实用音频放大电路设计

课程名称：电工学

实验题目：实用音频放大电路设计

课程简要信息

电工学实验，24，电类相关专业，大二

实验内容与任务（限500字）

设计并完成一个实用音频放大电路，实验内容分为三个层次：基础层，提高层，研究层。

基础层（必做）：设计、连接、实现音频放大电路的各功能电路

1. 设计一个至少包括前置放大、音调控制、音量调节、功率放大四级电路的音频放大电路系统，要求当供电电压为±12V时，在指定负载上，功率放大器最大连续输出功率不小于5W，并能驱动音箱正常发声；

2. 根据设计指标和设计要求，逐级设计各单元电路，画出电路原理图，分析主要元器件选择的依据，并用仿真软件对电路进行仿真；

3. 在面包板上搭接电路，将音频信号作为电路的输入信号，音频信号经过一系列放大处理后，最终在音箱上播放出来。

提高层（可二选一）：改进、焊接、完成音频放大电路的实物制作

1. 增加语音信号拾取、预处理电路，将麦克拾取的语音信号进行放大、滤波等预处理后送到音调控制电路，再经音量调节和功率放大，实现音频信号的不失真播放；

2. 输入源增加到两个，一个是麦克拾取的语音信号，一个是来自播放机的音频信号，两路信号经过预处理，前置混合放大后送到音调控制电路，再经音量调节、功率放大等各级电路，完成两路音频叠加之后的不失真播放。

研究层（选做）：设计实现无线音频放大电路系统

1. 学习、研究无线音响系统原理；

2. 在完成提高层实验任务的基础上，选做该部分内容；

3. 完成一个无线音频放大系统设计，做出实物。

实验过程及要求（限300字）

1. 查阅文献资料，了解音频放大电路的组成、工作原理、设计中常见问题以及解决方案。提出尽可能多的设计方案，详细分析采用不同设计方案各单元电路性能上的差异；

2. 学习并掌握常用低噪声集成运放和集成音频功放的使用方法，掌握最大不失真功率和在额定输出功率下的频带宽度的测量方法；

3. 分析语音放大电路的特点，选用合适的麦克和混合放大电路，设计实验数据记录表格，测试电路的输入灵敏度、电压放大倍数、频带宽度、信号动态范围等；

4. 选择满足设计要求的音调调节电路，讨论元器件参数选择的依据，分析电路对低频和高频信号的提升和抑制作用，绘制幅频特性曲线；

5. 考虑级间匹配问题，设计满足人耳听力要求的音量控制电路，测试并记录音量控制电路的调节能力；

6. 设计功率放大电路，绘制实验数据记录表格，测试功率放大电路的额定输出功率；

7. 逐级级联各单元电路，构建测试环境，测试音响系统输入信号灵敏度等系统参数。连接音箱，进行放音实验；

8. 撰写报告，申优答辩。总结并分享电路实现方案、设计经验和调试技巧。

相关知识及背景（限150字）

实用音频放大电路设计是模拟电子技术理论知识与生产生活实际紧密结合的典型实验教学案例。实验内容包含音频信号的拾取、放大、滤波以及信号动态范围的计算与测量等理论知识；实验过程涉及各功能电路的选择、元器件参数的计算与设定、增益和带宽取舍，信噪比的提升等实践问题；实验还需考虑级间匹配、电路调试方法和技巧等工程问题。

教学目标与目的（限100字）

通过较为完整的系统项目实现，引导学生学习系统设计概念和方法，了解系统实现方案的多样性。掌握电路参数的分析与计算、元器件的参数计算与选型、实验方法和测试方式的设计等工程问题，提高学生理论联系实际的实践能力。

教学设计与引导

实用音频放大电路设计是一个较完整的工程实践过程，学生需要经历查阅文献资料、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 考虑麦克输出阻抗与语音放大电路输入阻抗匹配的问题，选用满足设计指标要求的麦克完成语音信号的拾取，不同种类的麦克其输出信号的形式、幅度、线性度等存在较大差异，语音放大电路应根据麦克输出信号的特征来设计输入阻抗、增益等电路参数。

2. 集成运算放大器可以采用双电源和单电源两种供电方式供电，注意两种供电方式参考电压的不同。选取增益电阻时要避免运放进入饱和状态从而产生失真，同时要兼顾放大电路输入阻抗、直流偏置电流、增益带宽、级间匹配等问题，避免运放产生高频自激振荡，并对输入失调电压（或电流）进行误差补偿。

3. 系统供电电源的品质对系统技术指标、电路稳定性和可靠性有很大影响，直流电源需要经过去耦、滤波处理后给单元电路供电。

4. 注意向学生介绍音频信号的频率范围、输入信号灵敏度、信号动态范围等工程设计概念。通过实例讲解电路设计与分析方法、元器件的参数计算与选型等工程实际问题。

5. 要求学生按工程设计规范设计电路。在单元电路设计、搭接、调试完成后，要求学生用标准仪器对单元电路进行数据测试，通过整理并分析测试数据来判断单元电路是否满足设计要求。指导学生正确使用实验室提供的仪器设备对实验电路进行调试、测试并纠错。在确定单元电路满足设计要求后，方可逐级级联单元电路进行系统功能测试。

6. 选用器件时，指导学生在相关网站上（如：http://www.alldatasheet.com/）下载生产厂家提供的产品数据手册，了解生产厂家提供的产品数据测试条件和典型应用电路。介绍常用元器件标称值，帮助学生根据理论计算值和元器件标称值选用适合的元器件。

7. 组织学生申优答辩，指导学生整理实验数据，总结电路设计方法和技巧，对比不同系统设计方案，分享遇到的问题以及解决方法，通过讨论来拓展学生系统设计思路。

实验原理及方案

设计一个实用音频放大电路系统，主要包括麦克（MIC）、语音放大电路、前置混合放大电路、音调调节电路、音量控制电路、功率放大电路、放音器（音箱）等，其系统框图如图1所示。

1）系统框图

图1 实用音频放大电路系统框图

2. 实现方案

图2 实用音频放大电路系统方案

首先，设计至少包括前置放大、音调控制、音量调节、功率放大四级电路，要求当供电电压为±12V时，在指定负载上，功率放大器最大连续输出功率不小于5W，并能驱动音箱正常发声；

其次，每级电路都有多种实现方案，根据设计指标和设计要求，逐级设计各单元电路，画出电路原理图，分析主要元器件选择的依据，并用仿真软件对线路进行仿真；

再次，可以增加语音信号拾取、预处理电路，也可以增加输入源数目，将麦克拾取的语音信号进行混合放大、滤波等预处理后送到音调控制电路，再经音量调节和功率放大，实现音频信号的不失真播放；

最后，对学有余力，有研究能力和兴趣的同学，可以进一步完成无线音频放大系统设计。

教学实施进程

课前预习：要求学生复习相关理论知识，尽可能多的查阅相关文献，做好课前知识贮备，例如，了解音调调节电路的组成方式有哪些、其工作原理和技术指标；

第一次课：教师讲解相关理论、仪器仪表使用的注意事项，布置实验任务，安排分组（1-2人一组），同组只能有一名同学申优；

现场操作：教师随堂指导、检查现场操作情况，对实验结果进行验收，通过提问等方式了解学生情况；

最后一次课：组织申优答辩，师生交流，总结经验，交流心得体会。

实验报告要求

本实验要求学生在整理、书写实验报告时必须完成以下内容：

1. 分析系统设计指标，计算元器件参数值并列表，详细说明主要元器件的选择依据。

2. 绘制系统框图，比较分析不同实现方案的优缺点，用Multisim等软件对电路进行仿真。

3. 逐级设计单元电路，进行必要的理论推导和计算。

4. 逐级调试并测试单元电路的性能指标，整理并分析实验数据。

5. 逐级级联单元电路，设计测试方法，记录实验数据，分析级联电路的性能指标。

6. 观察各级电路的输入、输出波形，整理并分析实验数据，找出电路中存在的问题，提出电路改进方案。

7. 详细记录、整理实验过程中遇到的问题以及解决问题的办法，通过申优答辩与同学分享电路设计方案、经验和调试技巧等。

考核要求与方法（限300字）

本实验采用实验过程的考核方式，层次化计分办法，基本实验内容采用扣分的形式计分，提高拓展实验内容采用加分的形式计分，具体考核办法如下：

1. 实物验收：电路功能与性能指标的完成程度和完成时间等。

2. 实验质量：电路实现方案的合理性，电路布局、布线的规范性和稳定性等。

3. 自主创新：提高层次和研究层次任务的构思与实现，独立思考与实践能力等。

4. 实验成本：材料与元器件选择的合理性，成本核算与实验损耗等。

5. 实验数据：实验数据表格设计的规范性与合理性，测试数据与数据分析是否详细等。

6. 实验报告：实验报告书写的规范性、完整性和严谨性等。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本项目的特色在于：

1. 项目实用性和趣味性：一个生活中最常见的电子系统，由学生亲手完成并进行放音实验，增加了实验的趣味性。

2. 实现方法的多样性：每级单元电路都有多种实现方案，多级级联方案变化无穷。

3. 知识应用的综合性：综合运用模拟电路、信号处理、电路仿真与设计等课程的理论知识。

4. 项目难度的层次性：学生可以根据自己的能力选择不同难易程度的系统实现方案。

参赛选手信息表