課程設(shè)計(jì)報(bào)告 高保真音頻功率放大器

1、 題目名稱：高保真音頻功率放大器姓 名： 朱* 班 級(jí)： 測(cè)控112 學(xué) 號(hào)： 日 期： 2013年*月*日 模擬電子電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 適用專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器、電子信息工程、電氣工程及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)周期：一周一、設(shè)計(jì)題目：高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與調(diào)試二、設(shè)計(jì)目的 音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實(shí)、高效和低失真的輸入音頻信號(hào)。音頻頻率范圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。音頻功率放大器的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。三、設(shè)計(jì)要求及主要電路指標(biāo) 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)并仿

2、真高保真音頻功率放大器。1、方案論證，確定總體電路原理方框圖。 2、單元電路設(shè)計(jì)，元器件選擇。 3、仿真調(diào)試及測(cè)量結(jié)果。 主要電路指標(biāo) 輸出功率10W/8，頻率響應(yīng)2020KHZ，效率>60，失真小。四、仿真需要的主要電子元器件 1、運(yùn)算放大電路 2、BJT 三極管3、滑線變阻器 4、電阻器、電容器等 五、設(shè)計(jì)報(bào)告總結(jié)（要求自己獨(dú)立完成，不允許抄襲）。1、 對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行全面分析，總結(jié)消除交越失真的辦法。 2、 分析討論仿真測(cè)試中出現(xiàn)的故障及其排除方法。 3、 給出完整的電路仿真圖 。4、 體會(huì)與收獲。一、方案論證與比較1.1 方案提出方案一：甲類放大器作為一種最古老，效率最低，最耗電，

3、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)。 方案二：OCL互補(bǔ)對(duì)稱功放電路一般包括驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率輸出級(jí)，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負(fù)載提供足夠的信號(hào)頻率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)用運(yùn)算放大器A741來(lái)驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)輸出級(jí)功放電路。 功率輸出級(jí)由雙電源供電的OCL互補(bǔ)對(duì)稱功放電路構(gòu)成。 為了克服交越失真，由二極管和電阻構(gòu)成輸出級(jí)的偏置電路，以使輸出級(jí)工作于甲乙類狀態(tài)。 為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失

4、真，電路中引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。具體實(shí)現(xiàn)：（1） 驅(qū)動(dòng)級(jí)電路的一般實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)級(jí)由運(yùn)算放大器組成，并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，帶負(fù)反饋的驅(qū)動(dòng)級(jí)的一般實(shí)現(xiàn)圖如下：圖 1驅(qū)動(dòng)及電路在實(shí)際電路中加入R1、R2 和電位器Rp1來(lái)改變電路的放大倍數(shù)。（2） 復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路的一般實(shí)現(xiàn)電路 由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的對(duì)稱性，為了提高功放電路的性能。在實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用復(fù)合功率管。 如圖2為復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功放電路圖 2復(fù)合管準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路（3） 輸出保護(hù)電路的一般實(shí)現(xiàn) 輸出保護(hù)電路如圖3所示是一個(gè)三極管式正、負(fù)向直流電壓檢測(cè)電路。對(duì)其原理作簡(jiǎn)要說(shuō)明。圖 3輸出保護(hù)電路方案二：該方案用兩塊TDA

5、2030組成如圖4所示的BTL功放電路，TDA 2030（上）為同相放大器，輸入信號(hào)Vin通過(guò)2.2uF交流耦合電容饋入同相輸入端1腳; TAD 2030（下）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是由TDA 2030（上）輸出端的 01 U 經(jīng)22k、680分壓器衰減后取得的，并經(jīng)22uF電容后饋給反相輸入端 2腳。兩個(gè)功放管的輸出信號(hào)相位相反，使輸出電壓加倍。在輸入信號(hào)比較小的情況下，利用集成功率放大電器對(duì)信號(hào)的放大作用對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，集成功率放大器性能穩(wěn)定，特別是TDA2030A，它是最常用的音頻集成功放，性能十分優(yōu)良，輸出功率大，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求（輸出功率10W），使用兩塊TDA2030A組成BT

6、L電路，它的功率要比OTL電路增大23倍，TDA2030A屬于經(jīng)濟(jì)型集成，使用方便。電路設(shè)計(jì)采用阻容耦合方式，體積小，重量輕，頻率響應(yīng)好，各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)獨(dú)立。TDA2030A集成電路的特點(diǎn)是輸出功率大，而且保護(hù)性能比較完善，當(dāng)輸出電流過(guò)大或管殼過(guò)熱，集成塊能自動(dòng)的減少電流或轉(zhuǎn)為截止，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，使電路更加完善。圖 4BTL功放電路1.2設(shè)計(jì)方案的論證和選擇 對(duì)于方案一，甲類放大器通常需要偏置電壓才能工作，放大輸出的電壓幅度不能超出偏置范圍，所以能量轉(zhuǎn)換效率很低，理論上最高不超過(guò)50%；對(duì)于方案二，電路較復(fù)雜，設(shè)計(jì)所需要的原件種類多，這樣使設(shè)計(jì)過(guò)程中存在諸多變化因素，致使所做出來(lái)的電路音頻放大

7、效果不好，而且在選電路前用multisim進(jìn)行仿真模擬也出現(xiàn)較大的問(wèn)題。 對(duì)于方案三，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BTL功放輸出功率大，抗干擾強(qiáng)，噪聲低，關(guān)鍵是容易制作成功。本設(shè)計(jì)旨在用集成設(shè)計(jì)高保真音頻放大電路，揚(yáng)聲器選擇的是10W/8，并確保輸入信號(hào)在20HZ20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要小；由于功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，但隨著消費(fèi)的不斷提升，人們對(duì)音響的要求也越來(lái)越高，所以減小失真就是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。元件的選取方面，TDA 2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路

8、，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(guò)20W，而TDA 2030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

9、輸出電流過(guò)大或管殼過(guò)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(lái)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(lái)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。而且此電路采用的是性能十分優(yōu)良的TDA

10、 2030功率放大集成電路，且其外圍電路簡(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，對(duì)于第一次做課程設(shè)計(jì)的我們不失為一個(gè)較好的選擇。 綜上，最后選定方案二。二、系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)框圖2.1 系統(tǒng)的全部功能、要求及技術(shù)指標(biāo)。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實(shí)、高效和低失真的輸入音頻信號(hào)。音頻頻率范圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。 音頻功率放大器的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。 音頻功率放大器的特點(diǎn)： （1） 輸出功率足夠大 為獲得足夠大的輸出功

11、率， 功放管的電壓和電流變化范圍應(yīng)很大。 （2） 效率要高 功率放大器的效率是指負(fù)載上得到的信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比。 （3） 非線性失真要小 功率放大器是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，電壓、 電流擺動(dòng)幅度很大，極易超出管子特 性曲線的線性范圍而進(jìn)入非線性區(qū)， 造成輸出波形的非線性失真，因此，功率放大器比小信號(hào)的電壓放大器的非線性失真問(wèn)題嚴(yán)重。 功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補(bǔ)對(duì)稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽電路和變壓器耦合功放電路，等等。 本設(shè)計(jì)旨在用集成設(shè)計(jì)高保真音頻放大電路，揚(yáng)聲器選擇的是10W/8，并確保輸入信號(hào)在20HZ20KHZ不失真；輸出

12、功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要小； 由于功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，但隨著消費(fèi)的不斷提升，人們對(duì)音響的要求也越來(lái)越高，所以減小失真就是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 元件的選取方面，由于TDA2030A集成電路的特點(diǎn)是輸出功率大，而且保護(hù)性能比較完善，當(dāng)輸出電流過(guò)大或管殼過(guò)熱，集成塊能自動(dòng)的減少電流或轉(zhuǎn)為截止，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，使電路更加完善。2.2確定設(shè)計(jì)框圖（系統(tǒng)包含的單元電路及結(jié)構(gòu)）和總體設(shè)計(jì)方案電路的總程序框圖如下：圖 5電路總程序框圖 先將音頻信號(hào)輸入到功率放大器中，再經(jīng)過(guò)功率放大器的放大輸出信號(hào)（先經(jīng)過(guò)同相放大器，再經(jīng)過(guò)反相放大器），同時(shí)存在負(fù)反饋電路對(duì)輸出

13、的信號(hào)進(jìn)行反饋，從而起到自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出作用。方案設(shè)計(jì)電路圖如圖6所示：圖 6 方案設(shè)計(jì)電路圖該電路用兩塊TDA2030組成入上圖所示的BTL功放電路，TDA2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào)Vin通過(guò)交流耦合電容C1輸入放大器的同相輸入端，交流閉環(huán)增益為Kvc=1+R3/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。TDA2030（2）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是由TDA2030（1）輸入端的U01經(jīng)R5,R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)過(guò)電容C6后反相輸入端，它的交流閉環(huán)增益Kvc=R9/R7/R5R9/R730dB。由R9=R5，所以TDA2030（1）與

14、TDA2030（2）的兩個(gè)輸入信號(hào)U01與U02應(yīng)該是幅度相等相位相反的，即：U01UinR3/R2 U02-U01R9/R5R9=R5 U02=-U01因此在揚(yáng)聲器上得到的交流電電壓應(yīng)為：Uo=U01-（-U02）=2U01=2U02揚(yáng)聲器上得到的功率PY按下式計(jì)算： PY=Uz²/Rl=(2U01)²/Rl=4(U01)²/Rl=4PMONO BTL功放電路能把單電路功放的輸出功率（PMONO）擴(kuò)展4倍，但實(shí)際上卻受到集成電路本身功耗和最大輸出電流的限制，該電路若在Vs=±14V工作時(shí)，PO=28W。2.3單元電路的分析與設(shè)計(jì)：（1）反饋電路：引入反

15、饋后，如果輸出電壓（或電流）增大，則反饋信號(hào)也增大，結(jié)果使凈輸入信號(hào)減少，輸出也趨于減小，從而起到自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出作用。 由于放大電路中存在非線性器件（三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等），所以即使輸入信號(hào)Vi為正弦波信號(hào)，輸出也不可能是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而會(huì)產(chǎn)生一定的非線性失真。引入負(fù)反饋后，非線性失真將會(huì)減小。 假設(shè)一放大器在沒(méi)加負(fù)反饋之前通頻帶BW=Hf-LfHf»,引入負(fù)反饋后，放大器的通頻帶BW F =BWAF,這說(shuō)明引入負(fù)反饋后，放大器的通頻帶擴(kuò)展了（1+AF）倍，負(fù)反饋具有穩(wěn)定閉環(huán)增益的作用，因而對(duì)于頻率增大（或減?。┮鸬脑鲆嫦陆?，具有穩(wěn)定作用。（2）功率放大電路：TDA2030（1）為同相

16、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1腳，交流閉環(huán)增益為KVC11R3 / 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2腳，它的交流閉環(huán)增益KVC2R9 / 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 。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

17、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(guò)大或管殼過(guò)熱，集成塊能自動(dòng)地減流或截止，使自己得到保護(hù)。3、 系統(tǒng)仿真調(diào)試分析3.1軟件仿真原理圖軟件仿真原理圖如圖8所示：圖 8原件仿真原理圖3.2模擬仿真過(guò)程 利用圖 8所示仿真電路圖進(jìn)行電路進(jìn)行了下列電路測(cè)試及調(diào)試。（1）開(kāi)始時(shí)輸入1V，600HZ的正弦波時(shí)，輸出波形出現(xiàn)了嚴(yán)重失真。波形如下圖所示。 圖9輸出失真波形圖（2）于是繼續(xù)調(diào)節(jié)，不斷減小電壓值，調(diào)整輸入1V，600Hz為230mV，600Hz的正弦波時(shí)，輸出曲線不再失真，而功率值也達(dá)到了要求的 10W 值。波形如下圖所示。 圖10輸出未失真波

18、形圖3.3各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試（1） 當(dāng)輸入0.38V，600HZ的正弦波時(shí)，達(dá)到最大不失真電壓，且達(dá)到最大功率。輸出波形如下圖所示： 圖11輸出最大功率波形圖 從仿真可以看出，該電路圖的設(shè)計(jì)是成功的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，輸入交流電壓為 0.38伏時(shí)，可以使功率最大達(dá)到 27W。 （2）為得到最小頻率，慢慢減小輸入的頻率，直到波形剛出現(xiàn)失真，當(dāng)輸入0.23V，15HZ的正弦波時(shí)，達(dá)到最小不失真頻率，輸出波形如下圖所示： 圖12最小不失真頻率波形圖（3）為得到最大頻率，慢慢增大輸入的頻率，直到波形剛出現(xiàn)失真，當(dāng)輸入0.23V，20KHZ的正弦波時(shí)，達(dá)到最大不失真頻率，輸出波形如下圖所示： 圖13最大不失真頻率波形圖四、結(jié)語(yǔ)這一次模電課程設(shè)計(jì)做完之后收獲很多。因?yàn)橹皩?duì)仿真完全不會(huì)，只是聽(tīng)說(shuō)過(guò)，不會(huì)用。雖然花了一些時(shí)間去學(xué)習(xí)它的用法，但在這個(gè)查資料自學(xué)的過(guò)程，感覺(jué)挺不錯(cuò)的。覺(jué)得這個(gè)仿真軟件真是好玩，真后悔在剛開(kāi)始學(xué)模電的時(shí)候就應(yīng)該學(xué)著用multisim，用這個(gè)軟件可以提高學(xué)習(xí)興趣，還可以加深我們對(duì)理論的理解，是個(gè)好軟件，以后學(xué)習(xí)一定要主動(dòng)，不能再被動(dòng)了，這也是課設(shè)的目的吧！ 這次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，學(xué)到了很多關(guān)于電路理論方面和時(shí)間方面的知識(shí)，受益匪淺。從中不僅鍛煉了自己的動(dòng)手能力，也加深