音頻功率放大電路設計 模擬電子技術

1、成績課程設計說明書 題 目： 音頻功率放大電路設計 課程名稱： 模擬電子技術 學 院： 電子信息與電氣工程學院 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 2014年 6月 7 日 課 程 設 計 任 務 書設計題目音頻功率放大電路設計學生姓名所在學院電子信息與電氣工程學院專業(yè)、年級、班設計要求：1. 設計制作一個音頻功率放大電路（帶高低音調節(jié)）；2. 負載電阻為8（擴音器的等效電阻）；3. 額定輸出功率為4W； 4. 帶寬大于50Hz15KHz；5. 音調調節(jié)：低音（100Hz）±12dB,高音（10KHz）±12dB ；6. 輸入阻抗大于100K。學生應完成的任務：

2、設計一個音頻功率放大電路，并利用Multisim軟件進行電路仿真。利用Altium Designer軟件繪制電路原理圖，并設計制作電路的PCB板。根據(jù)設計原理對電路進行安裝調試，完成課程設計工作，并提交課程設計報告。參考文獻：1 童詩白.模擬電子技術基礎 M.北京：高等教育出版社，2005. 3 邱關源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻石.數(shù)字電子技術（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.5 谷樹忠，劉文洲.Altium Designer教程 M.北京：電子工業(yè)出版社， 2010.工作計劃： 指導教師（簽名）： 學生（簽名）：音頻功率放大電路設計摘 要：

3、設計了一個音頻功率放大電路，該電路具有音頻功率放大和高低音調節(jié)功能。電路由前置電壓放大級，音調控制級，功率放大級三部分組成。其中前置電壓放大級由NE5532P組成的反相比例運算電路來實現(xiàn)，前置放大器主要負責信號的電壓放大。音調控制級由阻容網(wǎng)絡組成的RC型負反饋音調控制電路來實現(xiàn)，音調控制電路主要負責音調調節(jié)等功能。功率放大級由集成功率器件TDA2030A連成OCL雙電源電路來實現(xiàn)。功率放大級主要負責將從音調控制級輸出的信號進行電流放大，然后驅動喇叭工作。TDA2030A具有體積小，輸出功率大，失真小等特點，內含多種保護電路，工作安全可靠性高。關鍵詞：音頻放大 ； 功率放大 ； 音調調節(jié) ； 集

4、成器件 目 錄1. 設計背景11.1 課程設計11.2 功率放大電路概述 12. 設計方案13. 方案實施33.1 電路圖設計33.2 電路圖仿真73.3 畫原理圖93.4 PCB制作94. 安裝調試95. 結果與結論105.1 結果105.2 結論116. 收獲與致謝117. 參考文獻128. 附 件128. 1 電路仿真圖128.2 電路原理圖138.3 PCB布線圖148.4 元器件清單151. 設計背景1.1 課程設計 這學期學習了模擬電子技術基礎和數(shù)字電子技術這兩門課。模擬電子技術基礎這門課程主要講了常見半導體器件，各種放大電路及其頻響和反饋，信號的運算和處理，波形的發(fā)生和信號轉換，

5、功率放大電路和直流電源等。學過之后為加強我們的實際操作能力，學校要求我們完成一次課程設計任務。我們計劃設計一個音頻功率放大電路。它能夠很好的應用到我們所學有關功率放大這節(jié)內容。1.2 功率放大電路概述 能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路。功率放大器的作用是給負載RL（揚聲器）提供一定的輸出功率。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。有用集成運算放大器和晶體管組成的功率放大器，也有專門的集成功率放大器。從能量的控制和轉換的角度看，功率放大電路與其他放大電路在本質上沒有根本的區(qū)別：只是

6、功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。功放的主要技術指標為最大輸出功率和轉換效率。在電源電壓確定后，輸出盡可能大的功率和提高轉換效率始終是功放研究的主要問題。因而圍繞這連個性能指標的改善，可組成不同電路形式的功放。2. 設計方案 本次課程設計要求制作一個帶有高低音調節(jié)功能的音頻功率放大電路，額定輸出功率為4W，帶寬為50Hz15KHz，輸入阻抗大于100K，可以在Multisim仿真軟件上進行測試。音頻功率放大器是一種應用廣泛、實用性強的電子音響設備，作用是將聲音源輸入的信號進行放大，然后輸出驅動揚聲器發(fā)出聲音。聲音源的種類

7、有很多種，故輸出信號的電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏。一般動率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器的話，對于輸入信號過低的，功率放大器功率輸出不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴重過載失真。這樣就失去了音頻放大的意義了，所以一個實用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設置前置放大器，以便使放大器適應不同的輸入信號，或放大，或衰減，或進行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。 在音頻功放電路中，需要體現(xiàn)的是電路的功率放大功能。然而實際中卻有許多噪音，且輸入信號電壓較小，所以所設計電路第一級應當進行電壓放大，并能夠消除噪

8、音，所以采用了前置放大電路。前置放大電路可以由分立元件組成，也可由集成運放放大電路組成。但分立元件組成的放大電路結構復雜，而集成運放放大電路設計簡便，易于實施。因此前置放大電路計劃用集成運放NE5532P來實現(xiàn)。由于電路要求要能夠進行高低音調節(jié)，因而采用了音調控制電路。而常用的音調控制電路有三種形式，一是衰減式RC音調控制電路，其調節(jié)范圍寬，但容易產(chǎn)生失真；另一種是反饋型音調控制電路，其調節(jié)范圍小一些，但失真小，而且電路簡便易行；第三種是混合式音調控制電路，但其電路復雜，多用于高級收錄機。結合本次課程設計要求，決定采用衰減式RC音調控制電路。經(jīng)過了前兩極，第三極要進行功率放大，所以采用了功率放

9、大電路。功率放大有兩種方案。一可以由三極管與電容組成的復合管放大電路來實現(xiàn)，但這種設計電路結構復雜，二可以由集成功率器件TDA2030A來實現(xiàn)，TDA2030A是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大電路，其主要特點是上升速率高、瞬態(tài)互調失真小，輸出功率大，保護性能比較完善，并且外圍電路簡單，使用方便。所以決定采用集成功率器件TDA2030A來實現(xiàn)功率放大。結合以上，本課程設計中采用由NE5532P組成的前置放大電路放大器，由阻容網(wǎng)絡組成的RC型負反饋音調控制電路，由集成功率器件TDA2030A連成OCL電路的功率放大級。其基本設計路線如圖1所示。NE5532P組成的前置放大級負反饋音調控制電路TDA20

10、30A組成的功率放大級音頻輸出圖1 基本設計路線圖3. 方案實施3.1 電路圖設計1. 前置放大電路 由NE5532P組成的前置放大電路是一個反相輸入比例放大器，電路理想閉環(huán)電壓增益 。此級計劃的放大倍數(shù)為5.1倍，因此電阻R3采用510K電阻，R1采用100K電阻。在如圖2所示的前置放大電路中，電阻R1的值就是輸入電阻R的值，所以R=100k。同時反饋電阻 R3和R1的比值就是放大倍數(shù)。減小R1的值可以提高放大倍數(shù)，但同時也降低了輸入電阻，因此在實際電路設計中，電阻R3和R1的取值需要折衷考慮。音頻放大電路的增益是很高的，所以擴音機的前置放大器的性能主要取決于噪聲。為了減小前置級放大器的噪聲

11、，第一級要選用低噪聲的運放。圖2前置放大電路2.音調控制電路 音調控制電路中采用了由阻容網(wǎng)絡組成的RC型負反饋音調控制電路。其音調控制電路圖如圖3所示。它是通過不同的負反饋網(wǎng)絡和輸入網(wǎng)絡造成放大器閉環(huán)放大倍數(shù)隨信號頻率不同而改變，從而達到音調控制的目的。電路圖中電位器Rp1是低音調節(jié)電位器，Rp2是高音調節(jié)電位器，電容C12是音頻信號輸入耦合電容，電容C2、C3是低音提升和衰減電容。圖3音調控制電路圖對于低音信號來說，當?shù)鸵粽{節(jié)電位器Rp1滑動端調到最左端時，C2被短路， 電路圖如下圖4所示。由于電容C3對于低音信號容抗大，所以相對地提高了低音信號的放大倍數(shù)，起到了對低音提升的作用。同樣當Rp

12、1的滑動端調到最右端時，電容C3被短路，其等效電路如下圖圖5所示。由于電容C2對輸入音頻信號的低音信號具有較小的電壓放大倍數(shù)，所以該電路可實現(xiàn)低音衰減。 電路對于高音信號來說，電容C2、C3的容抗很小，可以認為短路。調節(jié)高音調節(jié)電位器Rp2，即可實現(xiàn)對高音信號的提升或衰減。其電路圖如圖6所示。音調調節(jié)電路的設計要求為：電路的最大提升/衰減量為20dB。中心頻率點；低頻頻率點；高頻頻率點；要求在頻率點和處，電路的提升/衰減量為。代入公式得， 電阻取值取：R5=R6=R=10K，Rp1=Rp2=10R=100K，R8=1/3R=3.3K。電容取C2=C3>>C4，當電阻電容滿足這些條件

13、時，就可以保證電路的最大提升/衰減量的要求，使電路的幅頻特性滿足“上下”對稱。 計算出C4=1.9nF 近似取C4=2.2nF。 計算出 C2=C3=31.8nF 近似取C2=C3=47nF。 圖4 低音提升電路示意圖 圖5 低音衰減電路示意圖 圖6 高音提升和衰減電路示意圖3.功率放大級 外部音源信號經(jīng)過前置放大、音調調節(jié)電路后、輸入后面的功率放大級，然后就可以輸出去驅動揚聲器，發(fā)出聲音。功率放大級電路圖如圖7所示。本實驗中的功率放大器采用 TDA2030 A集成器件，其本質就是一個運算放大器，和其它小信號放大用的運放相比，其有較大電流輸出能力，可以輸出較大的功率。TDA2030A功率集成放

14、大器的使用十分靈活，可以構成多種輸出結構：既可以在正負對稱電源下工作構成OCL電路，也可以在單電源下工作，構成OTL電路，還可以用兩只放大器一起工作，構成BTL電路等。本課程設計功率放大級由集成功率器件TDA2030A連成OCL電路輸出。TDA2030A功率集成電路具有轉換速率高，失真小，輸出功率大，外圍電路簡單等特點，內部電路包含由恒流源差動放大電路構成的輸入級、中間電壓放大級，復合互補對稱式OCL電路構成的輸出級；啟動和偏置電路以及短路、過熱保護電路等。圖7功率放大級電路圖 Rp3是一只電位器，作用是進行音量（Volume）調節(jié)。輸入信號（音調調節(jié)電路的輸出信號）通過耦合電容 C7后，再由

15、 Rp3進行分壓調節(jié)，連接到 TDA2030A 的同相輸入端。電阻R13、R14組成反饋回路，和TDA2030A 構成了一個同相比例放大電路，其中R14=47K，R13=680。功率放大器的交流電壓放大倍數(shù)為：。這一部分就是整個功率放大電路的核心，其本質和普通運放完全一致。需要說明的是電容 C6同樣是一只耦合電容，作用同樣是“隔直通交”，使功率放大器僅僅對交流信號產(chǎn)生放大作用，而對直流信號不產(chǎn)生任何放大：1、對于直流信號，電容C6相當于“開路”，此時電阻 R13不起作用，功率放大器和電阻 R14構成的是一個電壓跟隨器。由于電位器RP3是通過電容C7和前級電路耦合，因此RP3上的直流電位一定為零

16、，同時可以保證功率放大器的輸出也一定為零，即有“零輸入，零輸出”的性質。2、對于交流信號，電容C6相當于“短路”，此時電阻R14和R13組成同相比例放大器反饋回路。 圖中D1、D2是兩只起保護作用的二極管，反向并聯(lián)在功率放大器的輸出端和電源之間，二極管D1、D2在電路正常工作時處于反向，是不導通的，對電路工作沒有影響，喇叭在工作時會產(chǎn)生感生電動勢，如果感生電動勢過大，超過了電源電壓的范圍，則D1和D2開始導通，將輸出端的感生電動勢進行鉗位，從而保護功率放大器不會被損壞。這兩只二極管采用的是普通整流二極管1N4001。電阻R15和電容C11串接在電路的輸出端，對揚聲器的頻響特性進行補償，和揚聲器

17、一起可以看成功率放大器的負載，使功率放大器輸出端的總負載趨近于純阻性。整個原理圖設計見附件8.1圖11電路仿真圖。3.2 電路圖仿真 設計好整個電路圖后，在Multisim仿真軟件上先找到各個器件，然后對器件進行連接，整個電路圖連接好后，為各個電阻和電容選取適當值，然后打開Multisim的開關進行仿真，通過用示波器和交流毫伏表測量各級電壓，發(fā)現(xiàn)模擬結果符合預期設計電路的要求，由此判斷我們所畫電路圖正確，可以用Altium Designer進行下一步操作。 當頻率為50Hz時其各級電壓有效值，波形圖和波特圖如圖8，功率放大級的輸出電壓能滿足負載所需電壓，所以此頻率下該功放電路能進行正常工作。

18、圖8 50Hz時電路各級電壓有效值，波形圖和波特圖 當頻率為1kHz時，電路的各級電壓有效值，波形圖和波特圖如圖9。其功率放大級的輸出電壓為5.6V，剛好能滿足負載所需電壓，因此能夠很好的工作。圖9 1KHz時電路各級電壓有效值，波形圖和波特圖 當頻率為15KHz時各級電壓有效值，波形圖和波特圖如圖10所示。 圖10 15KHz時電路各級電壓有效值，波形圖和波特圖功率放大級輸出電壓為3.103V，功率輸出級電壓值偏小，該電路高頻特性不是太好。輸入電阻測量數(shù)據(jù)如表1所示。表1輸入電阻測試表頻率輸入電壓輸入電流輸入電阻50Hz49.497mV492.380nA100.5K1kHz49.497mV4

19、92.129nA100.5K15kHz49.497mV492.541nA100.5K由測量可知該設計電路的輸入電阻在100K左右，滿足了設計要求。3.3 畫原理圖 打開Altium Designer軟件，先新建一個PCB工程，再在該工程中建一個原理圖和PCB圖，并保存。根據(jù)上面所仿真的電路圖畫原理圖，先找到原理圖所需要的各種器件，并檢查好封裝。然后進行連線，連線時應注意看好導線是否交叉。檢查所畫原理圖是否正確，如果沒有錯誤，把原理圖導入到PCB圖中。對PCB中的各器件進行擺放，直到各個器件之間的交叉線最少。然后進行布線，盡量避免有跳線。完成PCB的布線后就可以進行下一步操作了。 3.4 PCB

20、制作 在Altium Designer中按照先前所畫電路圖，根據(jù)仿真原理圖畫出Altium Designer原理圖，首先找出畫原理圖所需各種器件，將仿真圖中的負載8歐電阻換成Speaker，再根據(jù)需求布線布局，在布線前要在Altium Designer中完成對電路圖中各元件的封裝。在封裝時要注意，對于同一個元件可能有多種封裝方式，封裝時根據(jù)所給元件的類型選擇合適的封裝對各個元件進行封裝。封裝完成后，把原理圖導入PCB中。導入PCB后，再對元件的位置重新手動擺放，使線盡量少的重疊，以減少布線時的跳線出現(xiàn)。畫成的PCB圖見附件8.3。在制作PCB中，根據(jù)制作過程的要求，需要制成單層板，PCB制板中

21、焊盤半徑設置為0.85mm或0.9mm，電源和地線的寬度設置為0.6到0.8mm，信號線設置為0.5mm,當導線從兩個焊盤之間穿過時設置寬度為0.3mm。 印刷電路板的流程：首先，在制作單層板時把PCB布線圖打印為PDF文件，使用油光紙；其次，把覆銅板切割成設計要求的尺寸，把打印好的圖紙放在覆銅板上，并在轉印機上轉印；再次，將做好的板子放在鹽酸溶液中腐蝕，直到導線周圍的銅箔被腐蝕掉然后洗凈鉆孔，之后用砂紙把覆銅板導線表面的墨擦掉，把銅露出來，在打磨過程中注意不要將比較細的銅線磨掉了。 4. 安裝與調試 在安裝電子器件前，應仔細查閱電路所使用的集成電路的管腳排列圖及使用注意事項，同時測量電子元器

22、件的好壞。注意電解電容的極性不要接反，電源電壓的極性不要接反。安裝時，根據(jù)原理圖將原件對號入座，安裝好所有的芯片和電子元器件后，進行焊接，焊接完成后，按照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊的問題，接下來用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路。在線路沒有問題的情況下連接15V和-15電源調試，之后用電源逐個模塊進行檢查。將信號輸入端對地短路，用萬用表或示波器測量每一級電路中關鍵點的直流電壓是否正常，是否和理論計算值相同。用波特儀看一下電路的幅頻和相頻特性曲線。在電路的輸入端加入不同頻率的正弦信號，調節(jié)各個電位器，檢查信號是否受控，受控是否正確，加上輸入信號（一定幅度和頻率的正弦信號），觀察每一

23、級放大器的輸出信號是否正常，信號有無失真，信號的放大幅度是否與設計值相同等。如果發(fā)現(xiàn)故障，則應當從第一級電路開始，逐級向后檢查，找出原因并排除故障。5. 結果與結論5.1 結果 本次課程設計很好的完成了帶有高低音調節(jié)功能的音頻功率放大電路、帶寬大于50Hz15KHz、輸入阻抗大于100K，負載額定輸出功率為4W等設計要求的音頻功率放大電路。通過對電路進行分解測試和整體測試，發(fā)現(xiàn)其符合要求，前置放大電路由NE5532P組成放大了5.1倍，由阻容網(wǎng)絡組成的RC型負反饋音調控制電路構成的音調調節(jié)級沒有放大，由集成功率器件TDA2030A連成OCL電路的功率放大級放大了70倍。負載額定輸出功率為4W，

24、所需電壓為5.6V左右，經(jīng)過兩級放大能滿足此條件。5.2 結論 在畫原理圖中經(jīng)過多次修改最終成功的將原理圖導入了PCB中，并進行了布線。最終成功的畫好了PCB圖，并把它制成了電路板，經(jīng)過焊接，調試，發(fā)現(xiàn)其不能正常工作。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)Multisim和Altium Designer兩個軟件中同一個器件NE5532P里面的端子接法不同，由于沒有仔細看它們的端子的區(qū)別，導致NE5532P電源正負極接反了，然后加了兩根跳線把電源正負極進行了對調，后經(jīng)過測試電路能正常工作了，心里十分的高興。6. 收獲與致謝 經(jīng)過這兩周的課程設計實習我收獲了很多，大大培養(yǎng)了我的動手能力和同學間的相互合作精神，加深了我對數(shù)字、模擬電子技術理論知識的理解，讓我對制作一個實用電路板的整體流程有了一個很好的理解。但是由于軟件基本功不行，設計過程中遇到了許多小難題，從用Multisim軟件對電路進行仿真，到用Altium Designer畫原理圖進而導入PCB圖并對PCB進行布線，尤其是在畫PCB 圖時遇到了很多問題，在PCB布線的時候，由于原理圖中少了一個節(jié)點和有些原件封裝不對，導致重新畫了幾次，耽誤了大量時間，在經(jīng)過不懈努力后才完成了我們的PCB板。所以我們在設計的過程中，不可對其中任意一個環(huán)節(jié)不耐心，要認真檢查到每一根導線和每一個器件的封裝。確保每一個