基于Multisim的語音放大電路設計

◆梁麗

作者：梁麗，北京工商大學計算機與信息工程學院副教授，研究方向為電子技術及應用（100048）。

1 設計任務與技術指標

設計任務 設計并制作一個由集成運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，語音放大電路應由輸入電路、前置放大器、有源帶通濾波器、功率放大器和揚聲器幾部分構成。

技術指標

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，負載阻抗RL=4 Ω。

2 工作原理

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行放大。聲音是通過空氣傳播的一種連續的波，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產生諧波失真，為了提高輸出信號的高保真性能，需要設計頻率范圍在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行功率放大驅動揚聲器輸出，要求輸出功率盡可能大，轉換效率盡可能高，非線性失真盡可能小[1]。

3 設計方案

根據技術指標要求，可由輸入信號、最大不失真輸出功率、負載阻抗，求出系統總電壓放大倍數Au=894。由于實際電路中存在損耗，故取Au=900。根據各單元電路的功能，各級電壓放大倍數分配為：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，在設計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計精度的影響，前置放大器應該是一個高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。本設計采用具有很高輸入阻抗、能與高阻話筒配接的同相比例運算電路作為前置放大器，電路如圖1所示，其電壓放大倍數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網絡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。根據語音信號的特點，語音濾波器應該是一個二階有源帶通濾波器，其頻率范圍應在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

電壓放大倍數為：

設品質因數Q=0.707，得通帶放大倍數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。電壓放大倍數為：

設品質因數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。當低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率時，將二階低通濾波器和二階高通濾波器串聯，就可得到通帶較寬的二階帶通濾波器。該方法構成的帶通濾波器多用作測量信噪比的音頻帶通濾波器，其帶寬由兩個濾波器的截止頻率決定，且通帶截止頻率易于調整[2]。

功率放大器 功率放大器的作用是給語音放大電路的負載（揚聲器）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、靜態功耗低、電壓增益可調、外接元件少和低失真度等優點。

LM386的典型應用電路如圖3所示。LM386的電源電壓范圍為4～15 V，靜態電源電流為4 mA，輸入阻抗為50 kΩ。電路由單電源供電，輸出端經輸出電容C5接負載，以構成OTL電路。RP1和C6阻容網絡用來設定電壓增益，即調節電位器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校正網絡用來進行相位補償，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的典型應用電路

4 電路實現

利用Multisim軟件畫出各單元電路的仿真電路圖，先對各單元電路進行分級調試，再將各單元電路級聯進行整機調試；然后進行電路焊接與裝配，對實際電路進行性能指標測試；最后進行實際系統音質效果試聽，即將話筒或收音機的耳機輸出口接語音放大電路的輸入端，用揚聲器代替負載電阻，應能聽到音質清晰的聲音。■

[1]于衛.模擬電子技術綜合實訓教程[M].武漢:華中科技大學出版社,2013.

[2]李震梅,房永鋼.電子技術實驗與課程設計[M].北京:機械工業出版社,2011.