OTL音頻功率放大電路(模電課程設(shè)計報告2)

1、商丘工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目：otl音頻功率放大器的設(shè)計系 別： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程技術(shù) 班 級： 09電信1班 學(xué)生姓名： 劉冬 指導(dǎo)教師： 趙利平 成 績： 2012年3月摘 要本報告包括兩個內(nèi)容。第一部分，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)otl功率放大器，功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載rl（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出的信號的非線形失真盡可能的小，效率盡可能的高。功率放大器的常見電路形式有otl電路和ocl電路。有用繼承運(yùn)算放大器和晶體管組成的功率放大器，也有專集成電路功率放大器。本文設(shè)計的是一個 otl 功率放大器，該放大器采用tda20

2、30音頻放大器芯片，tda2030音頻放大器電路是最常用到的音頻功率放大電路，tda2030是高保真集成功率放大器芯片,輸出功率大于10w,頻率響應(yīng)為101400hz,輸出電流峰值最大可達(dá)3.5a，其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級,且有短路保護(hù)和過熱保護(hù),可確保電路工作安全可靠，采用正輸出單電源供電。其次本次實(shí)物產(chǎn)品采用pcb印制電路板制作（單面板）使其性能良好滿足設(shè)計要求和外表美觀。第二部分，用multisim軟件對otl功率放大器進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)例電路圖和已經(jīng)給定的原件參數(shù)，使用multisim軟件模擬電路，并對其進(jìn)行靜態(tài)分析，動態(tài)分析，顯示波形圖，計算數(shù)據(jù)等操作。關(guān)鍵詞： otl

3、功率放大電路；multisim軟件仿真；交越失真；輸出功率；反饋網(wǎng)絡(luò)目錄摘 要i目錄ii第一章 前言1第二章 設(shè)計方案2一、設(shè)計要求2二、設(shè)計總體方案22.1設(shè)計思路22.2 otl功放各級的作用和電路結(jié)構(gòu)特征22.3簡要原理分析42.4用集成運(yùn)算放大器放大信號的主要優(yōu)點(diǎn)4第三章 選擇器件及參數(shù)計算53.1功率放大器芯片tda2030介紹53.2參數(shù)計算632.1參數(shù)計算63.2.2功率的計算7第四章 用multisim仿真otc功率放大器74.1、功放電路仿真74.2、功放電路仿真波形8第五章 實(shí)物電路安裝調(diào)試及使用95.1電路調(diào)整與測試95.2通電觀察10第六章、設(shè)計體會與總結(jié)11參考文獻(xiàn)

4、12第一章 前言otl（output transformerless ）電路省去輸出變壓器的功率放大電路通常稱為otl電路。 otl電路為單端推挽式無輸出變壓器功率放大電路。通常采用電源供電，從兩組串聯(lián)的輸出中點(diǎn)通過電容耦合輸出信號。 otl （output transformerless）電路是一種沒有輸出變壓器的功率放大電路。過去大功率的功率放大器多采用變壓耦合方式，已解決阻抗變換問題，使電路得到最佳負(fù)值。但是這種電路有體積大、笨重、頻率特性不好等缺點(diǎn)，目前已較少使用。otl電路不再用輸出變壓器，而采用輸出電容與負(fù)載連接的互補(bǔ)對稱功率放大電路，使電路輕便、適于電路的集成化，只要輸出電容的容

5、量足夠大，電路的頻率特性也能保證，是目前常用的一種功率放大電路。 它的特點(diǎn)是：采用互補(bǔ)對稱電路（npn、pnp 參數(shù)一致、互補(bǔ)對稱，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出），有輸出電容，單電源供電，電路輕便可靠。 “兩組串聯(lián)的輸出中點(diǎn)”可理解為互補(bǔ)對稱電路（npn、pnp參數(shù)一致，互補(bǔ)對稱，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出）?！皟山M串聯(lián)的輸出終點(diǎn)”可理解為采用互補(bǔ)對稱電路，ptl電路的優(yōu)點(diǎn)是只需要一組電源供電。缺點(diǎn)是需要把一組電源變成了兩組對稱正、負(fù)電源的單電源大電容；低頻特性差。 第二章 設(shè)計方案一、設(shè)計要求任務(wù)了與要求： 1、 采用全部或部分分立元件電路設(shè)計一種otl音頻

6、功率放大器；2、 額定輸出功率po10w；3、 負(fù)載阻抗rl=8；4、 失真度3%。二、設(shè)計總體方案2.1設(shè)計思路 功率放大器的作用是給負(fù)載rl提供一定的輸出功率，當(dāng)rl一定時，希望輸出功率盡可能大，輸出信號的非線性失真可能小，且效率盡可能高。由于otl電路采用直接耦合方式，為了保證電路工作穩(wěn)定，必須采取有效措施抑制零點(diǎn)漂移。為了獲得足夠大的輸出功率驅(qū)動負(fù)載工作，故需要有足夠高的電壓放大倍數(shù)。因此，性能良好的otl功率放大器應(yīng)由輸入級、推動級和輸出級等部分組成。2.2 otl功放各級的作用和電路結(jié)構(gòu)特征 輸入級：主要作用是抑制零點(diǎn)漂移，保證電路工作穩(wěn)定，同時對前級（音調(diào)控制級）送來的信號作低失

7、真，低噪聲放大。為此，采用帶恒流源的，由復(fù)合管組成的差動放大電路，且設(shè)置的靜態(tài)偏置電流較小。 推動級的作用是獲得足夠高的電壓放大倍數(shù)，以及為輸出級提供足夠大的驅(qū)動電流，為此，可采用帶集電極有源負(fù)載的共射放大電路，其靜態(tài)偏聽偏信置電流比輸入級要大。 輸出級的主要作用是級負(fù)載提供足夠大的輸出信號功率，可采有由復(fù)合管構(gòu)成的甲乙燈互補(bǔ)對稱功放或準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。 此外，還應(yīng)考慮為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)須設(shè)置直流負(fù)反饋電路，為穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)和改善電路性能須設(shè)置交流負(fù)反饋電路，以及過流保護(hù)電路等。電路設(shè)計時，各級應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在組裝完畢后須進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)測試，在小型不失真的情況下，使輸出功率最大。動態(tài)測

8、試時，要注意消振和接好保險絲，以防損壞元器件。電路基本框圖如1-1負(fù)載揚(yáng)聲器輸出級推動級輸入級輸入信號 圖1-1電路基本框圖采用集成運(yùn)算放大器設(shè)計基本放大電路如圖1-2輸入級中間級輸出級輸出調(diào)節(jié) tda2030高保真集成功率放大器短路保護(hù)過熱保護(hù)負(fù)載揚(yáng)聲器圖1-2電路結(jié)構(gòu)框圖圖1-3電路基本原理圖圖1-4 電路在multisim中的仿真圖2.3簡要原理分析：電路為音頻功率放大器原理圖1-3,其中tda2030是高保真集成功率放大器芯片,輸出功率大于10w,頻率響應(yīng)為101400hz,輸出電流峰值最大可達(dá)3.5a。其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級,且有短路保護(hù)和過熱保護(hù),可確保電路工作安全可

9、靠。tda2030使用方便、外圍所需元器少,一般不需要調(diào)試即可成功。 rp是音量調(diào)節(jié)電位器,c1是輸入耦合電容,r1是tda2030同相輸入端偏置電阻。 r4、r5決定了該電路交流負(fù)反饋的強(qiáng)弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為(r4+r5)/r5=(4.7+150)/150=33.3倍,c3起隔直流作用,以使電路直流為100%負(fù)反饋。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。 c2、c4、c7為電源高頻旁路電容,防止電路產(chǎn)生自激振蕩。r6用以在電路接有感性負(fù)載揚(yáng)聲器時,保證高頻穩(wěn)定性。vd1、vd2是保護(hù)二極管,防止輸出電壓峰值損壞集成塊tda2030。2.4用集成運(yùn)算放大器放大信號的主要優(yōu)點(diǎn)：電路設(shè)計簡化，組裝高度方便

10、，只需適當(dāng)選配外接元件，便可實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的各種放大關(guān)系。 由于運(yùn)放的開環(huán)增益都很高，用其構(gòu)成的放大電路一般工作在深度負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)，則性能穩(wěn)定，非線性失真小。 運(yùn)放的輸入享受搞高，失調(diào)和漂移都很小，故很適合于各種微弱的信號放大。又因其具有很高的共模抑制比，對溫度的變化、電源的波動以及其他外界干擾都有 很強(qiáng)的抑制能力。 由運(yùn)放構(gòu)成的放大單元功耗低、體積小、壽命長，使整機(jī)使用的元器件數(shù)大大減少，成本降低，工作可靠性大為提高。 圖1-5第三章 選擇器件及參數(shù)計算3.1功率放大器芯片tda2030介紹tda2030a是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用v型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1-5所示

11、，按引腳的形狀引可分為h型和v型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。意大利sgs公司、美國rca公司、日本日立公司、nec公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。電路特點(diǎn)： 1.外接元件非常少。 2.輸出功率大，po=18w(rl=4)。 3.采用超小型封裝（to-220）,可提高組裝密度。 4.開機(jī)沖擊極小。 5.內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線偶然開路、電源極性反接（vsmax=12v）以及負(fù)載泄放電壓反沖等。 6.tda20

12、30a能在最低6v最高22v的電壓下工作在19v、8阻抗時能夠輸出16w的有效功率，thd0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。如圖1-6：引腳情況：1腳正相輸出端2腳是反向輸入端3腳是負(fù)電源輸入端4腳是功率輸出端5腳是正電源輸入端圖1-6極限參數(shù)如下表：注意事項(xiàng)：1.tda2030a具有負(fù)載泄放電壓反沖保護(hù)電路，如果電源電壓峰值電壓40v的話，那么在5腳與電源之間必須插入lc濾波器，二極管限壓（5腳因?yàn)槿魏卧虍a(chǎn)生了高壓，一般是喇叭的線圈電感作用，使電壓等于電源的電壓）以保證5腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內(nèi)。 2.熱保護(hù)：限熱保護(hù)有以下優(yōu)點(diǎn)，能夠容易承受輸

13、出的過載（甚至是長時間的），或者環(huán)境溫度超過時均起保護(hù)作用。 3.與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬一結(jié)溫超過時，也不會對器件有所損害，如果發(fā)生這種情況，po=（當(dāng)然還有ptot）和io就被減少。 4.印刷電路板設(shè)計時必須較好的考慮地線與輸出的去耦，因?yàn)檫@些線路有大的電流通過。 5.裝配時散熱片與之間不需要絕緣，引線長度應(yīng)盡可能短，焊接溫度不得超過260，12秒。 6.雖然tda2030a所需的元件很少，但所選的元件必須是品質(zhì)有保障的元件。3.2參數(shù)計算32.1參數(shù)計算rp是音量調(diào)節(jié)電位器,考慮到實(shí)際情況本設(shè)計rp=2.2 k；c1是輸入耦合電容（c1=1uf）；r1是tda20

14、30同相輸入端偏置電阻；r2、r3為反饋網(wǎng)絡(luò)電阻（r1=r2=r3=100k）；.r4、r5決定了該電路交流負(fù)反饋的強(qiáng)弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為(r4+r5)/r5=(0.68+22)/0.68=33.3倍,c3起隔直流作用,以使電路直流為100%負(fù)反饋。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。 c2、c4、c7為電源高頻旁路電容,防止電路產(chǎn)生自激振蕩；r6用以在電路接有感性負(fù)載揚(yáng)聲器時,保證穩(wěn)定性；vd1、vd2是保護(hù)二極管,防止輸出電壓峰值損壞集成塊tda2030,負(fù)載rl=8。. 3.2.2功率的計算1、 計算輸出功率po輸出功率用輸出電壓有效值v0和輸出電流i0的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為vom，

15、則因?yàn)閕om=vom/rl，所以.當(dāng)輸入信號足夠大，使vim=vom= vcem= vcc- vces vcc和iom=icm時，可獲得最大的輸出功率 由上述對po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓vcc或降低負(fù)載阻抗rl。 第四章 用multisim仿真otc功率放大器4.1、功放電路仿真圖1-7：圖1-74.2、功放電路仿真波形如圖1-8：圖1-8用仿真課可之當(dāng)rl調(diào)的過小時，波形失真；如下圖1-9：圖1-9用multisim軟件仿真，可以完成以后對pcb的通電測試，測試是對安裝后的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)，經(jīng)過反復(fù)測量和調(diào)整，就可以使電路性

16、能達(dá)到要求。仿真的函數(shù)信號發(fā)射器的頻率課選擇1khz左右，幅度可以在12v左右，電位計要靠中間檔。第五章 實(shí)物電路安裝調(diào)試及使用5.1電路調(diào)整與測試實(shí)踐證明，新安裝的電路板往往難以達(dá)到預(yù)期的效果，這是因?yàn)槲覀冊谠O(shè)計的時候不可能周全地考慮元件的誤差、器件參數(shù)的分散性、寄生參數(shù)等各種各樣的客觀因素。此外，電路板的安裝中仍存在有可能沒有查出來的錯誤。通過電路板整體測試與調(diào)整，可發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計方案中的不足，并查出電路安裝中的錯誤然后采取措施加以改進(jìn)和糾正，就可以使之達(dá)到預(yù)定的技術(shù)要求。本次設(shè)計采用的是pcb制作電路板，步驟繁瑣，流程較為復(fù)雜。所以在電路調(diào)整與測試的應(yīng)注意的問題較多，具體如下：u 通電前

17、調(diào)試電路安裝完畢后，必須在不通電的情況下，對電路板進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查，以便糾正安裝錯誤。檢查應(yīng)特別注意：元器件引腳之間有無短路。因?yàn)槲覀冊摻M是第一次用pcb制作板，在檢查電路引腳間的有無短路的時候出現(xiàn)了不少的問題。首先板子在腐蝕的時候就沒有腐蝕好（這可能是板子的質(zhì)量、腐蝕時間的長短、fecl3溶液的配置等原因）所以在用萬用表測量的時候真的是處處短路，而有的地方就是處處斷路，為了保證的電路的正確性，只有通過萬用表一條條的線路檢查是否導(dǎo)通，引腳間是否短路。所以本次設(shè)計實(shí)物的走線用導(dǎo)線和焊錫補(bǔ)了不少，同時為了避免短路很多地方用小刀刮了不少了。 電源的正負(fù)、負(fù)極性有沒有接反，正、負(fù)極之間有沒有短路現(xiàn)象

18、，電源線、地線是否接觸良好。關(guān)于電源正、負(fù)極問題主要是在本次設(shè)計中的單電源供電的導(dǎo)線插在功放電路的插座上，在此應(yīng)特別注意在測試極性的時候，應(yīng)注意紅、黑表筆不要弄反。紅表筆接正極，黑表筆接負(fù)極。該設(shè)計為了避免次問題在pcb制圖的時候?qū)⒌鼐€稍微加寬。不但滿足制圖制板的要求，而且使其極性區(qū)分明顯。 二極管有電解電容極性有沒有接反，三極管、集成器件引腳有沒有接錯，集成電路的型號及安插方向?qū)Σ粚?，引腳連接處有無接觸不良等。在安裝的時候我們嚴(yán)格按照測量晶體管的步驟和要求進(jìn)行，用萬用表分別判斷出二極管的陽、陰極；小功率三極管的類型、b極、c極、e極；大功率三極管的類型、b極、c極、e極;并作了相應(yīng)的標(biāo)注。

19、u 通電調(diào)試此在用軟件仿真是就完成了。5.2通電觀察 改變rp電阻值或調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的頻率計幅度（在器件允許承受范圍），用示波器觀察輸出與輸入波形，并對比。同時觀察喇叭發(fā)出的聲音是否產(chǎn)生異同。第六章、設(shè)計體會與總結(jié)1、在這次設(shè)計中，讓我們確實(shí)遇了很多難以解決的問題，同時也學(xué)到了很多知識。掌握了功率放大器電路的設(shè)計與制作，掌握了tda2030 等集成芯片的原理與作用以及晶體管極性的判斷，如何去檢查電路中的錯誤與線路是否導(dǎo)通，進(jìn)一步熟練萬用表的使用，如何制作pcb電路板。更讓我明白團(tuán)體精神的重要性。更懂得做好一件事情的不容易。接觸到了與自己相關(guān)專業(yè)的具體的知識，感覺到所學(xué)的東西還是很有用的，通過實(shí)踐不但鞏固了學(xué)過的知識，而且其他的對所學(xué)知識進(jìn)行實(shí)踐論證，及時的發(fā)現(xiàn)了存在的許多不足。通過本次課程設(shè)計初步了解了一些專業(yè)軟件的使用，如ultisim的軟件的使用，也初步接觸到了具體的制版