課程設(shè)計報告高保真音頻功率放大器

1、-. z.題目名稱：高保真音頻功率放大器姓 名： 朱* 班 級： 測控112 學(xué) 號： 日 期： 2013年*月*日 模擬電子電路課程設(shè)計任務(wù)書適用專業(yè)：測控技術(shù)與儀器、電子信息工程、電氣工程及其自動化設(shè)計周期：一周一、設(shè)計題目：高保真音頻功率放大器的設(shè)計與調(diào)試二、設(shè)計目的音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率*圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率*圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。音頻功率放大器的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。三、設(shè)計要求及主要電路指標(biāo)設(shè)計要求：設(shè)計并

2、仿真高保真音頻功率放大器。1、方案論證，確定總體電路原理方框圖。2、單元電路設(shè)計，元器件選擇。3、仿真調(diào)試及測量結(jié)果。主要電路指標(biāo)輸出功率10W/8，頻率響應(yīng)2020KHZ，效率60，失真小。四、仿真需要的主要電子元器件1、運算放大電路 2、BJT 三極管3、滑線變阻器4、電阻器、電容器等五、設(shè)計報告總結(jié)要求自己獨立完成，不允許抄襲。1、對所測結(jié)果進展全面分析，總結(jié)消除交越失真的方法。2、分析討論仿真測試中出現(xiàn)的故障及其排除方法。3、給出完整的電路仿真圖。4、體會與收獲。一、方案論證與比擬1.1 方案提出方案一：甲類放大器作為一種最古老，效率最低，最耗電，最笨重，最耗資，失真最小的放大器它有吸

3、引人的音質(zhì)。甲類放大器輸出電路本身具有抵消奇次諧波失真，且甲類放大器管子始終工作在線性曲線內(nèi)，晶體管自始自終處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，不存在開關(guān)失真和交越失真等問題。甲類放大器始終保持大電流的工作狀態(tài)。 方案二：OCL互補對稱功放電路一般包括驅(qū)動級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負載提供足夠的信號頻率，以驅(qū)動負載工作。驅(qū)動級應(yīng)用運算放大器A741來驅(qū)動互補輸出級功放電路。 功率輸出級由雙電源供電的OCL互補對稱功放電路構(gòu)成。 為了克制交越失真，由二極管和電阻構(gòu)成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。 為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯(lián)負反應(yīng)。具體實現(xiàn)

4、：驅(qū)動級電路的一般實現(xiàn) 驅(qū)動級由運算放大器組成，并引入電壓串聯(lián)負反應(yīng)，帶負反應(yīng)的驅(qū)動級的一般實現(xiàn)圖如下：圖 1驅(qū)動及電路在實際電路中參加R1、R2 和電位器Rp1來改變電路的放大倍數(shù)。復(fù)合管準(zhǔn)互補推挽電路的一般實現(xiàn)電路 由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的對稱性，為了提高功放電路的性能。在實際應(yīng)用中廣泛采用復(fù)合功率管。 如圖2為復(fù)合管準(zhǔn)互補對稱功放電路圖 2復(fù)合管準(zhǔn)互補推挽電路輸出保護電路的一般實現(xiàn) 輸出保護電路如圖3所示是一個三極管式正、負向直流電壓檢測電路。對其原理作簡要說明。圖 3輸出保護電路方案二：該方案用兩塊TDA2030組成如圖4所示的BTL功放電路，TDA 2030上為同

5、相放大器，輸入信號Vin通過2.2uF交流耦合電容饋入同相輸入端1腳; TAD 2030下為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 2030上輸出端的 01 U 經(jīng)22k、680分壓器衰減后取得的，并經(jīng)22uF電容后饋給反相輸入端 2腳。兩個功放管的輸出信號相位相反，使輸出電壓加倍。在輸入信號比擬小的情況下，利用集成功率放大電器對信號的放大作用對信號進展處理，集成功率放大器性能穩(wěn)定，特別是TDA2030A，它是最常用的音頻集成功放，性能十分優(yōu)良，輸出功率大，為了到達設(shè)計要求輸出功率10W，使用兩塊TDA2030A組成BTL電路，它的功率要比OTL電路增大23倍，TDA2030A屬于經(jīng)濟型集成，使用

6、方便。電路設(shè)計采用阻容耦合方式，體積小，重量輕，頻率響應(yīng)好，各級靜態(tài)工作點獨立。TDA2030A集成電路的特點是輸出功率大，而且保護性能比擬完善，當(dāng)輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動的減少電流或轉(zhuǎn)為截止，實現(xiàn)自我保護，使電路更加完善。圖 4BTL功放電路1.2設(shè)計方案的論證和選擇對于方案一，甲類放大器通常需要偏置電壓才能工作，放大輸出的電壓幅度不能超出偏置*圍，所以能量轉(zhuǎn)換效率很低，理論上最高不超過50%；對于方案二，電路較復(fù)雜，設(shè)計所需要的原件種類多，這樣使設(shè)計過程中存在諸多變化因素，致使所做出來的電路音頻放大效果不好，而且在選電路前用multisim進展仿真模擬也出現(xiàn)較大的問題。 對于方

7、案三，比擬簡練，一目了然，思路清晰，并且采用比擬少的電容，采用可調(diào)電阻使得結(jié)果更為準(zhǔn)確，且BTL功放輸出功率大，抗干擾強，噪聲低，關(guān)鍵是容易制作成功。本設(shè)計旨在用集成設(shè)計高保真音頻放大電路，揚聲器選擇的是10W/8，并確保輸入信號在20HZ20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要??；由于功率放大電路是在大信號下工作，所以不可防止地會產(chǎn)生非線性失真，但隨著消費的不斷提升，人們對音響的要求也越來越高，所以減小失真就是設(shè)計的主要任務(wù)。元件的選取方面，TDA 2030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，

8、規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)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，而保護性能以較完善。根據(jù)掌握的資料，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，假設(shè)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，設(shè)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(dāng)然這保護是有

9、條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當(dāng)?shù)剡M展使用。 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，外型如同塑封大功率管，這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05；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(yīng)用于各種款式收錄機和高保真立體聲設(shè)備中。而且此電路采用的是性能十分優(yōu)良的TDA 2030功率放大集成電路，且其外圍電路簡單，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，對于第

10、一次做課程設(shè)計的我們不失為一個較好的選擇。 綜上，最后選定方案二。二、系統(tǒng)的功能及設(shè)計框圖2.1 系統(tǒng)的全部功能、要求及技術(shù)指標(biāo)。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率*圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率*圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。 音頻功率放大器的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。 音頻功率放大器的特點： 1 輸出功率足夠大 為獲得足夠大的輸出功率， 功放管的電壓和電流變化*圍應(yīng)很大。 2 效率要高 功率放大器的效率是指負載上得到的信號功率與電源供應(yīng)的直流功率之

11、比。 3 非線性失真要小 功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、 電流擺動幅度很大，極易超出管子特 性曲線的線性*圍而進入非線性區(qū)， 造成輸出波形的非線性失真，因此，功率放大器比小信號的電壓放大器的非線性失真問題嚴重。 功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補對稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽電路和變壓器耦合功放電路，等等。 本設(shè)計旨在用集成設(shè)計高保真音頻放大電路，揚聲器選擇的是10W/8，并確保輸入信號在20HZ20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要?。?由于功率放大電路是在大信號下工作，所以不可防止地會產(chǎn)生非線性失真，但隨著消費的不斷

12、提升，人們對音響的要求也越來越高，所以減小失真就是設(shè)計的主要任務(wù)。 元件的選取方面，由于TDA2030A集成電路的特點是輸出功率大，而且保護性能比擬完善，當(dāng)輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動的減少電流或轉(zhuǎn)為截止，實現(xiàn)自我保護，使電路更加完善。2.2確定設(shè)計框圖系統(tǒng)包含的單元電路及構(gòu)造和總體設(shè)計方案電路的總程序框圖如下：圖 5電路總程序框圖 先將音頻信號輸入到功率放大器中，再經(jīng)過功率放大器的放大輸出信號先經(jīng)過同相放大器，再經(jīng)過反相放大器，同時存在負反應(yīng)電路對輸出的信號進展反應(yīng)，從而起到自動調(diào)節(jié)輸出作用。方案設(shè)計電路圖如圖6所示：圖 6 方案設(shè)計電路圖該電路用兩塊TDA2030組成入上圖所示的B

13、TL功放電路，TDA20301為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1輸入放大器的同相輸入端，交流閉環(huán)增益為Kvc=1+R3/R2R3/R230dB。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。TDA20302為反相放大器，它的輸入信號是由TDA20301輸入端的U01經(jīng)R5,R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)過電容C6后反相輸入端，它的交流閉環(huán)增益Kvc=R9/R7/R5R9/R730dB。由R9=R5，所以TDA20301與TDA20302的兩個輸入信號U01與U02應(yīng)該是幅度相等相位相反的，即：U01UinR3/R2 U02-U01R9/R5R9=R5U02=-U01因

14、此在揚聲器上得到的交流電電壓應(yīng)為：Uo=U01-U02=2U01=2U02揚聲器上得到的功率PY按下式計算： PY=Uz/Rl=(2U01)/Rl=4(U01)/Rl=4PMONO BTL功放電路能把單電路功放的輸出功率PMONO擴展4倍，但實際上卻受到集成電路本身功耗和最大輸出電流的限制，該電路假設(shè)在Vs=14V工作時，PO=28W。2.3單元電路的分析與設(shè)計：1反應(yīng)電路：引入反應(yīng)后，如果輸出電壓或電流增大，則反應(yīng)信號也增大，結(jié)果使凈輸入信號減少，輸出也趨于減小，從而起到自動調(diào)節(jié)輸出作用。 由于放大電路中存在非線性器件三極管，場效應(yīng)管等，所以即使輸入信號Vi為正弦波信號，輸出也不可能是標(biāo)準(zhǔn)的

15、正弦波，而會產(chǎn)生一定的非線性失真。引入負反應(yīng)后，非線性失真將會減小。 假設(shè)一放大器在沒加負反應(yīng)之前通頻帶BW=Hf-LfHf,引入負反應(yīng)后，放大器的通頻帶BW F =BWAF,這說明引入負反應(yīng)后，放大器的通頻帶擴展了1+AF倍，負反應(yīng)具有穩(wěn)定閉環(huán)增益的作用，因而對于頻率增大或減小引起的增益下降，具有穩(wěn)定作用。2功率放大電路：TDA20301為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1饋入同相輸入端1腳，交流閉環(huán)增益為KVC11R3 / R2R3 / R230dB。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 20302為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 20301

16、輸出端的U01 經(jīng)R5、R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容C6 后饋給反相輸入端2腳，它的交流閉環(huán)增益KVC2R9 / R7/R5R9/R730dB。由R9R5，所以TDA 20301與TDA 20302的兩個輸出信號U01 和U02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的 。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，設(shè)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。系統(tǒng)仿真調(diào)試分析3.1軟件仿真原理圖軟件仿真原理圖如圖8所示：圖 8原件仿真原理圖3.2模擬仿真過程利用圖 8所示仿真電路圖

17、進展電路進展了以下電路測試及調(diào)試。1開場時輸入1V，600HZ的正弦波時，輸出波形出現(xiàn)了嚴重失真。波形如以下圖所示。圖9輸出失真波形圖2于是繼續(xù)調(diào)節(jié)，不斷減小電壓值，調(diào)整輸入1V，600Hz為230mV，600Hz的正弦波時，輸出曲線不再失真，而功率值也到達了要求的 10W 值。波形如以下圖所示。圖10輸出未失真波形圖3.3各項指標(biāo)測試當(dāng)輸入0.38V，600HZ的正弦波時，到達最大不失真電壓，且到達最大功率。輸出波形如以下圖所示：圖11輸出最大功率波形圖 從仿真可以看出，該電路圖的設(shè)計是成功的，到達了設(shè)計要求，輸入交流電壓為 0.38伏時，可以使功率最大到達 27W。 2為得到最小頻率，慢慢

18、減小輸入的頻率，直到波形剛出現(xiàn)失真，當(dāng)輸入0.23V，15HZ的正弦波時，到達最小不失真頻率，輸出波形如以下圖所示：圖12最小不失真頻率波形圖3為得到最大頻率，慢慢增大輸入的頻率，直到波形剛出現(xiàn)失真，當(dāng)輸入0.23V，20KHZ的正弦波時，到達最大不失真頻率，輸出波形如以下圖所示：圖13最大不失真頻率波形圖四、結(jié)語這一次模電課程設(shè)計做完之后收獲很多。因為之前對仿真完全不會，只是聽說過，不會用。雖然花了一些時間去學(xué)習(xí)它的用法，但在這個查資料自學(xué)的過程，感覺挺不錯的。覺得這個仿真軟件真是好玩，真懊悔在剛開場學(xué)模電的時候就應(yīng)該學(xué)著用multisim，用這個軟件可以提高學(xué)習(xí)興趣，還可以加深我們對理論的理解，是個好軟件，以后學(xué)習(xí)一定要主動，不能再被動了，這也是課設(shè)的目的吧！ 這次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，學(xué)到了很多關(guān)于電路理論方面和時間方面的知識，受益匪淺。從中不僅鍛煉了自己的動手能