模擬電路——音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：模擬電子電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 同組人員： 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握放大電路的基本使用。2.掌握TDA2030的使用方法以及其經(jīng)典電路。3.掌握功率放大電路的作用以及設(shè)計(jì)的原理。4.培養(yǎng)我們的動(dòng)手能力以及考核已學(xué)的電路知識(shí)。二、設(shè)計(jì)任務(wù) 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理1、設(shè)計(jì)內(nèi)容2、設(shè)計(jì)原理3、TDA2030A主要器件及介紹四、實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)五、PCB布線與焊接（一）布線（二）焊接六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 七、參考文獻(xiàn)八、附錄1、LM1875相關(guān)數(shù)據(jù)2、LM7815（左）和LM7915（右）引腳圖一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握放大電路的基本使用。2. 掌

2、握TDA2030的使用方法以及其經(jīng)典電路。3. 掌握功率放大電路的作用以及設(shè)計(jì)的原理。4. 培養(yǎng)我們的動(dòng)手能力以及考核已學(xué)的電路知識(shí)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)音頻功率放大電路（電路形式不限），負(fù)載為揚(yáng)聲器，阻抗8。要求直流穩(wěn)壓電源供電，多級(jí)電壓、功率放大，所設(shè)計(jì)的電路滿足以下基本指標(biāo)：（1）頻帶寬度50Hz20kHz，輸出波形基本不失真；（2）電路輸出功率大于8W；（3）輸入阻抗：10k；（4）放大倍數(shù)：40dB；（5）具有音調(diào)控制功能：低音100Hz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，高音10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍；（6）所設(shè)計(jì)的電路具有一定的抗干擾能力；（7）具有合適頻

3、響寬度、保真度要好、動(dòng)態(tài)特性好。發(fā)揮部分：（1）增加電路輸出短路保護(hù)功能；（2）盡量提高放大器效率；（3）盡量降低放大器電源電壓；（4）采用交流220V，50Hz電源供電。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理1、設(shè)計(jì)內(nèi)容本電路設(shè)計(jì)采用前置放大電路和音頻功率放大電路相結(jié)合的放大模式，前者采用有“運(yùn)放之皇”的NE5532對(duì)電壓進(jìn)行放大，后者采用性能優(yōu)良的TDA2030對(duì)電壓和電流放大，給音響放大器的負(fù)載（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出的信號(hào)的非線形失真盡可能的小，效率盡可能的高。在前置放大和功放之間加上一個(gè)滑動(dòng)變阻，就保證了音量可調(diào)，在滑動(dòng)變阻器之前再加上一足夠大電阻，這樣保

4、證了信號(hào)不失真。除此之外，加上相應(yīng)的旁路電容又使得電路具有雜音小，有電源退偶，無(wú)自激等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)例電路圖和已經(jīng)給定的原件參數(shù)，使用multisim10軟件模擬電路，并對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，動(dòng)態(tài)分析，顯示波形圖，計(jì)算數(shù)據(jù)等操作。音頻控制器音頻控制器前置放大器2、設(shè)計(jì)原理第一部分：在前置放大電路中，我們采用了NE5532，由于一般信號(hào)源所輸出的信號(hào)幅度很小，僅為幾十分貝的增益，較難使功率放大器輸出較大的功率。因此在功率放大器前面加一放大電路前置放大電路，將信號(hào)源的小信號(hào)放大至功率放大器所需要的信號(hào)。此外，前置放大電路還將不同信號(hào)源所輸入的不同阻抗、不同幅度的電壓進(jìn)行阻抗匹配等處理后送至功率放大器。第

5、二部分：音調(diào)控制電路，負(fù)反饋式音調(diào)控制器的工作原理，由于集成運(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，用它制作的音調(diào)控制電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，典型的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中電位器Rp1是高音調(diào)節(jié)電位器，Rp2是低音調(diào)節(jié)電位器，電容C是音頻信號(hào)輸入耦合電容，電容C1、C2是低音提升和衰減電容，一般選擇C1=C2，電容C3起到高音提升和衰減作用，要求C3的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1。電路中各元件一般要滿足的關(guān)系為：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。負(fù)反饋式音調(diào)控制器的完整的幅頻特性曲線的波特圖音調(diào)控制電路的幅頻響應(yīng)波特圖、第三部分：功率放大器： 功率放大電路通常作

6、為多級(jí)放大電路的輸出級(jí)。功率放大器的常見(jiàn)電路形式有OTL電路和OCL電路。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。也就是把輸入的模擬信號(hào)經(jīng)被放大后,去推動(dòng)一個(gè)實(shí)際的負(fù)載工作，所以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。而音頻功率放大器的作用就是給音響放大器的負(fù)載RL（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出的信號(hào)的非線形失真盡可能地小，效率盡可能的高。隨著半導(dǎo)體工藝,技術(shù)的不斷發(fā)展,輸出功率幾十瓦以上的集成放大器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。功率VM

7、OS管的出現(xiàn),也給功率放大器的發(fā)展帶來(lái)了新的生機(jī)?？傊β史糯笃鞯闹饕蝿?wù)是向負(fù)載提供較大的信號(hào)功率,故功率放大器應(yīng)具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)： 1） 輸出功率要足夠大工作在大信號(hào)狀態(tài)下,輸出電壓和輸出電流都很大.要求在允許的失真條件下,盡可能提高輸出功率。2） 效率要高功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器,它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)的能量輸送給負(fù)載,因此,要求轉(zhuǎn)換效率高.在直流電源提供相同直流功率的條件下,輸出信號(hào)功率愈大,電路的效率愈高。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,而且由于三極管是非線性器件,在大信號(hào)工作狀態(tài)下,器件本身的非線性問(wèn)題十分突出

8、,因此,輸出信號(hào)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的非線性失真.在實(shí)際應(yīng)用中,要采取措施減少失真,使之滿足負(fù)載要求。在功放部分我們用了TDA20303、TDA2030A主要器件及介紹3.1 TDA2030實(shí)物TDA2030是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。意大利SGS公司、美國(guó)RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。實(shí)物如下圖：圖1TDA203

9、0實(shí)物TDA2030示意圖：3.2 TDA2030的管腳功能及圖（1）腳是正相輸入端（2）腳是反向輸入端（3）腳是負(fù)電源輸入端（4）腳是功率輸出端（5）腳是正電源輸入端圖2TDA2030管腳3.3 TDA2030的工作TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。3.4 TDA2030的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)（1） TDA2030具有負(fù)載泄放電壓反沖保護(hù)電路，如果電源電壓峰值電壓40V的話，那么在5腳與電源之間必須插入LC濾波器，以保證5腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內(nèi)。（2）熱保護(hù)：限熱保護(hù)有以下優(yōu)點(diǎn)，

10、能夠容易承受輸出的過(guò)載（甚至是長(zhǎng)時(shí)間的），或者環(huán)境溫度超過(guò)時(shí)均起保護(hù)作用。（3）與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬(wàn)一結(jié)溫超過(guò)時(shí)，也不會(huì)對(duì)器件有所損害，如果發(fā)生這種情況，Po=（當(dāng)然還有Ptot）和Io就被減少。（4）印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)必須較好的考慮地線與輸出的去耦，因?yàn)檫@些線路有大的電流通過(guò)。（5）裝配時(shí)散熱片與之間不需要絕緣，引線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，焊接溫度不得超過(guò)260，12秒。（6）雖然TDA2030所需的元件很少，但所選的元件必須是品質(zhì)有保障的元件。極限參數(shù)：四、實(shí)驗(yàn)步驟1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)負(fù)反饋式音調(diào)控制器的工作原理由于集成運(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，用它制作的音調(diào)控

11、制電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)如圖所示：電路圖：電源電路 電路組成： LM7815和LM7915是三段穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件，適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過(guò)流、過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)。前置放大器采用運(yùn)放NE5532。NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路，與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時(shí)音色溫暖，保真度高，在上世紀(jì)九十年代初的音響界被發(fā)燒友們譽(yù)為“運(yùn)放之皇”，至今仍是很多音響發(fā)燒友手中必備的運(yùn)放

12、之一。 功放級(jí)放大器采用功放LM1875。LM1875 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司研發(fā)的一款功放集成塊。LM1875采用TO-220封裝結(jié)構(gòu)，形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡(jiǎn)單，且輸出功率較大。電源電路通過(guò)變壓器將220V交流電壓變壓到12V，通過(guò)整流橋進(jìn)行濾波，濾波電容采用2個(gè)2200UF/25V電解電容并聯(lián)，正負(fù)電源共用2個(gè)0.33uF的電容，2個(gè)0.1uF的電容。穩(wěn)壓器減小電壓紋波，將電源輸出電壓穩(wěn)定在12V，驅(qū)動(dòng)運(yùn)放功放工作。五、PCB布線與焊接（一）布線：1布線方向： 從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產(chǎn)過(guò)程中通常需要在焊接面

13、進(jìn)行各種參數(shù)的檢測(cè)，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修（注：指在滿足電路性能及整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下）。 2各元件排列，分布要合理和均勻，力求整齊，美觀，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈蟆?3、設(shè)計(jì)布線圖時(shí)要注意管腳排列順序，元件腳間距要合理。 4在保證電路性能要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求走線合理，少用外接跨線，并按一 定順充要求走線，力求直觀，便于安裝，高度和檢修。 5設(shè)計(jì)布線圖時(shí)走線盡量少拐彎，力求線條簡(jiǎn)單明了。 6布線條寬窄和線條間距要適中，電容器兩焊盤(pán)間距應(yīng)盡可能與電容引線腳的間距相符； 7設(shè)計(jì)應(yīng)按一定順序方向進(jìn)行，例如可以由左往右和由上而下的順序進(jìn)行。 （二）焊接：1、烙鐵要放在架上，以免

14、燙到人或其他器件。2、需要用到的器件應(yīng)該準(zhǔn)備好，方在左手邊，以便隨時(shí)可以拿到進(jìn)行焊接。3、焊盤(pán)內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時(shí)導(dǎo)致焊盤(pán)缺損。 4、焊盤(pán)的開(kāi)口：有些器件是在經(jīng)過(guò)波峰焊后補(bǔ)焊的，但由于經(jīng)過(guò)波峰焊后焊盤(pán)內(nèi)孔被錫封住，使器件無(wú)法插下去，解決辦法是在印制板加工時(shí)對(duì)該焊盤(pán)開(kāi)一小口，這樣波峰焊時(shí)內(nèi)孔就不會(huì)被封住，而且也不會(huì)影響正常的焊接。 5、焊盤(pán)補(bǔ)淚滴：當(dāng)與焊盤(pán)連接的走線較細(xì)時(shí)，要將焊盤(pán)與走線之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀，這樣的好處是焊盤(pán)不容易起皮，而是走線與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。 6、相鄰的焊盤(pán)要避免成銳角或大面積的銅箔，成銳角會(huì)造成波峰焊困難，而且有橋接的危險(xiǎn)，大面積銅箔因散

15、熱過(guò)快會(huì)導(dǎo)致不易焊接。7、焊接的時(shí)候要注意不要把不相連的點(diǎn)掛接。8、焊接的時(shí)候烙鐵的溫度不要太高，焊接的時(shí)間不要太長(zhǎng)，以免焊盤(pán)脫落和在焊接的時(shí)候就把器件燒壞。9、焊接完后好對(duì)電路圖進(jìn)行檢測(cè)，看是否所有器件都是好的，看是否有掛接和虛焊的。 在接電源是應(yīng)該特別的注意一下幾點(diǎn)：（1）本作品外接交流12V變壓器電源輸入，要先弄清楚變壓器的用法。（2）在接電源前要注意電解電容的方向是否正確。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：電路基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。測(cè)試效果良好。思考題1、對(duì)一個(gè)音頻功率放大器的前置級(jí)有什么要求？對(duì)于功率放大級(jí)有什么要求？對(duì)音頻功率放大器的前置級(jí)要求輸入阻抗高、輸出阻抗小、頻帶寬、噪聲小。對(duì)功率放大級(jí)的要

16、求是輸出效率高，輸出功率大。2、何為D類功率放大器？D類功率放大器有什么特點(diǎn)？請(qǐng)列舉出目前常用的D類集成音頻功率放大器的芯片型號(hào)。D類功率放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。D類功率放大器的特點(diǎn)：具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。 無(wú)裂噪聲接通。低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。目前常用的D類集成音頻功率放大器的芯片型號(hào)：新日本無(wú)線公司生產(chǎn)的NJU8721、NJU

17、8725,TI公司的TPA2000D4等. 雅瑪哈公司的 YDA131-E,Tripath公司的TA2021、TI公司的TPA2000D2,ST微電子公司的TDA7480等.路數(shù)據(jù)表中所推薦使用的MOS-FET.最近,日本三洋電機(jī)開(kāi)發(fā) 出了專門(mén)用于功率級(jí)的混合集成電路STK210-030。3、試畫(huà)出利用TDA2030/2030A實(shí)現(xiàn)的OTL功率放大器電路？若要輸出8W的功率，對(duì)電源電壓有什么要求？若要求進(jìn)一步提高輸出功率，TDA2030/2030A可接成BTL結(jié)構(gòu)，試畫(huà)出BTL電路圖，并說(shuō)明其工作原理。OTL電路圖：若要輸出功率8W，則要求電源電壓正負(fù)絕對(duì)值不低于11.3V。 BTL電路圖：工

18、作原理: 用兩塊TDA2030 組成如圖1所示的BTL功放電路，TDA 2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào)Vin通過(guò)交流耦合電容C1進(jìn)入同相輸入端腳，交流閉環(huán)增益為KVC1R3 / 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反饋給反相輸入端腳，它的交流閉環(huán)增益KVCR9 / 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，即： U01Uin·R3/R2，U02U01·R9 / R5，R9R5，U02 U01因此在揚(yáng)聲器上得到的交流電壓應(yīng)為：U01-（-U02）2U012U02揚(yáng)聲器得到的功率 PY4PMONO。4、什么是自激振蕩現(xiàn)象？如果電路一旦出現(xiàn)自激振蕩，將如何解決？自激振蕩就是內(nèi)部等效元件構(gòu)成正反饋產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，一種是人為的在放大線路中加入移相元件，如L、C，那是想要的產(chǎn)生的交變信號(hào)，還有一種是本來(lái)是一個(gè)正常電路，但由于設(shè)計(jì)參數(shù)不當(dāng)或器件內(nèi)部有寄生電容等移相元件，結(jié)果不