《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)0501班指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì) 初始條件： 可選元件：集成功放la4100或la4102；集成功放4430；集成功放td2030；集成功放tda2004、2009；集成功放ta7240ap（集成功放的選擇應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)）。電容、電阻、電位器若干；或自備元器件。直流電源12v，或自備電源?？捎脙x器：示波器，萬(wàn)用表，毫伏表要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件，選擇合適的功放電路，如：ocl、otl或btl電路。完成對(duì)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計(jì)要求 輸出

2、功率10w/8；頻率響應(yīng)2020khz；效率60；失真小。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用pspice或ewb軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日btl音頻功率放大器設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)課題 高保真音頻功率放大器，完成對(duì)功率放大器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。1.1功放簡(jiǎn)介功率放大器，簡(jiǎn)稱“功放”。很多情況下主機(jī)的額定輸出功率不能勝任帶動(dòng)整個(gè)音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時(shí)就要在主機(jī)和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來(lái)補(bǔ)充所需的功率缺口，而功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中

3、起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。目前市場(chǎng)上車用功率放大器的種類很多，分類方法也比較復(fù)雜。最常見(jiàn)的是按照工作方式分為：a型、b型和ab型。a型是指放大器每隔一定時(shí)間收集一次主機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的音頻信號(hào)，并將其放大后傳輸給揚(yáng)聲器，而這一過(guò)程中的“緩沖作用”保證了系統(tǒng)能夠輸出溫和、平順的聲音信號(hào)，不足之處處在于消耗的能量較大。b型功率放大器則是取消了前面所說(shuō)的“緩沖作用”，放大器的工作一直處于適時(shí)狀態(tài)，但是音質(zhì)方面較前者就要差了一些。ab型放大器，實(shí)際上是a型和b型的結(jié)合，每個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間在50-100之間，可以稱得上是當(dāng)前比較理想的功率放大器。選擇功率

4、放大器的時(shí)候，首先要注意它的一些技術(shù)指標(biāo)：1、輸入阻抗：通常表示功率放大器的抗干擾能力的大小，一般會(huì)在5000-15000，數(shù)值越大表示抗干擾能力越強(qiáng)；2、失真度：指輸出信號(hào)同輸入信號(hào)相比的失真程度，數(shù)值越小質(zhì)量越好，一般在0.05以下；3、信噪比：是指輸出信號(hào)當(dāng)中音樂(lè)信號(hào)和噪音信號(hào)之間的比例，數(shù)值越大代表聲音越干凈。另外，在選購(gòu)功率放大器的時(shí)候還要明確自己的購(gòu)買意愿，如果您希望加裝低音炮，最好購(gòu)買5聲道的功放，通常2聲道和4聲道揚(yáng)聲器只能推動(dòng)前后揚(yáng)聲器，而低音炮只能再另配功放，5聲道功放就可以解決這個(gè)問(wèn)題，功率放大器的輸出功率也要盡量大宇揚(yáng)聲器的額定功率2設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 輸出功率10w/8；

5、頻率響應(yīng)2020khz；效率60；失真小。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用pspice或ewb軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。3設(shè)計(jì)思路與方案3.1設(shè)計(jì)思路經(jīng)過(guò)一期的學(xué)習(xí)，我學(xué)了各種放大電路及其組合形式。由于所選器件和組合形式的不同，不可避免地要造成諸如輸入阻抗、頻響、失真、信噪比等方面性能的指標(biāo)差異，并且最終以音質(zhì)方面的差異體現(xiàn)出來(lái)。因此我就學(xué)習(xí)的知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合考慮了一下幾種方案。3.2設(shè)計(jì)方案 3.2.1甲類放大器輸入音頻信號(hào)前置放大級(jí)電路共射-共基電路共射-共基電路恒壓源電路推動(dòng)級(jí)

6、反饋電路至末級(jí)功放沃爾漫電路 前置放大電路框圖甲類放大器作為一種最古老，效率最低，最耗電，最笨重，最耗資，失真最小的放大器它有吸引人的音質(zhì)。甲類放大器輸出電路本身具有抵消奇次諧波失真，且甲類放大器管子始終工作在線性曲線內(nèi)，晶體管自始自終處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，不存在開(kāi)關(guān)失真和交越失真等問(wèn)題。甲類放大器始終保持大電流的工作狀態(tài)。所以對(duì)猝發(fā)性聲音瞬間升降能迅速反映。因而輸出功率發(fā)生急劇變化時(shí)，電源電流變化微乎其微。由這種強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)者來(lái)推動(dòng)揚(yáng)聲器就能輕而易舉的獲得高保真的重放效果。為了能得到好的音質(zhì),在設(shè)計(jì)時(shí),我采用了前后級(jí)分離。前置低放和末級(jí)功放完全分離,甚至分開(kāi)供電。電路的方框圖如圖1所示。3.2.

7、2乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放在右圖示電路中，兩晶體管分別為npn管和pnp管，由于它們的特性相近，故稱為互補(bǔ)對(duì)稱管。靜態(tài)時(shí)，兩管的icq=0；有輸入信號(hào)時(shí)，兩管輪流導(dǎo)通，相互補(bǔ)充 。既避免了輸出波形的嚴(yán)重失真，又提高了電路的效率。 互補(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能對(duì)稱， 所以這種電路通常稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。因?yàn)檩敵鲂盘?hào)是兩管共同作用的結(jié)果， 所以將t1、t2合成一個(gè)能反映輸出信號(hào)和通過(guò)負(fù)載的電流的特性曲線。合成時(shí)考慮到：（1）vi=0時(shí),vceq1=vcc ， -vceq2=vcc， 因此 q1=q2 。（2）由流過(guò)rl的電流方向知ic1與ic2方向相反。即兩個(gè)縱坐標(biāo)軸相反。（3）特性的橫坐標(biāo)應(yīng)符合：vce

8、1+vec2=vcc-(-vcc)=2vcc vce1的原點(diǎn)與-vce2=2vcc點(diǎn)重合；-vce2的原點(diǎn)與+vce1=2vcc點(diǎn)重合。由以上三點(diǎn)，得兩管的合成曲線如圖所示。這時(shí)負(fù)載線過(guò)vcc點(diǎn)形成一條斜線，其斜率為-/rl。顯然，允許的ic的最大變化范圍為2icm，vce的變化范圍為2（vcc-vces）=2vcem=2icmrl。如果忽略bjt的飽和壓降vces，vcem=icmrlvcc。3.2.3 btl集成功放用兩塊tda2030 組成如圖1所示的btl功放電路，tda 2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào)vin通過(guò)交流耦合電容c1饋入同相輸入端腳，交流閉環(huán)增益為kvc1r3 / r

9、2r3 / r230db。r3 同時(shí)又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點(diǎn)穩(wěn)定。tad 2030（2）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是由tda 2030（1）輸出端的u01 經(jīng)r5、r7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容c6 后饋給反相輸入端腳，它的交流閉環(huán)增益kvcr9 / r7/r5r9/r730db。由r9r5，所以tda 2030（1）與tda 2030（2）的兩個(gè)輸出信號(hào)u01 和u02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的，即：u01uinr3 / r2 u02u01r9 / r5 r9r5 u02 u01 因此在揚(yáng)聲器上得到的交流電壓應(yīng)為： uy u01 -（ -u02） 2u01 2u02揚(yáng)

10、聲器得到的功率 py 按下式計(jì)算： py 4 pmono方案一，二采用大量的導(dǎo)線與電容，增加制作成本，并且導(dǎo)線太長(zhǎng)容易使得結(jié)果誤差更大，連線太多也影響視覺(jué)效果；方案三比較簡(jiǎn)練，一目了然，思路清晰，并且采用比較少的電容，采用可調(diào)電阻使得結(jié)果更為精確，且數(shù)字d btl功放輸出功率大，抗干擾小，噪聲低，關(guān)鍵是容易制作成功，選用此方案。4單元電路的設(shè)計(jì)與選擇4.1電源電路1）交流降壓電路。穩(wěn)壓電源額定輸出電壓為24v，因?yàn)檎{(diào)整管必須有一定的壓降，交流輸入電壓e選擇為12v，由電源變壓器t將220v交流電壓降壓為交流12v。穩(wěn)壓電源最大輸出電流為600ma，考慮到一定的損耗，t采用40w的電源變壓器變壓

11、器的功能，就是將交流220v電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓并穩(wěn)定輸出。圖中，左邊交流220v端為輸入端，右邊12v端為輸出端，信號(hào)處理流程方向?yàn)閺淖蟮接摇?.2降壓整流電路將變壓器輸出的符合電壓要求的交流電變換為所需數(shù)值的直流電。常用的整流電路主要有：半波整流、全波整流及橋式整流等。相對(duì)于半波整流相，全波整流二極管交替導(dǎo)通，其輸出電壓紋波明顯減小；而橋式整流電路是全波整流電路的一個(gè)變形，其輸出電壓波形與全波整流電路相同，但加在變壓器次級(jí)線圈上的電流變?yōu)榱藰O性正負(fù)交替的脈沖電流，其性能更加優(yōu)越。本設(shè)計(jì)中采用性能優(yōu)越的橋式整流電路。4.3功率放大電路tda2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào)vin通過(guò)交流

12、耦合電容c1饋入同相輸入端腳，交流閉環(huán)增益為kvc1r3 / r2r3 / r230db。r3 同時(shí)又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點(diǎn)穩(wěn)定。tad 2030（2）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是由tda 2030（1）輸出端的u01 經(jīng)r5、r7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容c6 后饋給反相輸入端腳，它的交流閉環(huán)增益kvcr9 / r7/r5r9/r730db。由r9r5，所以tda 2030（1）與tda 2030（2）的兩個(gè)輸出信號(hào)u01 和u02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的4.4元件的選擇btl電路元件清單（單聲道）電容：1f1 22f20.22f22200f20.1f2電阻: 22

13、k5680211w2二極管:1n40014 1n40044電位器: 22ktda2030極限參數(shù)：參數(shù)名稱極限值單位電源電壓(vs)18v輸入電壓(vin)vsv差分輸入電壓(vdi)15v峰值輸出電流(io) 3.5a耗散功率(ptot)(vdi)20v工作結(jié)溫(tj)-40-+150存儲(chǔ)結(jié)溫(tstg)-40-+150使用tda2030的注意事項(xiàng)：tda2030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，以保證5腳上的脈沖串維持的規(guī)定的幅度內(nèi)。熱保護(hù)：限熱保護(hù)有以下優(yōu)點(diǎn)，能夠容易承受輸出的過(guò)載（甚至是長(zhǎng)時(shí)間的），或者環(huán)境溫度超過(guò)時(shí)均

14、起保護(hù)作用。與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬(wàn)一結(jié)溫超過(guò)時(shí)，也不會(huì)對(duì)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。印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)。裝配時(shí)散熱片與之間不需要絕緣，引線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，焊接溫度不得超過(guò)260。12秒。雖然tda2030所需的元件較少，但需要的都是高品質(zhì)的。一定要選擇滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)，這是至關(guān)重要的。（1）根據(jù)具體的電路圖計(jì)算電路參數(shù)。（2）選取元件、識(shí)別和測(cè)試。包括各類電阻、電容、變壓器的數(shù)值、質(zhì)量、電器性能的準(zhǔn)確判斷、解決大功率放大器散熱的問(wèn)題。（3）了解有關(guān)集成電路特點(diǎn)和性能

15、資料情況5安裝與調(diào)試5.1安裝注意：將輸入電位器調(diào)到最大輸入的情況。測(cè)量允許的最大輸入信號(hào)和最大不失真輸出功率。測(cè)量條件：（1）直流電源電壓12v,負(fù)載電阻為8。（2）直流電源電壓10v,負(fù)載電阻為8。測(cè)量上、下限截止頻率fh和fl,直流電源電壓12v,改變輸入信號(hào)頻率、負(fù)載電阻為8。測(cè)量電壓增益：條件：直流電源電壓14v,輸入信號(hào)1khz,輸出負(fù)載為8。由于本實(shí)驗(yàn)最終選擇了方案二作為重點(diǎn)研究對(duì)象。因此在連接電路板前先根據(jù)圖2）選購(gòu)合適的元件兩份以備損壞。按照電路圖2）在模擬電子綜合實(shí)驗(yàn)箱上連接電路。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析各個(gè)故障并排除。故障的不斷出現(xiàn)和排除后固定了各個(gè)元件及其參數(shù)，對(duì)照原理圖將元件

16、安裝在電路板上，檢查元件位置是否正確。檢查無(wú)誤后，用電烙鐵將每個(gè)元件用焊錫焊牢，保證每個(gè)元件不虛焊。在焊元件時(shí)根據(jù)不同元件耐熱性能盡量減少焊接時(shí)間。焊接完畢后用萬(wàn)用表檢查是否斷路和短路，焊接中盡量對(duì)各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)，負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)將很難成功。5.2調(diào)試先安裝電源電路，再安裝功率放大電路。安裝一級(jí)，調(diào)試一級(jí)，先調(diào)試電源電路，接好線路，用萬(wàn)用表觀察輸出電壓是否滿足要求，若不滿足，則觀測(cè)整流器是否正常工作。在接好功率放大電路，選擇一個(gè)符合輸出功率的揚(yáng)聲器，觀測(cè)揚(yáng)聲器是否正常工作。若不，則觀察有關(guān)，功放的線路是否接錯(cuò)，各個(gè)引腳是否接錯(cuò)。經(jīng)過(guò)逐步調(diào)試，使整個(gè)電路正常工作。6心得體會(huì)通過(guò)這幾天的課程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作，我深刻體會(huì)到了自己知識(shí)的匱乏。我深深的感覺(jué)到自己知識(shí)的不足，自己原來(lái)所學(xué)的東西只是一個(gè)表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現(xiàn)實(shí)中還存在有很多問(wèn)題。設(shè)計(jì)一個(gè)很簡(jiǎn)單的電路，所要考慮的問(wèn)題，要比考試的時(shí)候考慮的多的多。所以，一開(kāi)始，我遇到了很多麻煩。通過(guò)老師和同學(xué)們的幫助，我漸漸的有了眉目。這樣，在很大程度上提高了我考慮問(wèn)題的全面性?？偟恼f(shuō)，通過(guò)本次功率放大器的設(shè)計(jì)，真正體驗(yàn)到了一個(gè)設(shè)計(jì)從前期的找資料到后來(lái)的制板，自己焊接，自己調(diào)試這樣一個(gè)一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程里將以前所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了綜合的運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)了自己很多不足的地方，理論知識(shí)與實(shí)