音頻功率放大器課程設(shè)計(jì)OTL音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目OTL音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作學(xué) 院信息工程學(xué)院專 業(yè)通信工程班 級(jí)通信1302姓 名指導(dǎo)教師2014年1月23日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目: OTL音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作 初始條件： 元件：集成功放TDA2030A、集成穩(wěn)壓器LM7812、電阻、電容、電位計(jì)若干。 儀器：萬用表、示波器、交流毫伏表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、學(xué)生電源要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：1周。2、技術(shù)要求： 要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)音頻功率放大器頻率響應(yīng)2020KHZ，效率>60，失真小。完成對(duì)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、仿真、裝配與

2、調(diào)試，并自制直流穩(wěn)壓電源。 確定設(shè)計(jì)方案以及電路原理圖并用multisim進(jìn)行電路仿真。時(shí)間安排：序號(hào)設(shè)計(jì)內(nèi)容所用時(shí)間1布置任務(wù)及調(diào)研1天2方案確定0.5天3制作與調(diào)試1.5天4撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書1天5答辯1天合 計(jì)1周 指導(dǎo)教師簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要1Abstract2音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作31. 設(shè)計(jì)原理及參數(shù)31.1音頻功放電路的設(shè)計(jì)31.1.1設(shè)計(jì)原理31.1.2 參數(shù)計(jì)算51.2直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)61.2.1設(shè)計(jì)原理61.2.2參數(shù)計(jì)算72.仿真結(jié)果及分析82.1音頻功率放大電路82.1.1仿真原理圖82.1.2仿真效果圖92.2直流穩(wěn)壓電源電路112.

3、2.1電路原理圖仿真112.2.2仿真效果圖113.實(shí)物制作與性能測(cè)試123.1音頻功放實(shí)物制作123.2性能測(cè)試133.2.1功率性能測(cè)試133.2.2頻率響應(yīng)測(cè)試143.3直流穩(wěn)壓電源制作143.4直流穩(wěn)壓電源的測(cè)試154.收獲以及體會(huì)155.元器件清單186. 主要參考文獻(xiàn)資料18本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表19摘要 本課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完模擬電路基礎(chǔ)、模擬電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后，通過復(fù)雜程度較高，綜合性較強(qiáng)大型設(shè)計(jì)課題的實(shí)做訓(xùn)練。在現(xiàn)代生活中耳機(jī)放大器、音響設(shè)備、電視電腦都有功率放大電路存在。功率放大電路通常作為多級(jí)放大電路的輸出級(jí)。在很多電子設(shè)備中，要求放大電路的輸出級(jí)能夠帶動(dòng)某種負(fù)載，例如驅(qū)動(dòng)儀

4、表，使指針偏轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，使之發(fā)聲；或驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等?？傊?，要求放大電路有足夠大的輸出功率。這樣的放大電路統(tǒng)稱為功率放大電路。我的此課程設(shè)計(jì)報(bào)告主要包括了課程的設(shè)計(jì)、原理、電路仿真、實(shí)物制作和性能測(cè)試等部分。利用現(xiàn)學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)并制作了音頻功率放大器及為其提供直流偏置的12V穩(wěn)壓直流電源。音頻功率放大器主要利用了由TDA2030A集成功放構(gòu)成的單電源互補(bǔ)對(duì)稱功放，實(shí)現(xiàn)高保真效果。直流穩(wěn)壓電源則主要利用LM7812穩(wěn)壓管，為電路提供穩(wěn)定的直流輸入電壓。關(guān)鍵詞：功率放大、直流電源、TDA2030AAbstractThe course design is in the completi

5、on of "Fundamentals of analog circuits", "analog circuit based experiment", through the higher complexity, strong comprehensive design project of large practical training. In modern life Headset amplifier, audio equipment, television and computer have a power amplification circui

6、t exists. The power amplifier circuit is usually as the output stage of multistage amplifier circuit. In many electronic devices, the required output stage amplifier circuit can drive a load, such as driving instrument, so that the pointer deflection; drive the loudspeaker to sound, or drive; automa

7、tic control actuator system etc. In short, demand amplification circuit has a large enough output power. Amplifying circuit that collectively referred to as the power amplifier circuit.This curriculum design report I including curriculum design, principle, circuit simulation, physical production and

8、 testing part. To use existing knowledge to design and produce the audio power amplifier 12V and provides a regulated DC power supply, DC bias for the. Audio power amplifier is mainly used the single power complementary symmetry power amplifier is composed of a TDA2030A integrated power amplifier, t

9、o realize the high fidelity effect. DC regulated power supply is the main use of LM7812 voltage regulator tube, to provide the DC input voltage stability for circuit.Keywords: power amplifier, DC power supply，TDA2030A音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作1. 設(shè)計(jì)原理及參數(shù)1.1音頻功放電路的設(shè)計(jì)1.1.1設(shè)計(jì)原理揚(yáng)聲器輸出音頻信號(hào)輸 入放大級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí) 音頻功率放大器主要由輸入級(jí)、放大級(jí)

10、、輸出級(jí)三個(gè)部分組成。電路采用TDA2030A集成功率放大電路，具有輸出功率大、保護(hù)性能完善、外圍電路簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。工作范圍為±6-±18V。輸入級(jí)：采用電容耦合輸入。用以去掉音頻信號(hào)中的低頻信號(hào)，與R1構(gòu)成高通低頻響應(yīng)。放大級(jí)：采用TDA2030A集成芯片，輸出功率大10W頻率響應(yīng)為101400Hz，輸出電流峰值最大可達(dá)3.5A。其內(nèi)部電路包含輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí),且有短路保護(hù)和過熱保護(hù),可確保電路工作安全可靠。TDA2030A功率放大管利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即

11、交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過的電流會(huì)等于基極電流的倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。 TDA2030集成電路的第三個(gè)特點(diǎn)是外圍電路簡單，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，在焊接電路板的時(shí)候TDA2030A的管腳的分布對(duì)于焊接的時(shí)候很重要的，如果管腳的區(qū)分有錯(cuò)，直接會(huì)導(dǎo)致的功率放大器燒掉。通過查閱資料知道他的管腳分布為：漢字對(duì)著人，從左往右數(shù)為1 2

12、 3 4 5 其1 為同相輸入端2為反相輸入端3為功率放大器的接地端4為功率放大器額的輸出端5為功率放大器的電源線的接入端。TDA2030A參數(shù)如圖：表1.1 TDA2030A芯片參數(shù) 其中，R4作為同相輸入的偏置電阻，電路增加交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋，R5、R6決定了此交流負(fù)反饋的強(qiáng)弱和閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為：（R5+R6）/R6。R6電阻越小增益越大，但增益太大也容易導(dǎo)致信號(hào)失真。C1起到隔直流的作用，使得直流負(fù)反饋為100%，靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。由于電源本身并不是完全直流的，里面含有紋波，會(huì)影響輸出結(jié)果，因而需要在電源輸入端對(duì)電源進(jìn)行慮紋波，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用在電源輸入端并聯(lián)一個(gè)大電容電容C8

13、和一個(gè)小電容C2。大電容慮低頻，小電容率高頻，可有效的濾掉電源的紋波。輸出級(jí)：兩個(gè)二極管接在輸出和電源之間，防止揚(yáng)聲器感性負(fù)載反沖而影響音質(zhì)。R8和C5串聯(lián)對(duì)感性負(fù)載（喇叭）進(jìn)行相位補(bǔ)償，消除自激。C4電容起到隔自流同交流的作用。原理電路采用單電源互補(bǔ)對(duì)稱功放。它去掉了一組電源，在輸出端與負(fù)載之間增加了一個(gè)大電容。改變外部電路電阻值，輸出端4點(diǎn)的靜態(tài)電位等于VCC/2。電路原理如圖：圖 1-1音頻功放原理圖1.1.2 參數(shù)計(jì)算l R1是音量調(diào)節(jié)電位計(jì)，本電路采用22k電位計(jì)l C6是輸入耦合電容（C1=1uf）由公式C=1.5uf（公式1-1）l f取10Hz，R=R1/2=10k C=1.6

14、uf 實(shí)際中采用1uf電解電容。l C8取100uf電解電容，C2取0.1uf陶瓷電容l R4是TDA2030A同相輸入端偏置電阻。l R2、R3為反饋網(wǎng)絡(luò)電阻（R2=R3=R7=100K）。l R6、R5決定了該電路交流負(fù)反饋的強(qiáng)弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為Av=(R6+R5)/R6=(4.7+150)/4.7=30.0（公式1-2）l C1起隔直流作用,以使電路直流為100%負(fù)反饋。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。  l D1、D2是保護(hù)二極管,防止輸出電壓峰值損壞集成塊TDA2030A，實(shí)際中采用1N4001二極管。l 輸出端接上電容C5=0.22 uF的陶瓷電容，R7=1串聯(lián)

15、接地。1.2直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)1.2.1設(shè)計(jì)原理輸出電路穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路變壓電路220v交流輸入直流穩(wěn)壓電源主要由整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路三部分實(shí)現(xiàn)。變壓電路：采用220：15變壓器，交變輸出有效值為15V，頻率為50Hz交流電。整流電路：采用單相橋式全波整流電路，由于二極管單向?qū)ǖ奶匦裕?dāng)二極管呈橋式相連時(shí)，無論輸入電壓呈正半周期或負(fù)半周期，都有電流同方向地流過負(fù)載。從而實(shí)現(xiàn)整流作用。波形如圖：圖 1-2-1整流橋波形原理濾波電路：采用電容濾波電路，利用電容充放電原理達(dá)到濾波作用。在脈動(dòng)直流波形上升階段，電容充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很小，所以充電速度快；在波形的下降階段，電容放電

16、，由于時(shí)間常數(shù)很大，放電較慢。波形如圖：圖 1-2-2濾波原理波形 穩(wěn)壓電路：采用LM7812集成穩(wěn)壓器，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電壓在12V。電路原理圖如圖所示：圖 1-2-3直流穩(wěn)壓電源原理圖220：15變壓器輸入有效值為輸入端電容C3用于抵消輸入端較長接線的電感效應(yīng)，以防止自激震蕩，還可以抑制電源的高頻脈沖干擾。實(shí)際中采取小電容即可。輸出端電容C10、C11用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。C10較大，優(yōu)點(diǎn)是提高穩(wěn)壓電源的脈沖響應(yīng)、輸出較大的脈沖電流。然而當(dāng)輸出斷開，二極管放電，較大電流會(huì)使穩(wěn)壓器損壞。所以在穩(wěn)壓器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D4，用以保護(hù)穩(wěn)壓器。1.2.2參數(shù)

17、計(jì)算l 220：15變壓器l LM7812集成穩(wěn)壓器l 4*1N4001制成整流橋，或直接選擇集成整流橋l C1濾波電容：選擇1000uF電解電容l C5、C7小電容 實(shí)驗(yàn)中選擇了0.1uf陶瓷電容2.仿真結(jié)果及分析2.1音頻功率放大電路軟件介紹：Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。

18、Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。2.1.1仿真原理圖圖 2-1-1音頻功放仿真電路圖2.1.2仿真效果圖輸入1Khz振幅100mvp，Vcc為12V。當(dāng)電位計(jì)調(diào)至最大輸入，波形如圖：圖 2-1-2仿真波形圖1計(jì)算其最大放大倍數(shù)：A=Vo/Vi=3.158V/98.982mV=31.9(公式1-3)理論值：A=（R5+R6）/R6

19、=32.9（公式1-4）調(diào)節(jié)電位計(jì)觀察波形。當(dāng)電位計(jì)調(diào)低，可以看見輸出減小。所以調(diào)節(jié)電位計(jì)具有調(diào)節(jié)音量的作用。波形如圖：圖 2-1-3仿真波形圖2觀察放大電路輸出電壓圖 2-1-4仿真波形圖3Vk=6V=VCC/2 與理論值相符。2.2直流穩(wěn)壓電源電路2.2.1電路原理圖仿真圖 2-2-1直流穩(wěn)壓電源仿真電路2.2.2仿真效果圖圖 2-2-2仿真波形4經(jīng)過變壓器輸入15V（有效值）交流電時(shí)，電路輸出12.5V穩(wěn)定電直流電。電路頻率響應(yīng)仿真圖 2-2-3頻率響應(yīng)仿真fl=4.7Hz圖 2-2-4頻率響應(yīng)仿真2fh=22khzB=fh-fl22khz3.實(shí)物制作與性能測(cè)試3.1音頻功放實(shí)物制作 安

20、裝電路板，由于本電路采用功放集成電路，且只有5引腳，看準(zhǔn)后，可直接焊在電路板上。按照布局圖把元件逐一焊接在電路板上，對(duì)于二極管或電解電容等有極性器件要用儀器判斷好后在焊接。元件全部焊接完成后，仔細(xì)檢查幾遍，確保器件連接正確后，方可通電測(cè)試。1. 測(cè)量輸出電壓放大倍數(shù)Au 測(cè)試條件：直流電源電壓15v，輸入信號(hào)1KHz= 70 mv（振幅值100mv），輸出負(fù)載電阻為8。2.測(cè)量允許的最大輸入信號(hào)（1KHz）和最大不失真輸出功率 測(cè)試條件：直流電源電壓12v，負(fù)載電阻分為8。3.測(cè)量上、下限截止頻率fH和fL 測(cè)試條件：直流電源電壓12v，輸入信號(hào)100mv（振幅值141mv），改變輸入信號(hào)頻率

21、（負(fù)載電阻為8）實(shí)物如圖：圖 3-1-1實(shí)物圖13.2性能測(cè)試3.2.1功率性能測(cè)試 在實(shí)驗(yàn)室里，選用低頻信號(hào)發(fā)生器做信號(hào)源，用示波器觀察波形，并測(cè)量出輸出電壓的有效值。測(cè)試取輸入信頻率f=1khz Vi=100mV（峰值約為141mv） RL=8/20W，經(jīng)測(cè)量和計(jì)算如下： 輸出電壓（有效值）3.26V輸出功率（公式3-1）電壓放大倍（公式3-2）電源平均供給功率（公式3-3）轉(zhuǎn)換效率（公式3-4）3.2.2頻率響應(yīng)測(cè)試 在保證輸入信號(hào)Ui大小不變的條件下，改變低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率。用交流毫伏表測(cè)出Uo=0.707Uom時(shí)，所對(duì)應(yīng)的放大器上限截止頻率fh和下限截止頻率fl,算出頻帶寬度B:f

22、l10Hzfh23KHzB=fhfl23KHz與理論值相近。在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)際測(cè)試值滿足理論值標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)成功。3.3直流穩(wěn)壓電源制作安裝電路板，本電路集成整流橋和LM7812集成穩(wěn)壓器。焊接較為簡單?？芍苯雍冈陔娐钒迳?。按照布局圖把元件逐一焊接在電路板上，對(duì)于二極管或電解電容等有極性器件要用儀器判斷好后在焊接。元件全部焊接完成后，在仔細(xì)檢查幾遍，確保器件連接正確后，方可通電測(cè)試。測(cè)試必須注意用電安全，尤其保證變壓器用絕緣膠膠好再通電，通電時(shí)不要隨意觸碰變壓電路部分，防止漏電而導(dǎo)致觸電。實(shí)物如圖：圖 3-3-1實(shí)物圖23.4直流穩(wěn)壓電源的測(cè)試實(shí)物通電之后將輸出端連接示波器，觀察。輸出了較穩(wěn)定

23、的12V直流電源。實(shí)驗(yàn)成功。4.收獲以及體會(huì)本著借著此次課程設(shè)計(jì)制作一些能夠用于生活的更實(shí)用的實(shí)物的原則，我選擇了制作音頻功率放大器作為我此次課程設(shè)計(jì)的題目。音頻功率放大電路以模擬電子電路書本上，TDA2030A構(gòu)成的單電源互補(bǔ)放大電路為原型，再考慮到實(shí)際情況，對(duì)電路圖做出了一些修改。得到了現(xiàn)在的音頻功放原理圖。在研究電路原理的過程中，我意識(shí)到自己之前所學(xué)得的理論知識(shí)存在很大的漏洞，對(duì)于許多元器件、電路的具體應(yīng)用及其原理大多一知半解。而通過這一次課程設(shè)計(jì)對(duì)電路原理的研究，加深了我對(duì)模擬電子電路這門功課相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解，填補(bǔ)了自己許多知識(shí)漏洞。同時(shí)也使我更好得將課程理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中，收獲頗

24、豐。然而在選定方案的過程中我并沒有考慮到輸出功率需要滿足10W這一條件，直接采用了單源輸入的設(shè)計(jì)方案。不過從實(shí)物效果來看，此音頻功放同樣具有較好的保真效果，工作效率達(dá)到60%。這一失誤讓我意識(shí)到制作之前了解設(shè)計(jì)要求的重要性，同時(shí)也告誡我在課程制作和設(shè)計(jì)時(shí)必須先做足充分準(zhǔn)備再開始實(shí)踐。這樣既不會(huì)浪費(fèi)耗材，也不會(huì)浪費(fèi)自己的時(shí)間和精力。制作直流穩(wěn)壓電源的出發(fā)點(diǎn)僅僅是為我的音頻功放提供一個(gè)直流電源，能夠使我不僅僅在實(shí)驗(yàn)室使用這個(gè)音頻功放。這一直流電源制作雖然很簡單，但是制成之后才發(fā)現(xiàn)，12V的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用范圍太過狹隘?？紤]到實(shí)際成本和實(shí)用度，這一電源制作的性價(jià)比其實(shí)是比較低的。所以我也決定在寒假時(shí)

25、，利用空閑時(shí)間將其做出一下修改。制成一個(gè)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源。方便自己今后的制作需要。在運(yùn)用Mulitisim仿真軟件進(jìn)行電路仿真的過程中，讓我學(xué)會(huì)更流暢得使用此類仿真軟件。同時(shí)，利用仿真軟件更改各元器件、模擬各種實(shí)際情況能夠加深我對(duì)各元器件在電路中應(yīng)用的理解。先仿真、再制作，提高了我們實(shí)物制作的效率，降低實(shí)際工作量。而通過這一此課程設(shè)計(jì)的實(shí)際操作，我學(xué)習(xí)到很多運(yùn)用仿真軟件的新技能。 此次課程設(shè)計(jì)由于電路圖較為復(fù)雜，雖然有一定電工電子實(shí)習(xí)的實(shí)踐基礎(chǔ)，但是在實(shí)際的電路板焊接過程中仍出現(xiàn)了較多問題。比如在焊接中，存在幾處虛焊情況，嚴(yán)重影響了我后期的試調(diào)過程。直到拿著萬用表一處一處排查，才找出故障所在

26、。這也讓我意識(shí)到自己做事粗心的缺點(diǎn)。這讓我意識(shí)到不能夠急于求成，要認(rèn)真仔細(xì)做好每一步，否則將會(huì)給接下來的任務(wù)帶來更大的麻煩。除此之外，焊接時(shí)芯片的引腳、電容等有極元件需要特別注意，防止粗心而出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致更多不必要的麻煩。在實(shí)際操作中，我就錯(cuò)焊了整流橋的四個(gè)引腳，導(dǎo)致第一次調(diào)試不成功。事后想來穩(wěn)壓電源需要面對(duì)220V交流電，而實(shí)驗(yàn)中的一些失誤會(huì)造成很危險(xiǎn)的后果，盲目測(cè)試存在很大的安全隱患。而實(shí)踐中這樣的插曲也讓我更深刻意識(shí)到我們電類的實(shí)踐操作絕非兒戲，需要我們用十分嚴(yán)謹(jǐn)、謹(jǐn)慎的態(tài)度面對(duì)遇到的每一個(gè)看似很小的問題。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)之間對(duì)元器件故障排查也十分重要。實(shí)踐中就存在由于元器件的損壞而導(dǎo)致調(diào)試一直不成功的情況。最后只能一個(gè)一個(gè)元器件排查損壞情況。同樣帶來了