◆梁麗
作者:梁麗,北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院副教授,研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用(100048)。
設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由集成運(yùn)算放大器組成的語音放大電路,其作用是不失真地放大輸入的音頻信號。為此,語音放大電路應(yīng)由輸入電路、前置放大器、有源帶通濾波器、功率放大器和揚(yáng)聲器幾部分構(gòu)成。
技術(shù)指標(biāo)
1)前置放大器:輸入信號Uid≤10 mV,輸入阻抗Ri≥100 kΩ,共模抑制比KCMR≥60 dB。
2)有源帶通濾波器:帶通頻率范圍300 Hz~3 kHz。
3)功率放大器:最大不失真輸出功率Pom≥5 W,負(fù)載阻抗RL=4 Ω。
由于話筒的輸出信號比較小,為此需用前置放大器對話音進(jìn)行放大。聲音是通過空氣傳播的一種連續(xù)的波,說話的信號頻率通常在300 Hz~3 kHz之間,這種頻率范圍的信號稱為語音信號。聲音在空氣中傳播會(huì)產(chǎn)生諧波失真,為了提高輸出信號的高保真性能,需要設(shè)計(jì)頻率范圍在300 Hz~3 kHz之間的帶通濾波器,用于濾除語音信號頻帶以外的噪聲。功率放大器用于對語音信號進(jìn)行功率放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出,要求輸出功率盡可能大,轉(zhuǎn)換效率盡可能高,非線性失真盡可能小[1]。
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,可由輸入信號、最大不失真輸出功率、負(fù)載阻抗,求出系統(tǒng)總電壓放大倍數(shù)Au=894。由于實(shí)際電路中存在損耗,故取Au=900。根據(jù)各單元電路的功能,各級電壓放大倍數(shù)分配為:前置放大器11倍,有源帶通濾波器2.5倍,功率放大器33倍。
前置放大器 前置放大器為測量用小信號放大電路。由于傳聲器輸出信號的最大幅度僅有若干毫伏,而共模噪聲可能高到幾伏,在設(shè)計(jì)中要考慮放大器輸入漂移、噪聲以及放大器本身的共模抑制比對設(shè)計(jì)精度的影響,前置放大器應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。本設(shè)計(jì)采用具有很高輸入阻抗、能與高阻話筒配接的同相比例運(yùn)算電路作為前置放大器,電路如圖1所示,其電壓放大倍數(shù)Au為:
所以取R1=10 kΩ,R2=100 kΩ,R3=R4=200 kΩ。
圖1 前置放大器電路
有源帶通濾波器 由有源器件和RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器稱為有源濾波器。按照濾波器工作頻帶的不同,可分為低通、高通、帶通和帶阻四種濾波器。根據(jù)語音信號的特點(diǎn),語音濾波器應(yīng)該是一個(gè)二階有源帶通濾波器,其頻率范圍應(yīng)在300 Hz~3 kHz之間。
1)二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器如圖2所示。
圖2 二階有源低通濾波器
電壓放大倍數(shù)為:
設(shè)品質(zhì)因數(shù)Q=0.707,得通帶放大倍數(shù)Aup=1.58,故取R3=47 kΩ,R4=27 kΩ。由于f0=3 kHz,若取C1=C2=6.8 nF,則有R1=R2=8.2 kΩ。
2)二階有源高通濾波器。高通濾波器與低通濾波器具有對偶性,若把圖2中的C1、C2和R1、R2位置互換,就可得到二階有源高通濾波器。電壓放大倍數(shù)為:
設(shè)品質(zhì)因數(shù)Q=0.707,得Aup=1.58,故取R3=47 kΩ,R4=27 kΩ。由于f0=300 Hz,若取C1=C2=68 nF,則有R1=R2=8.2 kΩ。
3)寬帶帶通濾波器。當(dāng)?shù)屯V波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率時(shí),將二階低通濾波器和二階高通濾波器串聯(lián),就可得到通帶較寬的二階帶通濾波器。該方法構(gòu)成的帶通濾波器多用作測量信噪比的音頻帶通濾波器,其帶寬由兩個(gè)濾波器的截止頻率決定,且通帶截止頻率易于調(diào)整[2]。
功率放大器 功率放大器的作用是給語音放大電路的負(fù)載(揚(yáng)聲器)提供所需的輸出功率。LM386是一種低電壓音頻集成功放,具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗低、電壓增益可調(diào)、外接元件少和低失真度等優(yōu)點(diǎn)。
LM386的典型應(yīng)用電路如圖3所示。LM386的電源電壓范圍為4~15 V,靜態(tài)電源電流為4 mA,輸入阻抗為50 kΩ。電路由單電源供電,輸出端經(jīng)輸出電容C5接負(fù)載,以構(gòu)成OTL電路。RP1和C6阻容網(wǎng)絡(luò)用來設(shè)定電壓增益,即調(diào)節(jié)電位器RP1,可使電壓增益在20~200之間變化;C2為去耦電容,用來濾掉電源的高頻交流成分;C3為旁路電容,起濾除噪聲的作用;R1和C4校正網(wǎng)絡(luò)用來進(jìn)行相位補(bǔ)償,防止電路高頻自激;C5為耦合電容,起隔直流通交流作用。
圖3 LM386的典型應(yīng)用電路
利用Multisim軟件畫出各單元電路的仿真電路圖,先對各單元電路進(jìn)行分級調(diào)試,再將各單元電路級聯(lián)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試;然后進(jìn)行電路焊接與裝配,對實(shí)際電路進(jìn)行性能指標(biāo)測試;最后進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)音質(zhì)效果試聽,即將話筒或收音機(jī)的耳機(jī)輸出口接語音放大電路的輸入端,用揚(yáng)聲器代替負(fù)載電阻,應(yīng)能聽到音質(zhì)清晰的聲音?!?/p>
[1]于衛(wèi).模擬電子技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)教程[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2013.
[2]李震梅,房永鋼.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.