音頻功率放大器設計報告

1、武漢理工大學模擬電子基礎課程設計說明書目錄 課程設計任務書 2 摘要 31 模電課設概述5 1.1設計背景 5 1.2音頻放大類別5 1.3設計目的及意義.6 1.4開發(fā)環(huán)境Multisim 10.0簡要介紹.72 課程設計內(nèi)容 82.1功放電路方案的選擇 82.2 BTL電路的組成 102.3 電路仿真 133 實物焊接及調(diào)試過程183.1 焊接實物 18 3.2 調(diào)試過程遇到的問題及解決方法194 總結(jié)與心得 20 附錄21 附件一 實驗原理圖 21 附錄二 元件清單22 附錄三 參考文獻 23 成績評定表24 課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位：、 題 目: 音頻

2、功率放大器 初始條件：芯片：TDA2030A、 極性電容、非極性電容、可變電阻、定值電阻、揚聲器、要求完成的主要任務: 1.選擇合適的功放電路，如：OCL、OTL、或BTL電路。完成對高 保真音頻功率放大器的設計、裝備與調(diào)試； 2.輸入信號Uid100mv,頻率響應范圍30Hz-3KHz； 3.在8揚聲器的負載下，輸出功率連續(xù)可調(diào)，最大輸出功率達 到6W； 4.音頻信號放大后，失真5%。 5.效率60% 時間安排：安裝調(diào)試，地點： 指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要這學期剛學習模電課,學校要求我們完成一次課程設計任務。模電這門課程主要講了二極管三極管幾種放大電

3、路信號運算與處理電路正弦信號產(chǎn)生電路直流穩(wěn)壓電源。功率放大器的作用是給音響放大器的負載RL揚聲器提供一定的輸出頻率。當負載一定時希望輸出的功率盡可能大輸出的信號的非線性失真盡可能小效率盡可能高。功率放大器的常見電路形式有OTL電路和OCL電路。有用繼承運算放大器和晶體管組成的功率放大器也有專集成電路功率放大器。本實驗設計的是一個BTL功率放大器該放大器采用TDA2030A集成功放，并采用雙電源電源供電。TDA2030A集成電路的特點是輸出功率大，而且保護性能比較完善，其工作電壓范圍較廣，信號失真度較小，使用兩塊TDA2030A組成BTL電路，輸出功率可增至35W。實驗用multism軟件對BT

4、L功率放大器進行仿真實現(xiàn)。根據(jù)電路圖和給定的原件參數(shù)使用multism軟件模擬電路并對其進行靜態(tài)分析動態(tài)分析顯示波形圖計算數(shù)據(jù)等操作。該電路由于價廉質(zhì)優(yōu)，使用方便，廣泛應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。 關(guān)鍵字BTL、TDA2030A、功率放大、multism。Abstract This semester just learning mode power class, the school requires us to completetaskcurriculum design.Power module this course mainly tells the diode triode

5、 several amplifying circuit signal operation and processing circuit of the sine signal generating circuitof the DC regulated power supply.The function of power amplifier is to load RL speakerstereo amplifier provides an output frequency of certain.When as little as possible of the efficiency as high

6、 as possible nonlinear distortion of power load is the desired output signal at the output as possible.The common form of power amplifier circuit OTL circuit and OCL circuit.Power amplifier is composed of the inheritance of operational amplifier and transistor also has special integrated circuit pow

7、er amplifier.The experimental design is a BTL power amplifier at the amplifier using TDA2030A integrated amplifier, and dual power supply.Characteristics of TDA2030A integrated circuit is the output is big, and the protection performance more perfect, the working voltage scope is wide, the signal di

8、stortion is small, the use of two TDA2030A BTL circuit, the output power can be increased to 35W.Experiments using Multism software to simulation BTL power amplifier.According to the original parameters of the circuit diagram and the Multism software is used to simulate the static analysis of the ci

9、rcuit and display waveform of the calculated data analysis on the dynamic operation of the. The circuit with low price and high quality, easy to use, widely used in a variety of styles recorder and high-fidelity stereo equipment. Keywords BTL, TDA2030A, power amplifier, multism.一模電課設概述 1.1 設計背景音頻放大器

10、的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號，信號音量和功率級都要理想如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz 20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(驅(qū)動頻帶受限的揚聲器時要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據(jù)應用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。音頻放大器的一種簡單模擬實現(xiàn)方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果反饋環(huán)包含正向增益，則整個環(huán)增益也很高。因為高

11、環(huán)路增益能改善性能，即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真，而且通過提高電源抑制能力(PSR)來降低電源噪聲，所以經(jīng)常采用反饋。1.2音頻放大器的類別  長期以來，高品質(zhì)音頻放大器的工作類別，只限于A類(甲類)和AB類 (甲乙類)。其原因在于過去只有電子管這樣的器件，B類(乙類)電子管放大器產(chǎn)生的失真使它們甚至在公共廣播用時都難于被人們所接受。所有的自稱為高保真放大器均工作于推挽式的A類(甲類)。隨著半導體器件的出現(xiàn)和發(fā)展，放大器的設計得到了更多的自由。就放大器的類別而言，已不限于A類(甲類)和AB類(甲乙類)，而出現(xiàn)了更多類別的放大器。為了使讀者對此有所了解，這里僅就筆者所知的各種類

12、別 的放大器簡介如下。不過需要指出，就目前來說用于音頻功率放大器的工作類別，A類(甲類)、AB類(甲乙類)和B類(乙類)這三類放大器仍覆蓋著 半導體放大器的絕大多數(shù)。（1）A類(甲類)放大器A類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過所有輸出器件的一種放大器。 這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動態(tài)范圍控制得當，僅從失真的角度來看，可認為它是一種良好的線性放大器。 A類放大器在結(jié)構(gòu)上，還有兩類不同的工作方式。其中一類是將兩個射極跟隨器相聯(lián)工作，其偏置電流要增加到在正常負載下有足夠的電流流過，而不使任一器件截止。這一措施的最大優(yōu)點是它不會突然地耗盡輸出電流，如果負載阻抗低于標定值

13、，放大器會短期出現(xiàn)截止現(xiàn)象，在失真上可能略有增加，但不致出現(xiàn)直感上的嚴重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(VCIS)，它本質(zhì)上是一個單獨的射極跟隨器，并帶有一個有源發(fā)射極負載，以達到合適的電流泄放。這一類作為輸出級時，需要在開始設計之前就把所要驅(qū)動的阻抗是多低搞清楚。（2）B類(乙類)放大器B類(乙類)放大器，是指器件導通時間為50%的一種工作類別。這類放大器可以說是最為流行的一種放大器，也許目前所生產(chǎn)的放大器有99% 是屬于這一類。由于大家比較熟悉，這里不作詳細介紹。(3)AB類甲乙類)放大器AB類(甲乙類)放大器，實際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結(jié)合，每個器件的導通時間在50100%之

14、間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設計，然后增加偏置電流，使放大器進入AB類(甲乙類)。AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時，兩個輸出器件皆導通，其狀態(tài)工作于A類(甲類)；當電平增高時，兩個器件將完全截止，而另一個器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態(tài)開始時，失真將會突然上升，其線性劣于A類(甲類)或B類(乙類)。不過筆者認為，它的正當使用在于它對A類(甲類)的補充，且當面向低負載阻抗時可繼續(xù)較好地工作。1.3設計目的及意義1） 培養(yǎng)學生正確的設計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。 2）鍛煉學生自學軟

15、件的能力及分析問題、解決問題的能力。 3）通過課程設計，使學生在理論計算、結(jié)構(gòu)設計、工程繪圖、查閱設計資料、標準與規(guī)范的運用和計算機應用方面的能力得到訓練和提高。 4） 鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。 5） 為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設計打好基礎基本要求。1.4開發(fā)環(huán)境Multisim 10.0簡要介紹NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設計環(huán)境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問

16、題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。 直觀的圖形界面 整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的； 豐富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。 強大的仿真能力 以

17、SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強設計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋? 課程設計內(nèi)容2.1功放電路的方案選擇 2.1.1 OTL(Output Transformer Less)電路 OTL稱為無輸出變壓器功放電路。是一種輸出級與揚聲器之間采用電容耦合而無輸出變壓器的功放電路，它是高保真功率放大器的基本電路之一，但輸出端的合電容對頻響也有一定影響。 OTL電路的主要特點有：采用單電源供電方式，輸出端直流電位為電源電壓的一半；輸出端與負載之間

18、采用大容量電容耦合，揚聲器一端接地；具有恒壓輸出特性，允許揚聲器阻抗在4、8、16之中選擇，最大輸出電壓的振幅為電源電壓的一半，即1/2 V CC，額定輸出功率約為 /(8RL)。 OTL功放電路具有頻率特性好、非線性失真小及效率高的特點，廣泛應用在電視機、擴音機及其他電子設備中。OTL電路如圖所示： 圖2-1-12.1.2 OCL(Output Condensert Less)電路： OCL稱為無輸出電容功放電路，是在OTL電路的基礎上發(fā)展起來的。 OCL電路的主要特點有：采用雙電源供電方式，輸出端直流電位為零；由于沒有輸出電容，低頻特性很好；揚聲器一端接地，一端直接與放大器輸出端連接，因此

19、須設置保護電路；具有恒壓輸出特性；允許選擇4、8或16負載；最大輸出電壓振幅為正負電源值，額定輸出功率約為 /(2RL)。需要指出，若正負電源值取OTL電路單電源值的一半，則兩種電路的額定輸出功率相同，都是 /(8RL)。  OCL 電路的優(yōu)缺點：OCL 電路具有體積小重量輕，成本低，且頻率特性好的優(yōu)點。但是它需要兩組對稱的正、負電源供電，在許多場合下顯得不夠方便。 OCL電路圖如圖所示圖2-1-22.1.3 BTL（Balanced  Transformer  Less）電路： BTL稱為平衡橋式功放電路。它由兩組對稱的OTL或OCL電路組成，揚聲器接在兩組OT

20、L 或OCL電路輸出端之間，即揚聲器兩端都不接地。 BTL電路的主要特點有：可采用單電源供電，兩個輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚聲器，與OTL、OCL電路相比，在相同電源電壓、相同負載情況下，BTL電路輸出電壓可增大一倍，輸出功率可增大四倍，這意味著在較低的電源電壓時也可獲得較大的輸功率，但是，揚聲器沒有接地端，給檢修工作帶來不便。 BTL電路圖如下圖所示： 圖2-1-3 經(jīng)過篩選，為了得到更大的電壓增益放大，以及更大的功率放大，我們決定選擇BTL電路圖。 2.2 BTL電路的組成 2.2.1 電路芯片的選擇 本實驗選擇的芯片為TDA2030A，TDA2030A的特點：TDA 2030

21、是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、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，該集成功放的一個重要優(yōu)點。 TDA2030 集成電路的另一特點是輸出功率大，而保護性能以較完全，安全度較高。根在各國生產(chǎn)的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA 2030的輸出功率卻能達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

22、，設計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當?shù)剡M行使用）。 TDA2030 集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，使用方便。在現(xiàn)有幾種功率集成電路中，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就給使用帶來不少方便。 TDA2030 在電源電壓±14V，負載電阻為4時輸出14瓦功率（失真度0在電源電壓 ±16V，負載電阻為4時輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價廉質(zhì)優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。該電路可供低頻

23、課程設計選用。 TDA2030A如下圖所示 圖2-2-12.2.2電路原理圖簡介電路原理圖如下圖所示： 圖2-2-2（1） 放大部分電路 放大部分采用兩塊TDA2030A組成，可以增大輸出功率，如下圖所示 圖2-2-3該放大電路為電流串聯(lián)負反饋放大型，經(jīng)過分析該放大部分對信號放大倍數(shù)33.4.（2） 電路中各元件的作用 R1為變阻器，用來控制揚聲器上的端電壓；C1起到隔直流通交流的作用；C2，C3和C4，C5分別是用來作為退耦電容；C8,R9和C9,R10是作為消除喇叭網(wǎng)絡和TDA網(wǎng)絡之間的影響的；R3,R5,C6和R8,R6,C7是分別為TDA2030A（1）（2）的反饋網(wǎng)絡。R2，R4是起

24、到對稱作用。（3） 工作原理 ： TDA 2030（1）為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1反饋入同相 輸入端腳，交流閉環(huán)增益為KVC1R3 / R533dB。 R3 同時又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。 TAD 2030（2）為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 2030（1）輸出端的UO1 經(jīng)R6、R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容C7后反饋給反相輸入端腳，它的交 流閉環(huán)增益KVCR7R833dB 由R7R5，所以TDA 2030（1）與TDA 2030（2）的兩個輸出信號U01 和U02 應該是幅度相等相位相反的， 即： U01Uin·R3 / R

25、4U02U01·R7 / R6 R7R5則 U02 U01 因此在揚聲器上得到的交流電壓應為：êUç U01 -（ -U02） 2U01 2U02 揚聲器得到的功率 P 按下式計算： P=2U×2URL2.3 電路仿真 2.3.1 頻率不變時，改變輸入信號的幅值時的電路參數(shù)變化 （1）當頻率fo=1KHz時 1)輸入Ui=100時，輸出波形圖如下圖所示： 圖2-3-1此時負載的輸出功率最大值和最小值為：圖2-3-2調(diào)節(jié)電位器的值使輸出功率接近5W，如圖所示 圖2-3-3（2） 當輸入信號頻率Ui=50mv時，波形如下圖所示： 圖2-3-4相對應的功率值為

26、： 圖2-3-52.3.2 幅值不變時，改變輸入信號的頻率時的電路參數(shù)變化 Ui=100mv時(1) f0=300Hz時，輸出波形圖如下圖所示：圖2-3-6 輸出功率的最值： 圖2-3-7（2） f0=2000Hz時，波形圖為 圖2-3-8負載輸出功率的最值為： 圖2-3-9（3） 輸入信號為3KHz時波形圖如圖所示： 圖2-3-10負載功率最值： 圖2-3-11 2.3.3 仿真分析及問題 （1）通過仿真可知，當輸入信號的幅值相同時，信號的頻率不同時，負載輸出的功率的值不同，呈遞減趨勢；當頻率相同時，幅值不同時，幅值越大，輸出功率越大。 （2）仿真過程中，因為接法錯誤，功率表無示數(shù)，應該是電

27、壓端與負載并聯(lián)，電流端與負載串聯(lián)。（3） 仿真過程中，濾波電路中極性電容的極性接反，仿真時并不提示出現(xiàn)錯誤，在實際操作調(diào)示時引起電容爆炸。（4） 由仿真結(jié)果分析可知，電路輸出信號的線性失真較小，效率較高，達到實驗預期目的。3 實物焊接及調(diào)示過程3.1 焊接實物根據(jù)電路原理圖選擇相適應的原件進行布線，實物如下圖所示：圖3-1-1 焊接圖與實物圖 3.2 調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法（1） 接入直流偏置時，負電源附近的極性電容總是爆炸，原因是該極性電容的正負接錯，導致夾在其兩端的電壓是反向的，正極應該與地段相連。（2） 當輸入信號的幅值過低時，揚聲器的音量較小且信號失真較大，因為是信號的幅值較低

28、時，雜波較多，導致信號嚴重失真，需要加大輸入信號的幅值。（3） 當增大輸入信號時，喇叭容易燒毀，因為喇叭的額定功率較小，當輸入信號幅值過大時，造成輸出功率較大，要選用較大功率的揚聲器。（4） 當輸入信號幅值使輸出功率在額定范圍內(nèi)時，音頻信號還是有一定的雜音，調(diào)節(jié)電位器的阻值，可以減小失真。4 總結(jié)與心得過本次設計，加強了自己的理論水平，提高了自己的動手能力。在制作電路的過程中更是學到了許多實踐經(jīng)驗，如電路板的布線、元器件的識別和整機的調(diào)試等各方面的經(jīng)驗。學到了許多課本上沒有的知識，得到了很大的鍛煉。實習了兩個星期的，我們學會了很多東西，培養(yǎng)了動手能力也為我們以后的工作打下了良好的基礎。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題。 這次課程設計終于完成了，在設計中遇到了很多專業(yè)知識問題。同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝！為期二個星期的課程設計已經(jīng)結(jié)束，在這二個星期的學習、設計、焊接過程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過音頻放大器的設計，我掌握了常用元