課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告音響放大器的設(shè)計(jì)

1、一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊辉O(shè)計(jì)目的1. 了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理。2. 掌握其外圍電路的設(shè)計(jì)與主要性能參數(shù)的測(cè)試方法。3. 掌握音響放大器的設(shè)計(jì)方法與電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)。二設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)音響放大器，要求具有前置放大，音調(diào)輸出控制，功率放大輸出。二 方案選擇一 音響放大電路的設(shè)計(jì)方案的選擇與比較論證:音響放大電路設(shè)計(jì)由三部分組成:混合前置放大模塊，音調(diào)輸出控制模塊，功率放大模塊?；旌锨爸梅糯竽K作用是將磁帶放音機(jī)輸出的音樂信號(hào)混合放大。音調(diào)輸出控制模塊作用是主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性。功率放大模塊作用是給音響放大的負(fù)載（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出功率。(一) 混合前置放大模塊比較論證與

2、選擇(二) 音調(diào)輸出控制模塊比較論證與選擇(三) 功率放大模塊比較論證與選擇功率放大器可以選擇芯片很多，經(jīng)過比較覺的tda2030a和tda2040還可以。（1） tda2030tda 2030 是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點(diǎn)是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小，在目前流行的數(shù)十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括tda 2030 在內(nèi)的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調(diào)失真是決定放大器品質(zhì)的重要因素，該集成功放的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。tda2030 集成電路的另一特點(diǎn)是輸出功率大，而保護(hù)性能以較完善。根據(jù)掌握的資料，在各國(guó)生產(chǎn)的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20w，而tda 20

3、30的輸出功率卻能達(dá)18w，若使用兩塊電路組成btl電路，輸出功率可增至35w。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在tda 2030集成電路中，設(shè)計(jì)了較為完善的保護(hù)電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動(dòng)地減流或截止，使自己得到保護(hù)（當(dāng)然這保護(hù)是有條件的，我們決不能因?yàn)橛斜Ｗo(hù)功能而不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行使用）。tda2030 集成電路的第三個(gè)特點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便。在現(xiàn)有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，總共才5端，外型如同塑封大功率管，這就給使用帶來不少方便。tda2030 在電源電壓14v，負(fù)載電阻為4時(shí)輸出14瓦功率（失

4、真度05）；在電源電壓 16v，負(fù)載電阻為4時(shí)輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價(jià)廉質(zhì)優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應(yīng)用于各種款式收錄機(jī)和高保真立體聲設(shè)備中。該電路可供低頻課程設(shè)計(jì)選用。(2) tda2040tda2040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)。按引腳的形狀引可分為h型和v型。該集成電路在32v電源電壓下，rl=4時(shí)可獲得22w的輸出功率。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(guó)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，

5、但引出腳位置及功能均相同，可以互換。電路特點(diǎn)：1.單列5腳直插塑料封裝，僅5只引腳。2.外接元件非常少。3.輸出功率大，po=22w(rl=4)。4.采用超小型封裝（to-220）,可提高組裝密度。5.開機(jī)沖擊極小。6.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。綜上所述:tda2030外圍電路少，輸出功率大，而且電源電壓v普通電源足夠用，而且tda2030在市場(chǎng)銷售比較多易購買成本也比較低，適合要求不太高用戶。所以我們這次設(shè)計(jì)選擇tda2030a芯片。三 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)一 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一款

6、額定輸出功率為5 20w的低失真集成電路功率放大器，要求電路簡(jiǎn)潔，制作方便、性能可靠。具有音調(diào)控制，音量控制，等功能。二 性能主要指標(biāo)：1.輸出功率：5 20w（額定功率）；2. 頻率響應(yīng)：20hz 100khz（3db）；3. 諧波失真：1 (10w,30hz20khz)；4. 輸出阻抗：0.16；5. 輸入靈敏度：600mv（1000hz，額定輸出時(shí)）；6. 音調(diào)控制特性1khz 處增益為0db，100hz和10khz處有12db的調(diào)節(jié)范圍，+20db；7. 負(fù)載阻抗；8. 輸入阻抗；四 設(shè)計(jì)原理(一)混合前置放大器混合前置放大器的作用是將磁帶放音機(jī)輸出的音樂信號(hào)與電子混響后的聲音信號(hào)混合

7、放大，其電路如圖a2所示。這是一個(gè)反相加法器電路，輸出與輸入電壓間的關(guān)系為式中，為話筒放大器輸出電壓；為放音機(jī)輸出電壓。音響放大器的性能主要由音調(diào)控制器與功率放大器決定。1. 前置放大器的功能任何功率放大器總是要將節(jié)目源輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出給揚(yáng)聲器。節(jié)目源的種類有多種多樣，如：傳聲器、收音頭、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、線路傳輸以及新近出現(xiàn)的cd唱機(jī)等。這類節(jié)目源設(shè)備的輸出信號(hào)電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏，甚至12伏。而功率放大器的輸入靈敏度是一定的，如果我們?cè)谇懊嬖O(shè)計(jì)的例子中為50mv。這些節(jié)目源信號(hào)如果從同一輸入接口輸入放大器，或者由于輸入電平過低，使功率放大器輸出功率不足

8、，不能充分發(fā)揮功放的作用；或者由于輸入電平過高，使放大器的輸出信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重過載失真，失去高保真放大的意義。因此，必須設(shè)置前置放大器，對(duì)輸入放大器的各種輸入信號(hào)進(jìn)行處理；或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的是輸入靈敏度相匹配。 在各種音源信號(hào)中，除了電平差別外，他們的頻率特性有的也不同，如電唱機(jī)輸出信號(hào)的頻率特性曲線呈上翹形，磁帶放音的頻率特性曲線也呈上翹形，即低音呈衰減，高音被提升，但他們的衰減和提升的程度又各不相同。這樣，在輸入功率放大器之前，必須進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)。 綜上所述，前置放大器的主要功能為：(1)對(duì)輸入功率放大器的各種音源信號(hào)進(jìn)行加工

9、處理，或放大，或衰減，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配，使功率放大器充分發(fā)揮其放大和保真的功能。(2)進(jìn)行阻抗變換，使各種音源信號(hào)的輸出阻抗能與功率放大的輸入阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸。(3)進(jìn)行頻率均衡處理，使電唱機(jī)和磁帶機(jī)輸出信號(hào)的頻率特性恢復(fù)成平坦的狀態(tài)。2.對(duì)前置放大器的技術(shù)要求對(duì)前置放大器的技術(shù)要求，就是必須要和功率放大器的特性相適應(yīng)，即對(duì)功率放大器的技術(shù)要求，同樣也適用于前置放大器，而且對(duì)前置放大器還應(yīng)略高一些。否則就不能成為一個(gè)高保真“系統(tǒng)”，也就是說，構(gòu)成高保真系統(tǒng)的每一個(gè)單元都必須是一個(gè)高保真單元。（1） 失真度:包括諧波失真和 互調(diào)失真，要求分別小于0.1%和0.05

10、%。（2） 信噪比：應(yīng)大于90db.（3） 頻率響應(yīng)：在20hz20khz0.5db（4） 轉(zhuǎn)換速度：應(yīng)大于5v/s。（5） 動(dòng)態(tài)范圍：應(yīng)大于7580db。（6） 輸入/輸出信號(hào)匹配：前置放大器的輸入端和輸出端分別和節(jié)目源設(shè)備以及功率放大器相連。要使信號(hào)高質(zhì)量傳輸，必須滿足匹配條件，包括阻抗匹配、電平匹配、傳輸方式匹配等。（7） 均衡網(wǎng)絡(luò)要符合riaa標(biāo)準(zhǔn)和nab標(biāo)準(zhǔn)。（8） 電源：高質(zhì)量的電源是前置放大器性能好壞的因素之一，應(yīng)包括低噪聲、大容量和低內(nèi)租等條件。前置放大器的電源應(yīng)與功率放大器的電源分開，單獨(dú)供電。(四) 音調(diào)控制器音調(diào)控制器是控制、調(diào)節(jié)音響放大器輸出頻率高低的電路，其控制曲線如

11、圖4-2-1中折線所示。圖中 中音頻率，要求增益；低音轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十赫芝；中音頻轉(zhuǎn)折頻率；中音頻轉(zhuǎn)折頻率；高音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫芝。 圖4-2-1音調(diào)控制曲線 從圖中可見，音調(diào)控制器只對(duì)低音頻或高音頻進(jìn)行提升或衰減，中音頻增益保持不變，音調(diào)控制器由低通濾波器和高通濾波器共同組成。采用集成運(yùn)放構(gòu)成音調(diào)控制器，如圖4-2-2所示。圖4-2-2 音調(diào)控制電路設(shè)，在中、低音頻區(qū)，可視開路，在高音頻區(qū)，、可視為短路。當(dāng) 時(shí)，音調(diào)控制器低頻等效電路如圖4-2-3所示，其中圖4-2-3（a）為的滑臂在最左端，對(duì)應(yīng)于低音頻提升最大的情況，圖4-2-3（b）為滑臂在最右端，對(duì)應(yīng)于低音頻衰減最大情況

12、。圖4-2-3（a）實(shí)質(zhì)上是一個(gè)一階有源低通濾波器，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為 （a） (b) 圖4-2-3 音調(diào)控制器低頻等效電路(a)低音頻提升 ( b)低音頻衰減 4.2.1 式中 或 或 時(shí)，可視為開路，運(yùn)放的反相輸入端為虛地，因運(yùn)放輸入電流，影響可忽略，此時(shí)電壓增益為： 4.2.2時(shí)，由式4.2.1得 4.2.3模為 4.2.4此時(shí)電壓增益相對(duì)下降了。時(shí)，由式4.2.3得 4.2.5 模為 4.2.6此時(shí)電壓增益相對(duì)下降了。范圍內(nèi)，電壓增益衰減速率為/10倍頻程。同樣可得出圖4-2-3(b)所示電路表達(dá)式，其增益相對(duì)于中頻為衰減量。音調(diào)控制器工作在低音頻時(shí)，幅頻特性如圖4-2-1左半部虛線所

13、示。當(dāng)時(shí)，音調(diào)控制器高音頻等效電路如圖4-2-4(a)所示。在高音頻段、可視為短路，與、 組成星形聯(lián)接，為分析方便，將其轉(zhuǎn)換成三角形聯(lián)接后的等效電路如圖4-2-4(b)所示。 (a) (b)圖4-2-4 音調(diào)控制器高頻等效電路(a)高音頻等效電路 (b) 三角形聯(lián)接后的等效電路電阻關(guān)系式為若取，則這時(shí)高頻等效電路如圖4-2-5所示，圖4-2-5（a）為的滑臂在最右端時(shí)，對(duì)應(yīng)于高頻提升最大的情況，圖4-2-5（b）為滑臂在最左端時(shí)，對(duì)應(yīng)于高頻衰減最大的情況。該電路為一階有源高通濾波器，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為 4.2.7 或 或 （a） （b）圖4-2-5 高頻等效電路 （a）高頻提升 （b）高頻衰減

14、通過低頻等效電路相同方法分析，可得到以下關(guān)系式：時(shí)，可視為開路，時(shí)， 時(shí)， 時(shí)，可視為短路，電壓增益為 4.2.8范圍內(nèi),電壓提升速率為20db/10倍頻程，音調(diào)控制器高頻時(shí)幅頻特性如圖4-2-1中右半部虛線所示。實(shí)際應(yīng)用中，通常是給出低頻區(qū)和高頻區(qū)處的提升量或衰減量x(db),再根據(jù)下式求出轉(zhuǎn)折頻率和。即 4.2.9 4.2.10(五) 功率放大器1.集成芯片tda2030atda2030a使用于收錄機(jī)和有源音箱中, 作音頻功率放大器, 也可作其它電子設(shè)備中的功率放大。 因其內(nèi)部采用的是直接耦合, 亦可以作直流放大。 2. tda2030內(nèi)部原理圖如下4-3-1所示圖4-3-1 tda203

15、0a集成功放的內(nèi)部電路2.單電源（otl）應(yīng)用電路-組成功率放大電路 對(duì)僅有一組電源的中、小型錄音機(jī)的音響系統(tǒng), 可采用單電源連接方式, 如圖4-3-2所示。 由于采用單電源供電, 故同相輸入端用阻值相同的r1、 r2組成分壓電路, 使k點(diǎn)電位為ucc/2,經(jīng)r3加至同相輸入端。 在靜態(tài)時(shí), 同相輸入端、 反向輸入端和輸出端皆為ucc/2。圖4-3-2 由tda2030a構(gòu)成的單電源功放電路 五 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算1混合前置放大器參數(shù)計(jì)算混合前置放大器電路由運(yùn)放組成，為反相輸入加法器電路。根據(jù)增益分配，混合級(jí)輸出電壓，而話筒放大器輸出已達(dá)到的要求。即，所以取。錄音機(jī)插孔輸出的信號(hào)一般為，已遠(yuǎn)大于要求，要對(duì)進(jìn)行適當(dāng)衰減，否則會(huì)產(chǎn)生限幅失真（截頂失真）。取為，為使音量可調(diào)，電位器取。2.音調(diào)控制器參數(shù)計(jì)算根據(jù)題意，100hz和10khz處有12db調(diào)節(jié)范圍。即，代入式（4.2.9）得 5.1 則 5.2又 代入式（4.2.10）得 5.3則 5.3因此 5.4、不能取得太大，否則運(yùn)放漂移電流影響不能忽略不計(jì)。同時(shí)也不能太小，否則流過電流將超出運(yùn)放輸出能力。一般取幾千歐至幾百千歐。取=470, =47，取值正確與否代入式（5.2）進(jìn)行驗(yàn)算。滿足設(shè)計(jì)要求。由式（5.2）求得值取標(biāo)稱值0.01f，可得因此取標(biāo)稱值。由式（5.3）得取標(biāo)稱值。與等值取47