音頻功率放大器(課程設(shè)計(jì)報(bào)告)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書1 概述 THD+N性能指標(biāo) THD+N表示失真+噪聲，因此THD+N自然越小越好。但這個(gè)指標(biāo)是在一定條件下測試的。同一個(gè)音頻功率放大器，若改變其條件，其THD+N的值會(huì)有很大的變動(dòng)。 這里指的條件是，一定的工作電壓VCC(或VDD)、一定的負(fù)載電阻RL、一定的輸入頻率FIN（一般常用1KHZ）、一定的輸出功率Po下進(jìn)行測試。若改變了其中的條件，其THD+N值是不同的。例如，某一音頻功率放大器，在VDD=3V、FIN=1kHz、RL=32、Po=25mW條件下測試，其TDH+N=0.003%，若將RL改成16歐，使Po增加到50mW，VDD及FIN不變，所

2、測的TDH+N=0.005%。 一般說，輸出功率?。ㄈ鐜资甿W）的高質(zhì)量音頻功率放大器（如用于MP3播放機(jī)），它的THD+N指標(biāo)可達(dá)10-5，具有較高的保真度。輸出幾百mW的音頻功率放大器，要用揚(yáng)聲器放音，其THD+N一般為10-4；輸出功率在12W，其THD+N更大些，一般為0.10.5%.THD+N這一指標(biāo)大小與音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)類別有關(guān)（如A類功放、D類功放），例如D類功放的噪聲較大，則THD+N的值也較A類大。 這里特別要指出的是資料中給出的THD+N這個(gè)指標(biāo)是在FIN=1kHz下給出的，在實(shí)際上音頻范圍是20Hz20kHz，則在20Hz20kHz范圍測試時(shí)，其THD+N要大得多。例

3、如，某音頻功率放大器在1kHz時(shí)測試，其TDH+N=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz,，其他條件不變，其THD+N變?yōu)樾∮?.5%。 輸出額定功率的條件 過去有用“不失真輸出功率是多少”這種說法來說明其輸出功率大小。這話的意思指的是輸出的峰峰值沒有“削頂”現(xiàn)象出現(xiàn)，即Vout(P-P)=Vcc-（上壓差+下壓差）這種說法是不科學(xué)的。即使不產(chǎn)生削頂，它也有一定的失真。較科學(xué)的說法是THD+N在某一指標(biāo)下可輸出的功率是多少。即在一定的Vcc電壓、一定的負(fù)載電阻RL時(shí)、一定的THD+N下可輸出多少功率。這輸出功率一般是在這條件下的最大輸出功率，稱為額定功率。音頻功率的額定功率主要取決于V

4、cc的大小。在THD+N不變條件下，如Vcc=5V，RL=4時(shí)，輸出額定功率為2W；若Vcc=3V、RL=4時(shí)，輸出額定功率降為0.7W。當(dāng)然，若額定功率為2W，如果增加輸入電壓使輸出超出2W，則其TDH+N必然大于額定值時(shí)的THD+N值。 2 原理圖設(shè)計(jì)2.1 方案選擇 本次模擬電子線路課程設(shè)計(jì)（即硬件設(shè)計(jì)）我做的是555定時(shí)電路設(shè)計(jì)，本著需要達(dá)到一定的性能指標(biāo)的前提下，同時(shí)又考慮到我們這是第一次動(dòng)手操作焊接電路板，因而電路圖不能夠太復(fù)雜，我在網(wǎng)上搜索到如下兩種設(shè)計(jì)示例：示例一中具體如圖一：圖2.1 方案一原理圖如上圖所示，該電路運(yùn)用到兩個(gè)運(yùn)算放大器。上面一個(gè)LM4700是一個(gè)反相輸出負(fù)反饋

5、放大電路。如我們的模擬電子線路中的知識(shí)知道：這樣的一個(gè)電路是為了穩(wěn)定輸出，防止飽和失真以及截止失真。同時(shí)，下面的一個(gè)LM4700是一個(gè)反相輸出正反饋功率放大電路，則由理論上來說，這里是對源信號(hào)的一個(gè)功率放大，以達(dá)到對聲音功率放大的結(jié)果。如上圖所示，方案中也都是利用到了運(yùn)算放大器的放大運(yùn)算作用，其中利用到了大量的電阻和電容這樣對其中的噪聲的過濾就會(huì)有很好的作用，但是與此同時(shí)，這樣的話，元件數(shù)太多，焊接的時(shí)候會(huì)相對比較麻煩。但是從另外一個(gè)方面來說，由于該電路中的放大作用只是利用了運(yùn)算放大器的運(yùn)算放大作用，因此最后的性能效果不會(huì)很好，對于噪聲也沒有一定的濾出作用，基于上述分析，我決定放棄方案一。如此

6、，我就選擇了另外的一個(gè)方案，具體電路圖如下：圖2.2 方案二原理圖2.2 原理圖設(shè)計(jì)分析我所選擇的電路圖中，基本上綜合了上面所淘汰的三個(gè)原理圖的特點(diǎn)，利用了TDA2030的反相輸出來穩(wěn)定輸出，同時(shí)正反饋中來進(jìn)行放大，并且利用了二極管VD1、VD2來單向?qū)щ?，然后在輸出端口利用一個(gè)電阻和電容的并聯(lián)關(guān)系來選擇輸出。另外元件數(shù)目也不是很多，操作實(shí)際可行。D類音頻功率放大器是基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)的開關(guān)放大器,包括PWM調(diào)制器、功率H橋、三角波發(fā)生器和低通濾波器等。文章首先對D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的音頻功放進(jìn)行了分析和比較,然后對D類音頻功率放大器的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)

7、的分析和研究,最后對具有低功耗、低失真、高效率等高性能D類音頻功放設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和要點(diǎn)進(jìn)行了研究,并提供了可行的解決方案,展望D類音頻功放的發(fā)展趨勢。在總體網(wǎng)絡(luò)中，我使用的是橋式振蕩電路的原理電路，這個(gè)電路由兩部分構(gòu)成，即放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)電路。其中放大電路是有輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點(diǎn)。而選頻網(wǎng)絡(luò)同時(shí)兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)。四臂電橋中，對角線頂點(diǎn)接到放大電路的兩個(gè)輸入端，橋式振蕩電路的名稱由此得來。圖2.3 網(wǎng)絡(luò)圖圖2.3中所表示的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，它的頻率響應(yīng)特征曲線具有明顯的峰值。由圖2.3有：反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為就實(shí)際的頻率而言，可用替換，則得故當(dāng)，則上式變?yōu)榉l響應(yīng)的幅值為最大，

8、即這就是說，當(dāng)時(shí)，輸出電壓的幅值最大（當(dāng)輸入電壓的幅值一定，而頻率可調(diào)時(shí)），并且輸出電壓是輸入電壓的，同時(shí)輸出電壓與輸入電壓同相。在輸出端中放置一個(gè)電位器（滑動(dòng)變阻器），以此來選擇信號(hào)的輸入大小，這樣就可以避免在電路中因?yàn)樾盘?hào)的過強(qiáng)而導(dǎo)致的飽和失真。因此在這里放置的一個(gè)滑動(dòng)變阻器需要一個(gè)較大的阻值，以達(dá)到分壓的目的，所以我們這里選擇一個(gè)最大值為10K的滑動(dòng)變阻器。在集成塊TDA2030中正負(fù)輸入端的兩個(gè)電阻R1、R2，則是作為一個(gè)分壓作用，以此對集成塊進(jìn)行電壓信號(hào)的輸入，和反饋中的反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分。這樣來進(jìn)行工作。在正負(fù)工作電壓旁接一個(gè)電容來抵消工作電流對于電路中的而影響，體現(xiàn)了電容“隔直流，

9、通交流”的特點(diǎn)。這是由于它的阻抗是隨電壓頻率變化所致，如其阻抗變化為：可以看出，其阻抗與頻率成反比。在R3構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中，由于R3R2，故在這里是基本上的原樣輸出，沒有進(jìn)行縮小，因?yàn)樵谳斎攵丝诘哪抢?，就已?jīng)進(jìn)行了分壓調(diào)試。其中在集成塊運(yùn)算放大電路TDA2030中，集成運(yùn)算放大器內(nèi)電路由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成。并且輸入級為了減少零漂和抑制共模干擾信號(hào)，要求溫漂小、共模抑制比高、有極高的輸入阻抗，一般采用高性能的恒流源差動(dòng)放大電路。2中間級：運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)主要是由中間級提供的，因此要求中間級有較高的電壓放大倍數(shù)，一般放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍甚至幾十萬倍以上。輸出級：輸出級應(yīng)

10、具有較大的電壓輸出幅度較高的輸出功率與較低的輸出電阻的特點(diǎn)，大多采用復(fù)合管構(gòu)成的共集電路作為輸出級。偏置電路：一般由恒流源組成，用來為各級放大電路提供合適的偏置電流，使之具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。它們一般也作為放大器的有源負(fù)載和差動(dòng)放大器的發(fā)射極電阻。以上是我對電路進(jìn)行一個(gè)定性的分析，下面我將對電路的具體參數(shù)來進(jìn)行定量的分析，以此來達(dá)到我們所需要的最終結(jié)果：首先我們是做的是音頻功率放大，則放大的倍數(shù)是我們所關(guān)心的，因而在R3與R4組成的負(fù)反饋的網(wǎng)絡(luò)中，放大倍數(shù)為：通常這種音頻功率放大中，放大倍數(shù)為300-1000倍左右，為了保證音頻的帶寬，我就選擇較小的300倍，同時(shí)結(jié)合市面上常見電阻的阻值，故定

11、，。本圖中還有兩個(gè)為了穩(wěn)壓的穩(wěn)壓二極管D1和D2，因它們在運(yùn)算放大器的集成塊上進(jìn)行工作，故要求其工作電壓在12V上下。這樣來確定他們最終是否能夠正常工作。在信號(hào)輸入端口中，由一個(gè)為了隔離直流噪聲的電容C1。這個(gè)電容是工作在信號(hào)源旁，直接介入輸入端，因而需要一個(gè)較高的擊穿電壓的電容，而且電容的取值不能太大，因而定為。同樣，在電容中，在工作電壓V1和V2的旁邊分別有一個(gè)旁置電容，這兩個(gè)電容都是為了隔離直流電源的電流，為了增加它的效率，因而我的電容的容抗取值較小，都是。在使用運(yùn)算放大器中的時(shí)候，我時(shí)刻銘記運(yùn)放的“虛短，虛斷”的兩大特點(diǎn)。在這個(gè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行設(shè)計(jì)正反饋的功率放大和負(fù)反饋的保持輸出。

12、負(fù)反饋在前已經(jīng)說明，在此不再贅述。因此在這里具體介紹選頻網(wǎng)絡(luò)以及其構(gòu)成的正反饋的功率放大電路網(wǎng)絡(luò)。首先它作為一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，可以知道它的振蕩頻率為：我們的頻率要求是20Hz-20kHz，則我選擇了振蕩頻率為1kHz左右，再此，在這種電路板的焊接時(shí)不方便使用大電容，因此我就使用了1uf的電容，相應(yīng)地配備了的電阻。這樣在中頻1kHz的時(shí)候可以達(dá)到振蕩，成為峰值，以得到較好的頻率特性曲線。最后在輸出端并聯(lián)上一個(gè)電阻電容的串聯(lián)，其中電阻是為了保證輸出阻抗比較小，因而取值為，然后電容是為了隔離直流噪聲信號(hào)，所以不需要太大的容抗，選擇了。還可以防止在輸出端的自激振蕩，以造成意外結(jié)果。2.3 調(diào)試調(diào)試前，首先

13、用干電池檢測喇叭保護(hù)器靈敏度，合格后，接回電路。短接信號(hào)輸入端，將VR1、VR2旋到阻值最大處。接通12V前級電源，用數(shù)字萬用表監(jiān)視R14兩端電壓，用螺絲刀旋轉(zhuǎn)電位器，使其達(dá)到2V；再用數(shù)字表監(jiān)測圖中兩點(diǎn)電壓，調(diào)節(jié)使其電位為3V；然后接通后級50V電源，用數(shù)字表監(jiān)測最后對地電位，旋轉(zhuǎn)電位器監(jiān)測5W的電阻兩端，即其靜態(tài)電流約為360mA，工作于甲類狀態(tài)，煲機(jī)一個(gè)小時(shí)，再紅心調(diào)整一次。如果你的功能散熱器足夠大，靜態(tài)電流還可調(diào)大，但是不要讓散熱器溫度超過70攝氏度。其中需要注意的地方，在調(diào)整到某一點(diǎn)時(shí)，電流突然增大或突然減小，即出現(xiàn)“雪崩”現(xiàn)象，這說明電路有自激，可對電容的容量進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)增大該電

14、容容量，但不要太大，以免影響音質(zhì)。全部組裝完畢之后，將整機(jī)和你的所有音響設(shè)備用3kW專用音響交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。拆除輸入端信號(hào)短接線，接上音源就可以了。另外，在本電路圖的軟件仿真上，我使用的是Orcad Pspice 10.5的版本，進(jìn)行了放大模擬分析，以正弦波信號(hào)源代替了音源，以一個(gè)電阻代替了喇叭。則在其中進(jìn)行時(shí)域分析，得到如圖所示：圖2.5 仿真分析（時(shí)域）設(shè)置圖2.6 仿真分析（時(shí)域）結(jié)果曲線可以看出來，輸入是100mV（最大值）的電壓，經(jīng)過功率放大之后得到的是3.2-3.3V（最大值）的輸出電壓。300多倍的放大倍數(shù)可以滿足我們的需求，并且同時(shí)也滿足理論上的設(shè)計(jì)。另外，我們還進(jìn)行了頻域的分

15、析。我們知道，人類耳朵的聽覺范圍是20Hz-20kHz，因而我們需要對其進(jìn)行頻域的分析掃描，分析前的設(shè)置定頻率范圍是20Hz-20kHz，設(shè)置與結(jié)果如下：圖2.7 頻域分析設(shè)置圖2.8 頻域特性分析掃描結(jié)果曲線在上面的曲線圖中可以看出，該電路圖的頻率特性非常好，中間的峰值是30.4分貝，20Hz是28.9分貝，20kHz時(shí)是29.7分貝，其最大的分貝下降也不過是1.5分貝（=30.4-28.9）而已，完全滿足要求。另外設(shè)置的1kHz的峰值也是與理論完美結(jié)合。3 展望本電路中，是因?yàn)槲覀兊谝淮尾僮鳎蚨茈y就易，只是為了方便期間故選擇了一個(gè)期間數(shù)目較少的原理圖，因此在一些參數(shù)上可能取值沒有什么空

16、間，只是處于勉強(qiáng)工作的地步，在這個(gè)電子制作中，可以改進(jìn)的地方將會(huì)很多，來擴(kuò)大它的參數(shù)范圍，以達(dá)到更好的要求。另外，在我所使用的這種D類功率放大器在設(shè)計(jì)上必須要注意的包括過電流保護(hù)及過熱保護(hù)，此二保護(hù)電路為功率IC或功率放大器所必備，否則將造成安全問題，甚至傷及其所連接之電源器件或整個(gè)系統(tǒng)。過電流保護(hù)或短路保護(hù)的簡單測試方式乃將任一輸出端與電源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此狀況下短路保護(hù)電路將被啟動(dòng)而將輸出晶體管關(guān)掉，此時(shí)將沒有訊號(hào)驅(qū)動(dòng)喇叭而沒有聲音輸出。而這種保護(hù)的電路正是這個(gè)電路所缺少的，也是我們今后在學(xué)習(xí)和實(shí)踐總應(yīng)該加以關(guān)注的。只有通過我們的不斷學(xué)習(xí)和努力，我們的知識(shí)積累的足

17、夠的豐富，我們才能夠在以后的具體時(shí)間中加以運(yùn)用，才能夠體現(xiàn)出“知識(shí)就是力量”，表現(xiàn)出當(dāng)代大學(xué)生的風(fēng)采。4 心得體會(huì)本學(xué)期我們開設(shè)了電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）課，這門學(xué)科屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)有著密切的聯(lián)系，且是理論方面的指示。正所謂“紙上談兵終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的，所以在本學(xué)期暨電路剛學(xué)完之際，緊接著來一次模擬電子線路課程設(shè)計(jì)是很及時(shí)、很必要的。這樣不僅能加深我們對電子電路的認(rèn)識(shí)，而且還及時(shí)、真正的做到了學(xué)以致用。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。通過這次課程設(shè)計(jì)，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮

18、斗”這一詞的真正含義，才真正意識(shí)到我們只有通過勤奮的努力，才能夠真正體會(huì)到科技帶給人類的幸福。在整個(gè)電路課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷地在遇到問題和解決問題之中盤旋。例如在硬件制作，電路板的焊接上慢慢元件連接起來的時(shí)候，手里握著電焊鐵，直冒青煙，心理還是很緊張的，但是看著自己的元件一個(gè)個(gè)連接了起來，自己的心里面像吃了蜜一樣的甜。終于就這樣，像愛迪生發(fā)明電燈泡的時(shí)候一樣，歷經(jīng)千萬次的猜想與實(shí)驗(yàn)，終于使得這個(gè)問題得到了圓滿的解決。成功的我高興地?zé)o以復(fù)加，只是感覺到勞動(dòng)最光榮，勞動(dòng)人民最高尚。歷時(shí)這一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)即將在這次的答辯中畫上圓滿的句號(hào)。回頭看看，不禁感慨眾多，沒有想到我們的科學(xué)家，哪怕是我們身邊的老師，原來也是如此這般的努力才能夠換來今天的幸福生活；離不開你們這些辛勤的工作者，我們的身邊這一切才能夠如此快捷方便；沒有了這一切，我不敢想象社會(huì)會(huì)如何發(fā)展，難道是倒退到那種封建社會(huì)，還是奴隸時(shí)代？并且通過了這次模擬電子電路課程設(shè)計(jì)，我才了解到我們所學(xué)的只是原來是如此地貼近我們，其實(shí)他們就在我們身邊，就在我們身邊或大或小的地方，甚至是我們不能發(fā)現(xiàn)的地方