分析与制作自制扩音器

知识应用

在大型会议室、学校、公园、影剧院等一些地方都配备有一定功率的扩音器。在家庭中普遍应用的各种高保真音响、电脑有源音响等，也都属于扩音器设备。扩音器的使用已渗透到了日常生活中，成为日常生活中不可缺少的一部分。

1.设计指标

设计一台输出功率5 W的扩音器。技术指标如下。

（1）电源电压：12 V。

（2）输入信号源灵敏度：5 mV。

（3）最大不失真输出功率：8 W。

（4）输入阻抗：＞50 kΩ。

（5）负载阻抗：8 Ω。

（6）频率响应：（300Hz～15 kHz）±3 dB。

（7）失真度THD≤3%。

（8）音调控制范围：中音（1 kHz）0 dB；低音（100Hz）±12 dB；高音（10 kHz）±12 dB。

2.扩音器电路结构设计

扩音器是音响系统中必不可少的主要设备，扩音器的原理框图如图4.59所示。由图可见，这是一个小型的模拟电路系统，集装成箱就是一个小型的电子设备。

图4.59　扩音器原理框图

通常扩音器输入信号非常微弱，一般都要设计一级前置放大级，完成输入小信号的放大，为改善信噪比，提高扩音器性能，因而要求前置放大级输入阻抗要高，输出阻抗要低，频带宽度要宽，噪声要小，再经推动级激励放大，最后送入功率放大级进行功率放大，输出至扬声器发声。为达到美化音色的目的，通常扩音器中设计音调控制级提升和衰减输入信号高、低音以及调节音量的大小，以满足各类人的音质欣赏要求。

功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求输出功率大、效率高、失真尽可能小。因而应先根据扩音器的技术指标要求，对整机电路进行适当安排，确定各级的增益分配，然后再对各级电路进行具体设计。

因为Pomax=8 W，所以依此可知扩音器输出电压为

扩音器各级增益的分配为：前置放大级电压放大倍数为10，即20 dB；音调控制放大器的中频增益一般为1，即0 dB；推动级放大倍数为10，即20 dB；功率放大器的电压放大倍数为20，即26 dB，总电压放大倍数2 000（需考虑适当留有余量）。

1）前置放大级

前置放大级的作用是高保真的放大较微弱的声音信号（如话筒输出的信号），话筒又称传声器，其作用是把声音信号转换为电信号，通常将输出阻抗低于600 Ω的称为低阻话筒，而将输出阻抗高于600 Ω的称为高阻话筒。此外，话筒输入信号非常小，加强屏蔽和匹配等措施，抑制噪声非常重要。

前置放大电路可采用运放构成的同相放大器或反相放大器来实现，设计的放大器放大倍数为10。用作前置放大器的运放组件除了要求输入失调电压小、低噪声外，还要求其输入阻抗远大于话筒的输出阻抗，一般而言，双极性运算放大器适合于低阻抗话筒。场效应管型运算放大器适合于高阻抗话筒。

2）音调控制器

图4.60　音调控制电路

音调控制器的功能是根据需要按一定的规律调节扩音器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。它能对音频范围内的若干个频段点分别进行提升和衰减。

音调控制电路有多种不同形式，如衰减式和负反馈式。为简便起见，可采用衰减式音调控制电路，电路如图4.60所示。

与有关电阻相比，C1、C2的容抗在高频时足够小，在中、低频时足够大，C1、C2能让高频信号通过，但不让中、低频信号通过，即C1与C2对于高音信号可视为短路，而对于中、低音信号则视为开路；而C3、C4的容抗则在高、中频时足够小，在低频时足够大，C3、C4则让高、中频信号都通过，但不让低频信号通过，即C3与C4对于高、中音信号可视为短路，而对于低音信号则视为开路。

3）推动放大级

推动放大级主要是为最后的功率放大级提供激励信号，弥补衰减式音调电路损失的增益，同时与音量电位器之间起到了一定的隔离作用。要求该级电压增益为20 dB，也可采用运放构成的同相放大器或反相放大器实现。

4）功率放大器

功率放大器的电路结构形式很多，可以选择分立元件组成的功放，也可选择集成电路组成的功率放大器。目前，音响设备中广泛采用由集成电路组成的功率放大器，集成功率放大器具有体积小、功耗小、保真度好、频率响应范围宽、焊点少、可靠性好等优点。同时采用集成功放使电路设计变得十分简单，只需查阅手册便可得知功放块外围电路的元件值。在此可选用TDA2030或LM1875构成扩音器的功率放大输出级。(www.xing528.com)

3.扩音器电路

扩音器电路原理如图4.61所示，扩音器PCB图如图4.62所示。

图4.61　扩音器电路原理

图4.62　扩音器PCB图

知识拓展

数字功放

数字功放也称为D类功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有甲类、乙类和甲乙类、丙类等。一般的小信号放大都是甲类功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效率高达78.5%。但这样的放大在小信号时失真严重。实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下降，虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质差，音频放大中一般都不用，这几种模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻控制输出，但同时自身也在消耗电能。

数字功放的功放管工作在开关状态，理论状态晶体管导通时内阻为零，两端没有电压，当然没有功率消耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也无功率消耗。所以，作为控制元件的晶体管本身不消耗功率，电源的利用率就特别高。

开关晶体管输出的是脉宽调制波形，要成为可听的模拟音频信号，还需经过一路带宽为20 kHz的低通滤波器，滤去脉冲波形中的高频成分。一般来说，功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题，只是电感最大允许电流要设计正确。

数字功放由于效率高，管子的损耗小，功放的散热结构可以做得非常小巧、简单，整个电路可以做得很小。所以，首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用。带有数字功放的声卡可直接接普通音箱，这样使用就方便得多。随着技术的发展，数字功放也进入了音响领域，国外多家芯片公司已推出带各种功能的数字功放IC器件，为整机生产厂更新产品提供了便利条件。

数字功放的另一优点是可以直接放大数字音频信号。CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的，现在播放机解码后经过数模变化，变成模拟音频后再送出。而采用数字功放后，就可以把解码后的PWM（脉冲编码调制）数字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大。省去了播放机中的数模变换和数字功放中的数模变换两个较贵重部分，不但音质受损少，成本也可以降低。

利用数字功放技术生产整机时，音量调节方案会成为几种档次的分界线。简单方案就像传统模拟功放那样，由电位器衰减模拟信号的输入幅度，实现音量衰减。这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用，小音量时信噪比下降，动态范围变小，而且也不能用于数字音频直接输入系统。

较好的方案是采用调节电源电压的方式来衰减音量，以改变加到低通滤波器上的脉冲电压幅度来改变输出功率。这样量化比特率仍可充分利用，由于电压下降，量化噪声也随之下降，所以音量减小，但信噪比和动态范围仍能保持不变。由于功放电源的功率较大，改变电源电压不能用电阻衰减或分压方式来实现，必须从电源整流稳压部分就开始。TACT公司采用的方法是在数字稳压电源的DC-DC逆变过程中，改变占空比来改变最终输出电压。这类方案目前还只能在分立元件做功率输出部分的整机中采用，集成化数字功放IC仍用衰减模拟输入为主来调节音量。

由于功耗和体积的优势，数字功放首先在能源有限的汽车音响和要求较高的重低音有源音箱中得到应用。随着DVD家庭影院、迷你音响系统、机顶盒、个人电脑、LCD电视、平板显示器和移动电话等消费类产品日新月异的发展，尤其是SACD、DVDAudio等一些高采样频率的新音源规格的出现，以及音响系统从立体声到多声道环绕系统的进化，都加速了数字功放的发展。

自测习题

自测习题答案

1. 分析：如题1图所示的集成功放应用电路中，VCC=10 V，试估算最大不失真输出功率Pom，指出电路中电容C3的主要作用。

题1图