胡 晶

(福州理工学院 工学院，福建 福州 350506)

随着现代电子技术高速发展，集成电路被广泛用在各类电子器件开发上，比如音响系统.目前的音响系统根据放大器原理可分为A型、AB型、B型.三种类型的功放均为模拟，其功放的实际效率依次是15-20%、50-70%、78%.但当它们的输出功率小于额定输出功率时，如播放变化的音调平均工作效率只有30%左右.从技术原理角度看，扩音系统主要是由三级放大电路构成：前置放大用于放大信号功率，设计时要兼顾噪声、阻抗、频带因素；音调控制则是将原始音调调节到目标音调；功率放大器将放大后的信号推送到扬声设备.因此在设计整个扩音系统的电路时应先根据需求设立目标要求再确定每一级电路的放大配比进而形成一套高效的扩音系统电路.

1 电路原理

扩音电路[1]主要是由三级放大电路组成.本次设计结合扩音设备在生活中实际应用情况给出了相应的设计目标：(1)输出的最大功率在2W以上；(2)音调可控.即用两个电位器分别调节高音和低音.当输入1kHz信号时，其输出为0dB.当输入100Hz和10kHz，通过调节低/高音电位器使输出功率在-12dB和12dB之间变化；(3)频率可响应.当高、低音电位器未衰减也未提升时，-3dB的频率范围是80Hz～6kHz；(4)当输入口处于短路时，直流输出电压控制在50mv内，输出噪声电压的有效值控制在10mv内，静态电流控制在不100mA内.根据电路需求分析,将整个系统的电路分为供电电路和扩音电路.扩音电路由前置放大电路、音调控制电路、功率放大电路组成.

2 模块设计

2.1 前置电路

为达到预期设计要求，前置放大器电路中的电容C1容量取10μf， C3容量取10μf，电容C4容量取100μf.通过元器件之间的相互作用保证扩音电路的低频响应，其他元器件参数选择为C2=100pf，R4=R7=100KΩ.如下图1所示.其中对集成运放[2]LF353的输入增益频率、偏置电流和阻抗、转换速率等参数依次设置为4MHz、50×10-12A、104MΩ、13V/μs.LF353元件组成两级放大电路构成前置放大级可实现对输入信号的放大.两级各放大10倍：Au1=Au2=10，再由：1+R5/R6=11可使：R5=R8=100KΩ R6=R9=10KΩ.

图1 前置放大器电路图

2.2 音调电路

集成运算放大器电压增益和输入阻抗高故制作而成的音调控制电路较为稳定.音调控制电路中各元件关系为：Rp1=Rp2，R11=R12=R13，C6=C7，Rp2=9R11.如图2所示.

图2 音调控制级电路

2.2.1 中频段

中频段时电路要保持稳定，电容C6、C7视为短路，C8视为开路看待.其等效电路如下图3所示.此时Au=R12/R11=1.

图3 中频等效电路

2.2.2 低频段

对低音信号而言，由于C8容抗较大导致，将低音电位器Rp1调到最左端时C6处于短路状态.电路简化为图4所示的低频提升电路.

对于低音信号而言，容抗较大的C7相对提升了低音信号的放大能力.从定性角度看，中、高音域的增益主要决定于R12/R11的比值，即等于1.在低音域，增益可以得到提升，最大增益为(Rp1+R12)/R11.同理，当Rp1调到最右端时C7处于短路状态，电路等效为图5所示的衰减电路.

由于C6对低音信号放大能力较弱，因此衰减电路可用于衰减低音.从定性角度来看，中、高音域的增益取决于R12/R11的比值，即为1.在低音域，最小增益[3]R12/(R11+Rp1).

图4 低频提升电路

图5 低频衰减电路

2.2.3 高频段

当调节电位器位于最左端时，高音提升电路可以等效为图6所示的电路图.

图6 高音提升的等效电路图

当Rp2电位器处于最右端时，高音信号的衰减简化为图7所示的衰减电路.

图7 高音衰减的等效电路

图8 音调控制电路的幅频响应波特图

2.3 功率输出器

功率放大整体电路主要是由一个TDA2030A元器件组成.其电路如下图9所示.

图9 功率放大级电路图

3 电路仿真

利用Proteus对所设计电路进行仿真测试，如下图10所示.

图10 电路仿真图

结合设计要求，以输入振幅为5mv,频率为1kHz的正弦波进行仿真[5]测试.对每一级所要达到的效果通过示波器的波形进行呈现.具体仿真结果如下图11所示.

(1)在输入端输入振幅为5mv,频率为1kHz的正弦波：

图11 第一、二、三级输出的波形

(2)为验证音调控制级的电位器[6]对高低有调节作用，在音调控制级输入电压振幅5mv,频率分别为100Hz和10kHz的低高频信号进行验证.在音调控制级输入电压振幅为5mv,频率为100Hz时，如图12所示.通过调节Rp1后波形的变化如图13所示.

图12 100Hz音调控制级输出的波形 图13 调节Rp1后的波形

在音调控制级输入电压振幅为5mv,频率为10kHz时，如图14所示.通过调节Rp1后波形的变化如图15所示.

图14 10kHz音调控制级输出的波形 图15 调节Rp2后的波形

(3)在功率放大级输入电压5mv,频率1kHz时，通过调节Rp3可调节音量，如图16所示.

图16 调节Rp3后的波形

4 电路调试

4.1 前置放大器调试

信号源输入为：f=1kHz，VI=5mV；

第一级放大级输出电压测量可得：Vo1=505mV；

计算前置放大级增益为：Vo1/ VI=101>100.

根据实验数据可知，第一级放大级的实际增益为101，因此满足预期对前置放大级所要求达到的增益倍数，符合设计要求.

4.2 音调控制器调试

通过输入三种频段信号对音调控制器进行调试，调试结果如下表1所示.通过对中频增益调试、低音提升调试、高音衰减调试等测试均能满足预期效果.故音调控制级电路符合设计要求.

表1 音调控制器调试数据表

4.3 功率放大器调试

按照上述测试步骤进行逐项测量得出最终功率放大器的测试数据如下表2所示：

表2 功率放大器调试数据表

通过实验数据的计算可得到实验结果为额定功率的最小功率大于2W，满足设计要求.

4.4 整体调试结果

为验证扩声效果，将电路中负载电阻RL用8Ω/8W的扬声器等效替换，在扩音电路的输入端输入幅值小于5mV的音频信号.当调节电位器RP3增大时，示波器的波形振幅增大，电压也随之增大，最小输出电压接近0V.增大音量输出电压也随之增大并且可以达到最大输出电压值.电压幅值的变化可知音量也连续可调，故本次扩音电路的设计均满足设计要求.

5 总结

本次设计的扩音电路通过输入不同频率的信号验证了其均能获得三级电路的放大实现音频放大、音调和音量调节等功能且各项指标均满足预期的设计要求.该扩音电路设备可被广泛用于教育、广告宣传、培训和旅游行业.

[参考文献]

[1]余庚.智能HDB3编/译码器的分析与设计[J].科技通报，2017(8):119-123.

[2]左全生.集成运放性能的简易测试[J].电子测试，2016(5):11-12.

[3]吴剑明.两级放大反馈自动增益控制电路设计[J].仪表技术与传感器，2016(8):99-104.

[4]王海梅.一种单管共射放大电路的幅频特性研究[J].自动化与仪器仪表，2016(12):5-7.

[5]王俭.电容和电感正弦稳态电抗的直观解释[J].大学物理，2018(1):25-29.

[6]黄剑平.基于数字电位器的可编程电压基准源设计[J].电子器件，2015(6):126-130.