路用于音調(diào)控制器，反饋型音調(diào)控制電路原理如圖5所示。

圖5 負反饋型音調(diào)控制電路

電路圖中Z1和Zf是由RC組成的網(wǎng)絡(luò)。由于集成運放A的開環(huán)增益較大，因此有：

圖6 反饋型音調(diào)控制電路

根據(jù)本音響放大器系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)，若要讓AVL=AVH≥20 dB，由此前AVL的表達式可知，通常R1，R2和PR1的阻值會取上百歐至上千歐。若取PR1=470 kΩ，則有

3.4 功率放大器電路設(shè)計

功率放大器電路主要作用是為揚聲器提供一定的輸出功率，本設(shè)計歸納選取了3種功率放大電路的方案，列舉如下。

隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到人們的日常生活中去，不僅改變了人們的生活方式、思維方式以及價值觀念、擴大了人與人之間的交往空間，也在一定程度上促進了社會的進步。新興技術(shù)和文化內(nèi)容的相互結(jié)合，逐漸形成了網(wǎng)絡(luò)文化。網(wǎng)絡(luò)文化的發(fā)展不僅為高校思想政治教育提供了契機。與此同時，也帶來了一定程度的挑戰(zhàn)和一系列的問題。

(1)選擇SL34集成功放，這是一款低電壓的集成音頻功率放大器，有著低功耗、低失真的優(yōu)點，當(dāng)工作電壓為6 V，負載為8 Ω時，輸出功率在300 mW以上，常用作收音機和其他功放。

(2)選擇LM386音頻集成功率放大器，其優(yōu)點在于功耗低、電源電壓范圍大、電壓增益可調(diào)整、外接元件少和總諧波失真小等，在錄音機和收音機中應(yīng)用十分普遍。LM386的電源電壓為4～12 V，音頻功率為0.5 W。此外，其電源電壓范圍最高可使用到15 V，消耗靜態(tài)電流為4 mA，當(dāng)電源電壓為12 V，負載為8 Ω時，可以達到幾百mW的功率，其典型輸入阻抗為50 k。

(3)選擇TDA2030芯片組成的功放電路，其優(yōu)點在于靜態(tài)電流小并且有著較強的負載能力，能夠輸出較大的功率，最大可達到35 W左右，動態(tài)電流可以帶動4～16 Ω的揚聲器，此外還具有保護電路。

經(jīng)過比較上述3個方案，考慮到本系統(tǒng)的實際需求[3]，額定功率為0.5 W，最終選用LM386。

4 音響放大器的仿真實驗

4.1 Multisim仿真軟件

本文仿真采用的Multisim是一款具備非常豐富的仿真分析能力的仿真軟件。相比于其他電路仿真軟件，該軟件含有齊全的數(shù)字電路元件數(shù)據(jù)庫，并提供了數(shù)十種虛擬儀器，可以直接觀察電路的運行狀態(tài)。在模擬電路和數(shù)字電路的仿真應(yīng)用中，Multisim有著無可比擬的便捷性和優(yōu)越性。

Multisim在電路實驗方面具有獨特的優(yōu)勢。本系統(tǒng)設(shè)計采用的 Multisim 8可以進行單片機等微控制單元的仿真，進而進行印制電路板(PCB)的設(shè)計。Multisim不僅可以彌補經(jīng)費不足導(dǎo)致元器件和儀器的缺乏，而且在應(yīng)用中不存在原材料的消耗、元器件短路、接觸不良等實際問題，也不會因為調(diào)整儀器不當(dāng)而產(chǎn)生故障或損壞等。因此，Multisim軟件是一個非常適用于虛擬實驗的工具，在電子類的開發(fā)研究工作中發(fā)揮事半功倍的效果[4]。

本文利用Multisim8軟件對設(shè)計的電路進行仿真，在工作區(qū)對電路進行搭建，連接示波器，對電路相關(guān)參數(shù)進行合適的賦值并逐步調(diào)試，電路正確運行后可點擊示波器，在圖示儀界面輸出實時波形，觀察電路的波形圖即可對電路的設(shè)計正確與否進行驗證分析。Multisim整個操作界面就如同一個操作臺一般，操作簡單，結(jié)果易于理解。

4.2 語音放大器仿真

根據(jù)此前設(shè)計的電路圖在仿真軟件中連接電路，如圖7所示，按照上一章的參數(shù)設(shè)定電路中的電阻和電容，保存成電路文件。

圖7 語音放大電路仿真

表1 語音放大器仿真測試結(jié)果

對語音放大器的幅頻特性進行測量，得到語音放大器上下限頻率測試結(jié)果。由上、下限頻率的規(guī)定可知，當(dāng)電壓放大倍數(shù)的幅值20log|Av|下降3 dB時，對應(yīng)的頻率就是fH和fL，測試結(jié)果如表2所示。

表2 語音放大器上下限頻率

4.3 混合前置放大器仿真

按照設(shè)計的混合前置放大器電路圖在Multisim中連接電路，如圖8所示，依據(jù)此前的計算結(jié)果設(shè)置各元器件的具體參數(shù)值，再將其保存為電路文件。

圖8 混合前置放大器仿真

在仿真環(huán)境搭建好電路圖后，對輸出電壓進行測試。將頻率為1 kHz的正弦波輸入電路，對信號幅度進行不斷調(diào)節(jié)，使輸出的VO不失真，再將實測值與理論值進行對比，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 混合前置放大器仿真測試結(jié)果

對混合前置放大器的幅頻特性進行測量，通過在電路中接入頻率特性測試儀，得到混合前置放大器的頻率下限與上線的測試結(jié)果。由上、下限頻率的規(guī)定可知，當(dāng)電壓放大倍數(shù)的幅值20log|Av|下降3 dB時，對應(yīng)的頻率就是fH和fL，測試結(jié)果如表4所示。

表4 頻率上下限測試結(jié)果

4.4 音調(diào)控制器仿真

按照設(shè)計的音調(diào)控制器電路在Multisim中連接電路，如圖9所示，依據(jù)此前的計算結(jié)果設(shè)置各元器件的具體參數(shù)值，再將其保存為電路文件。

圖9 音調(diào)控制電路仿真

在仿真環(huán)境搭建好電路圖后，對音調(diào)控制特性進行了測量。測試了低音的提升與衰減，將高音調(diào)節(jié)電位器PR2移至中間位置，即總電阻的一半，將低音調(diào)節(jié)電位器移至最左邊，即總電阻的全部，進行如下調(diào)試。

(1)對信號發(fā)生器進行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的f=40 Hz，Vm=100 mV，再對音量調(diào)節(jié)電位器PR3進行調(diào)節(jié)，令電路的輸出電壓最大，由此得到PR3的值以及輸出電壓幅值：PR3=0 kΩ，Vom=698.0 mV。

(2)使PR3的值和輸入信號的幅度保持不變，在音調(diào)控制電路中接入頻率測試儀并將工作頻率設(shè)置在40 Hz到1 kHz之間，得到幅頻響應(yīng)曲線，同時記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)。經(jīng)過對幅頻響應(yīng)曲線的觀察，記錄低音部分升高的最大值：F=40 Hz時，低音的最大提升量=17.004 dB。

(3)移動PR1滑動端使其處于電位器最右端，即變阻器PR1的百分比為0%，重復(fù)以上步驟，記錄低音的最大衰減量：F=40 Hz時，低音的最大衰減量=-16.933 dB。

相同的方法測試高音的提升和衰減。將低音調(diào)節(jié)電位器PR1移至中間位置，即總電阻的一半，將低音調(diào)節(jié)電位器PR2的滑動端移至最左邊，即總電阻的全部，然后進行如下調(diào)試。

(1)對信號發(fā)生器進行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的f=10 kHz，Vm=100 mV，再對音量調(diào)節(jié)電位器PR3進行調(diào)節(jié)，令電路的輸出電壓最大，由此得到PR3的值以及輸出電壓幅值：PR3=0 kΩ，Vom=463 mV。

(2)使PR3的值和輸入信號的幅度保持不變，在音調(diào)控制電路中接入頻率測試儀并將工作頻率設(shè)置在10 kHz到1 kz之間，得到幅頻響應(yīng)曲線，同時記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)。經(jīng)過對幅頻響應(yīng)曲線的觀察，記錄低音部分升高的最大值：F=10 kHz時，低音的最大提升量=13.274 dB。

(3)移動PR2滑動端使其處于電位器最右端，即變阻器PR1的百分比為0%，重復(fù)以上步驟，記錄低音的最大衰減量：F=10 kHz時，低音的最大衰減量=-12.78 dB。

4.5 功率放大電路仿真

起初在設(shè)計中選用的功率放大器為集成功放，在使用的仿真軟件Multisim8中的元器件庫沒有功率放大器的集成塊，因此該單元電路需要使用分立元器件來仿真。而此前選用的LM386內(nèi)部的電路又比較復(fù)雜，搭建難度較大，因此選用電路原理圖進行仿真，在這里采用了與工作原理相同的OTL功放，電路如圖10所示。

圖10 功率放大電路仿真

按照電路圖在Multisim中連接電路，再將其保存為電路文件。對電路進行調(diào)試，在沒有輸入信號時對電位器R2進行調(diào)節(jié)，通過仿真萬用表對K點的直流電壓進行測試，由于靜態(tài)時Vk=0.5Vcc，當(dāng)測得電壓等于0.5Vcc時，R2=14 kΩ。

觀察了交越失真的現(xiàn)象，將電路中的D1和D2兩個二極管短接，從Vi端輸入交流正弦信號，頻率為1 kHz，通過示波器對輸出電壓Vo的波形進行監(jiān)測，可以觀察到交越失真較為明顯。

此外，對功率放大電路的最大不失真輸出電壓進行了測量，將頻率為1 kHz的交流信號輸入Vi處，接入示波器對輸出電壓Vo的波形進行觀測，如圖11所示。當(dāng)出現(xiàn)上述的交越失真時，移動電位器R3使輸入信號增大，測得最大不失真輸出電壓Vom為4.336 V[5]。

圖11 最大不失真波形

對音響放大器輸入靈敏度進行了測量，將頻率為1 kHz的正弦交流信號輸入Vi處，增大輸入信號。當(dāng)輸入電壓達到Vom即4.336 V時，測得相應(yīng)輸入電壓即電路輸入靈敏度Vs為16 mV。

由以上仿真結(jié)果可以看出，本次設(shè)計的音響放大器系統(tǒng)能夠很好地滿足預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)要求，從而實現(xiàn)對聲音的保真放大效果。

5 結(jié)語

本文主要完成了對音響放大器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，通過對音響放大器各單元電路的分別設(shè)計與研究，實現(xiàn)了音響放大器的整體研究。通過仿真實驗驗證，系統(tǒng)能夠完成對聲音信號保真放大的要求，同時還可實現(xiàn)對輸出音調(diào)的控制，系統(tǒng)的額定功率、負載阻抗、頻率響應(yīng)以及音調(diào)控制特性都能很好地滿足各項技術(shù)指標(biāo)的要求，同時也通過仿真實驗驗證了本音響放大器系統(tǒng)的可行性與有效性。就功能方面來講，本系統(tǒng)還有著較大的提升空間，還可以增加多路音頻輸入以及多播放模式切換等功能。今后，筆者還會不斷學(xué)習(xí)這方面的知識，作為興趣愛好將這一音響放大器系統(tǒng)做得更加完美。