模電課程設(shè)計(音頻功率放大電路)

1、1設(shè)計題目：音頻功率放大電路2、設(shè)計任務(wù)目的與要求：要求：設(shè)計并制作用晶體管和集成運算放大器組成的音頻功率放大電路，負(fù)載為揚聲器，阻抗8。指標(biāo)：頻帶寬50HA20kHZ輸出波形基本不失真；電路輸出功率大于8W輸入 靈敏度為100mV輸入阻抗不低于47©。3、整體電路設(shè)計：方案比較： 利用運放芯片LM1875和各元器件組成音頻功率放大電路，有保護(hù)電路，電源 分別接+30v和-30v并且電源功率至少要50w,輸出功率30w。 利用運放芯片TDA2030和各元器件組成音頻功率放大電路， 有保護(hù)電路，電源 只需接+19v,另一端接地，負(fù)載是阻抗為 8的揚聲器，輸出功率大于8w0 通過比較，方

2、案的輸出功率有30w,但其輸入要求比較苛刻，添加了實驗難度。 而方案的要求不高，并能滿足設(shè)計要求，所以選取方案來進(jìn)行設(shè)計。整體電路框圖：元器件和電源信號輸出單元電路設(shè)計及元器件選擇： 單元電路設(shè)計：功率放大器按輸出級靜態(tài)工作點的位置可分為甲類、乙類和甲乙類三種；若按照輸出級與負(fù)載的耦合方式，甲乙類又可分為電容耦合（OTL耦合）、直接耦合（OCL 電路）和變壓器耦合三種。變壓器耦合容易實現(xiàn)阻抗匹配， 但體積大，較笨重。 又OCL電路電源輸入要求較高，所以采用OTL電路。采用單電源的OTL電路不需 要變壓器中間抽頭，但需要在輸出端接上大電容，且低頻特性不如OCR。根據(jù)“虛短”、“虛斷”的原理，利用

3、電阻的比值，可求得電路所需的放大倍數(shù)，其中 可加入一個電位器替代反饋電阻，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)電路放大倍數(shù)的調(diào)整。因為功 率放大電路是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率，可以采取 OTL電路來實現(xiàn)。為了提高轉(zhuǎn)換功率，我們要對電路進(jìn)行改善，這主要圍繞功率 放大電路頻率響應(yīng)的改善和消除非線性失真來改進(jìn)電路，因此要用到若干個電阻電容來保護(hù)電路。OTL電路會產(chǎn)生交越失真，為了消除這種失真，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適 的靜態(tài)工作點，使電路中的兩只放大管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通的狀態(tài)，這可 以通過加入兩個二極管來實現(xiàn)， 因為二極管具有單向?qū)щ娦浴?或者將兩個有一定 對稱性的NPN和PNP三極管的基極分別和TDA2

4、O30勺兩個電源輸入端相連。最后 在輸出端，還要加一個大電容來保證電路的低頻性良好。 在接有感性負(fù)載揚聲器 時還要加入一個電阻和一個電容來減少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性。 元器件選擇：如下面的系統(tǒng)原理圖所示，C2為輸入耦合電容，應(yīng)選取較小的電解電容；R1、R2、R3和C7的作用是組成運放TDA203O勺輸入偏置電路，取R1=R2=R3可計算 得TDA2030正向輸入端的電壓為0.5VCC,而電容C7的作用是可以穩(wěn)定這個電位。 另外，R3是為了防止輸入信號被C7短接到地而設(shè)的。C6是高頻退耦電容，應(yīng)選 用較小的陶瓷電容或獨石電容； C3 是濾波電容，應(yīng)選用較大的電解電容。C4、R4和R11構(gòu)

5、成交流負(fù)反饋，控制交流增益，對于音頻信號，可以近似地認(rèn)為C4短路，所以功放的增益為1«1+R11（有效部分）/R4«1+100/3.3=31.3。對于 直流信號，可認(rèn)為C4斷路，所有輸出信號反饋到反向輸入端，所以直流增益為 1。取R6=R8和 C8可起著保證TIP31和TIP32的基極電壓相等，從而減少了推挽 電路的交越失真。而 R7和C5可以濾除TDA2030俞出的高頻信號。二極管 D1、 D2保護(hù)運放免受揚聲器的感應(yīng)電壓而造成損害。電容C1是輸出耦合電容，能夠改善電路的低頻特性，要用容值較大的電解電容。C9和R10能對揚聲器的相位進(jìn)行補償，能夠較少電路的自激振蕩，確保高

6、頻穩(wěn)定性。運放TDA2030內(nèi)含各種 保護(hù)電路，需要外接元件非常少，且電路的頻帶寬較寬，并能在最低± 6V 最高 ±22V的電壓下工作。另外，它輸出功率較大，在土 19V 8Q阻抗時能夠輸出 16W的有效功率，THDC 0.1%,所以選用TDA2030能夠?qū)崿F(xiàn)電路的要求。而TIP31C 和TIP32C是一對互補性較好的NPN和 PNP三極管，集電極和發(fā)射極之間所承受 的電壓也可以高達(dá)100V,集電極的電流為3A左右，每只管的功耗也只有 40W左 右而已，所以用它們來搭建 OTL電路比較合適。系統(tǒng)的電路總圖：TOVCVCCce LL 豐10冊丁R11004(0C3 IOOuF

7、RB UQ04D2C2dF2-2UFTDA20R7 nnR3：10DkfiR111ODk0 34%K«yA01.R63j皿ca=220nF覇L2JmFT1P32C1PIP31Cxrci11+士伽FG5±22flnFXSC2OOOI 匸口 = 口口口XBPlTRIO22QC-9標(biāo)號型號大小封裝形式數(shù)量R7RJ1410AXIAL0.41R6、R8RJ141.50AXIAL0.42R10RJ14220AXIAL0.41R4RJ143.3k。AXIAL0.4 H1R1、R2、R3RJ14100kOAXIAL0.43R11B100K100 kQ1C125V-2200uf2.2mf1C

8、325V-100uf100uf1C4、C750V-10uf10uf2C250V-2.2uf2.2uf1C5、C8224220nf2C6、C9104100 nf21n4001DO-35 H2TIP31CTO-2201TIP32CTO-2201TDA2030PENTAWATT1總計23-4-4元件清單如下:4、電路調(diào)試過程與結(jié)果測試頻帶寬：姻波芍囹示儀XBP1fL=6.41Hz,上限截止頻率為 fH=127.481kHz。當(dāng)然在50f20kHZ頻率范圍內(nèi)電 路輸出不失真，這滿足條件“頻帶寬50HZ20kHZ，輸出波形基本不失真”的要求。在實驗室里也經(jīng)過測量，顯示可以在50HZ20kHz頻率范圍內(nèi)電

9、路輸出不失真。 測量輸出電壓放大倍數(shù)：測試條件：直流電源電壓19v，輸入信號峰峰值為100mv輸入頻率為1KHz電 位器R11的有效阻值為66k，負(fù)載電阻8“。輸入和輸出的波形如下圖所示：TektronixALTTOSETCHI Mean OVCHI-Pk-PR 100nA/CH1/0VMZOOusUndoAJUosetCH1 MmV CH2 1V QQOOPOITKhNPOSIliOHeCUEDil*ikURSQH2flWiM (it囲VOLT3WJIVVOLTSUDIVI *OX輸出電壓峰峰值為：Uo=Ui*【1+R11（有效部分）/R4】 放大倍數(shù)：Ao=1+R11 （有效部分）/R4=

10、1+66/3.3=21 仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)比較：Ui （峰峰值）Uo （峰峰值）（仿真）Uo（峰峰值）（實測）100mv2.1 v2.0v400mv8.4v8.3vlekfrtmix 0000PO-5ITICHNPOWERVOLTSDIVPUDBE COM -vsua IMHiJT - ERT1> POaTIOWi畫畫圏V01T5/DIV由上表可知，實際上輸出電壓放大倍數(shù)：Aum 21誤差分析：因為元件的實際數(shù)據(jù)大小與理論的大小存在差異，譬如金屬膜電阻的阻值誤差為1%或 5%電容的容值誤差也有5%20%實際上1n4001、TIP31、TIP32 等元器件跟仿真軟件所表現(xiàn)出來的特性不是完全

11、一樣的。同時，音頻集成放大芯片發(fā)熱量比較大，比較容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，從而也導(dǎo)致了一定的誤差。 另外，在實測中讀數(shù)時會產(chǎn)生誤差。 測量最大不失真功率：2根據(jù)理論可得最大不失真功率為P m =（U 0 / 2） /RL ,Uo為輸出電壓峰峰值。經(jīng)過 測試，在19V的直流電源，8門負(fù)載作用下，調(diào)節(jié)電位器 R11，使其允許的最大 不失真輸入信號為 Ui=600mv,其最大不失真功率為：Po=8.4w>8w。也滿足“電路 輸出功率大于8W”條件。 測量輸入靈敏度為100mV時的輸入阻抗：在信號輸入端接上兩個萬用表，分別測量輸入端的電壓和電流，得Ui -70 .71mV，Ii 716.48n

12、A，所以輸入阻抗為 Ri=Ui/Ii =98.69K 門 >>47K，明顯 也滿足“輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K”的條件。5、總結(jié)和體會:方案和作品的優(yōu)點為： 焊接板排版較為縝密，焊接沒有跳線； 作品所用元器件較少，電源輸入要求較低，頻帶寬 6.41HZ127.481k HZ,輸 出波形基本不失真，電路輸出功率大于8W,輸入靈敏度為100mV,輸入阻抗高 于47K能夠基本實現(xiàn)設(shè)計的任務(wù)要求； 電路中有TDA2030的保護(hù)電路，另外在輸出部分能對揚聲器的相位進(jìn)行補償，從而能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性； 作品用了 TIP31C和TIP32C組成的推挽放大電路，能夠較少TDA2030的功耗， 使TDA2030的發(fā)熱量減少； 電位器R11能夠?qū)崿F(xiàn)電路增益的調(diào)整。缺點有： 功率不是很高，最大輸出功率只有 8.4W； TIP31C和TIP32C的功耗都比較大，集電極電流輸出不是很大； 2.2mf的電解電容存在電感，電路的低頻特性不是很好； 電路的電源輸入由于沒有保護(hù)電路，若在調(diào)試時正負(fù)電源接反可能會把芯片燒 壞。針對4個缺點各自的改進(jìn)方案：缺點1:采用雙電源供電的OC