模電音頻功率放大器課程設(shè)計

課程設(shè)計報告學(xué)生姓名:張浩學(xué)學(xué)號：2011309030137學(xué)院:電氣工程學(xué)院班級:電自1116(實驗111）題目:模電音頻功率放大電路設(shè)計指導(dǎo)教師：張光烈職稱:2013年7月4日1、設(shè)計題目：音頻功率放大電路2、設(shè)計任務(wù)目的與要求：要求：設(shè)計并制作用晶體管和集成運(yùn)算放大器組成的音頻功率放大電路，負(fù)載為揚(yáng)聲器，阻抗8。指標(biāo)：頻帶寬50HZ～20kHZ，輸出波形基本不失真；電路輸出功率大于8W；輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K。模電這門課程主要講了二極管，三極管，幾種放大電路，信號運(yùn)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(fù)載RL（揚(yáng)聲器）提供一定的輸出頻率。當(dāng)負(fù)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(yùn)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(shè)計的是一個OTL功率放大器，該放大器采用復(fù)合管無輸出耦合電容，并采用單電源供電。主要涉及了放大器的偏置電路克服交越失真，復(fù)合管的基本組合提高電路功率，交直流反饋電路，對稱電路，并用multism軟件對OTL功率放大器進(jìn)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(jìn)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。3、整體電路設(shè)計：⑴方案比較：①利用運(yùn)放芯片LM1875和各元器件組成音頻功率放大電路，有保護(hù)電路，電源分別接+30v和-30v并且電源功率至少要50w，輸出功率30w。②利用運(yùn)放芯片TDA2030和各元器件組成音頻功率放大電路，有保護(hù)電路，電源只需接+19v，另一端接地，負(fù)載是阻抗為8的揚(yáng)聲器，輸出功率大于8w。通過比較，方案①的輸出功率有30w，但其輸入要求比較苛刻，添加了實驗難度。而方案②的要求不高，并能滿足設(shè)計要求，所以選取方案②來進(jìn)行設(shè)計。⑵整體電路框圖：TDA2030TDA2030元器件和電源元器件和接地信號輸入三極管信號輸出⑶單元電路設(shè)計及元器件選擇：①單元電路設(shè)計：功率放大器按輸出級靜態(tài)工作點(diǎn)的位置可分為甲類、乙類和甲乙類三種；若按照輸出級與負(fù)載的耦合方式，甲乙類又可分為電容耦合（OTL耦合）、直接耦合（OCL電路）和變壓器耦合三種。變壓器耦合容易實現(xiàn)阻抗匹配，但體積大，較笨重。又OCL電路電源輸入要求較高，所以采用OTL電路。采用單電源的OTL電路不需要變壓器中間抽頭，但需要在輸出端接上大電容，且低頻特性不如OCL好。根據(jù)“虛短”、“虛斷”的原理，利用電阻的比值，可求得電路所需的放大倍數(shù)，其中可加入一個電位器替代反饋電阻，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)電路放大倍數(shù)的調(diào)整。因為功率放大電路是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率，可以采取OTL電路來實現(xiàn)。為了提高轉(zhuǎn)換功率，我們要對電路進(jìn)行改善，這主要圍繞功率放大電路頻率響應(yīng)的改善和消除非線性失真來改進(jìn)電路，因此要用到若干個電阻電容來保護(hù)電路。OTL電路會產(chǎn)生交越失真，為了消除這種失真，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路中的兩只放大管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通的狀態(tài)，這可以通過加入兩個二極管來實現(xiàn)，因為二極管具有單向?qū)щ娦浴；蛘邔蓚€有一定對稱性的NPN和PNP三極管的基極分別和TDA2030的兩個電源輸入端相連。最后在輸出端，還要加一個大電容來保證電路的低頻性良好。在接有感性負(fù)載揚(yáng)聲器時還要加入一個電阻和一個電容來減少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性。②元器件選擇：如下面的系統(tǒng)原理圖所示，C2為輸入耦合電容，應(yīng)選取較小的電解電容；R1、R２、R3和C7的作用是組成運(yùn)放TDA2030的輸入偏置電路，取R1=R2=R3，可計算得TDA2030正向輸入端的電壓為0.5VCC，而電容C7的作用是可以穩(wěn)定這個電位。另外，R3是為了防止輸入信號被C7短接到地而設(shè)的。C6是高頻退耦電容，應(yīng)選用較小的陶瓷電容或獨(dú)石電容；C3是濾波電容，應(yīng)選用較大的電解電容。C4、R4、和R11構(gòu)成交流負(fù)反饋，控制交流增益，對于音頻信號，可以近似地認(rèn)為C4短路，所以功放的增益為1<<1+R11（有效部分）/R4<<1+100/3.3=31.3。對于直流信號，可認(rèn)為C4斷路，所有輸出信號反饋到反向輸入端，所以直流增益為1。取R6=R8和C8可起著保證TIP31和TIP32的基極電壓相等，從而減少了推挽電路的交越失真。而R7和C5可以濾除TDA2030輸出的高頻信號。二極管D1、D2保護(hù)運(yùn)放免受揚(yáng)聲器的感應(yīng)電壓而造成損害。電容C1是輸出耦合電容，能夠改善電路的低頻特性，要用容值較大的電解電容。C9和R10能對揚(yáng)聲器的相位進(jìn)行補(bǔ)償，能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性。運(yùn)放TDA2030內(nèi)含各種保護(hù)電路，需要外接元件非常少，且電路的頻帶寬較寬，并能在最低±6V最高±22V的電壓下工作。另外，它輸出功率較大，在±19V、8Ω阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD≤0.1%，所以選用TDA2030能夠?qū)崿F(xiàn)電路的要求。而TIP31C和TIP32C是一對互補(bǔ)性較好的NPN和PNP三極管，集電極和發(fā)射極之間所承受的電壓也可以高達(dá)100V，集電極的電流為3A左右，每只管的功耗也只有40W左右而已，所以用它們來搭建OTL電路比較合適。實驗原理用高通濾波器和低通濾波器將信號分成高頻，低頻兩個部分，進(jìn)入不同的電路中。選用有源二階濾波器電路調(diào)節(jié)高低音。在此基礎(chǔ)上通過調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值，改變電路增益，來達(dá)到達(dá)到高低音調(diào)節(jié)的目的。為了降低電源電壓要求，選用OTL電路。為了消除交越失真，在兩個互補(bǔ)對稱管基極之間連接一個二極管和變阻器，以提供偏置電壓。由于OTL電路是電流放大電路，因此需在前面加上一個前置放大，用于電壓放大，以帶動OTL電路。穩(wěn)定兩個互補(bǔ)對稱管射極電壓在左右，使電路能夠正常工作。電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計電路圖電路結(jié)構(gòu)圖如下：功率放大隔離級音調(diào)調(diào)節(jié)輸入級輸入信號功率放大隔離級音調(diào)調(diào)節(jié)輸入級輸入信號設(shè)計電路如下：系統(tǒng)的電路總圖：元件清單如下：標(biāo)號型號大小封裝形式數(shù)量R7RJ141AXIAL0.41R6、R8RJ141.5AXIAL0.42R10RJ1422AXIAL0.41R4RJ143.3kAXIAL0.41R1、R2、R3RJ14100kAXIAL0.43R11B100K100k—1C125V-2200uf2.2mf—1C325V-100uf100uf—1C4、C750V-10uf10uf—2C250V-2.2uf2.2uf—1C5、C8224220nf—2C6、C9104100nf—21n4001——DO-352TIP31C——TO-2201TIP32C——TO-2201TDA2030——PENTAWATT1總計———23電路調(diào)試過程與結(jié)果:①測試頻帶寬：調(diào)節(jié)電位器R11的阻值，經(jīng)過測試可得其中一個電路的下限截止頻率為fL=6.41Hz，上限截止頻率為fH=127.481kHz。當(dāng)然在50HZ～20kHZ頻率范圍內(nèi)電路輸出不失真，這滿足條件“頻帶寬50HZ～20kHZ，輸出波形基本不失真”的要求。在實驗室里也經(jīng)過測量，顯示可以在50HZ～20kHZ頻率范圍內(nèi)電路輸出不失真。②測量輸出電壓放大倍數(shù):測試條件：直流電源電壓19v，輸入信號峰峰值為100mv，輸入頻率為1KHz，電位器R11的有效阻值為66k，負(fù)載電阻8。輸入和輸出的波形如下圖所示：輸出電壓峰峰值為：Uo=Ui*【1+R11(有效部分)/R4】放大倍數(shù)：Ao=1+R11（有效部分）/R4=1+66/3.3=21仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)比較：Ui（峰峰值）Uo（峰峰值）（仿真）Uo（峰峰值）（實測）100mv2.1v2.0v400mv8.4v8.3v由上表可知，實際上輸出電壓放大倍數(shù)：Au≠21誤差分析：因為元件的實際數(shù)據(jù)大小與理論的大小存在差異,譬如金屬膜電阻的阻值誤差為1%或5%，電容的容值誤差也有5%～20%。實際上1n4001、TIP31、TIP32等元器件跟仿真軟件所表現(xiàn)出來的特性不是完全一樣的。同時，音頻集成放大芯片發(fā)熱量比較大，比較容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，從而也導(dǎo)致了一定的誤差。另外，在實測中讀數(shù)時會產(chǎn)生誤差。③測量最大不失真功率：根據(jù)理論可得最大不失真功率為,Uo為輸出電壓峰峰值。經(jīng)過測試，在19V的直流電源，8負(fù)載作用下，調(diào)節(jié)電位器R11，使其允許的最大不失真輸入信號為Ui=600mv,其最大不失真功率為:Po=8.4w>8w。也滿足“電路輸出功率大于8W”條件。④測量輸入靈敏度為100mV時的輸入阻抗：在信號輸入端接上兩個萬用表，分別測量輸入端的電壓和電流，得Ui≈70.71mV，Ii≈716.48nA，所以輸入阻抗為Ri=Ui/Ii=98.69K>>47K，明顯也滿足“輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K”的條件。3參數(shù)分析與計算3.1音調(diào)調(diào)節(jié)電路集成運(yùn)放選用LM32420Hz到20kHz中間頻率低通濾波器截止頻率

根據(jù)公式選取R=10k，C=0.001。同理計算高通濾波器取R=68k，C=0.001。R1和是音調(diào)幅度調(diào)節(jié)，取R1=10k,Rf為50k的滑動變阻器。3.2功率放大電路3.2.1工作電壓根據(jù)最大不失真平均功率公式設(shè)計功率3W，負(fù)載電阻8，可算得Vom(max)=7V因為otl電路充其量只能達(dá)到，為了保證波形不失真，電源適當(dāng)取大，我們?nèi)‰娫?8V。3.2.2其他元件參數(shù)i.靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置及三極管選擇。根據(jù)其參數(shù)范圍，T1管選2SC2655,T2管選2SA1020。T3管為前置放大，選取低噪的9014.為了達(dá)到設(shè)計要求，T3管的靜態(tài)工作點(diǎn)。所以設(shè)計靜態(tài)工作點(diǎn)=8V，Ic=15mA。為了使電路正常工作，K點(diǎn)電位應(yīng)達(dá)到。Ii電阻選擇為了方便調(diào)節(jié)，R1取3.3k，R2取100k電位器。Rc3取360,R3取1k可調(diào)電阻。Iii電容及其他C1,Ce為耦合電容和旁路電容，為了提高低頻響均取1000；C3為提拉電阻，取100。C2充當(dāng)負(fù)電源應(yīng)滿足所以C2選取4.7mFD1取IN4001，R4和D1作用調(diào)節(jié)以消除交越失真，R4取2k電位器。4仿真與調(diào)試4.1音頻調(diào)節(jié)電路頻率特性曲線4.2音頻放大電路輸入三角波輸入正弦波輸入方波5設(shè)計體會及收獲這個學(xué)期我們開設(shè)了《模擬電路》這么課程，這門課程屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)有莫大的聯(lián)系，給予我們以理論上的指導(dǎo)。“紙上學(xué)來終覺淺，絕知此事要躬行”，在模電點(diǎn)課程一結(jié)束之后，緊接著就有了一場讓我們學(xué)以致用，講課上所學(xué)應(yīng)用在實踐中的課程設(shè)計。這次的課程設(shè)計是很及時的，因為我們學(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的，因此本次課程設(shè)計給予了我們一次機(jī)會來鞏固理論，來更深刻地認(rèn)識模擬電路。初次接受音頻放大器這個課程設(shè)計的時候，首先面臨的難題就是從理論上來構(gòu)建音頻放大器的雛形。首先想到的就是從書本上開始尋找各個部分的相應(yīng)的電路圖，終于在幾天的研究之后將各個部分都一一找全。緊接著就是參數(shù)的計算問題，在于同組的其他成員一同奮戰(zhàn)之后，參數(shù)最終確定下來。之后就是在計算機(jī)上進(jìn)行仿真，可是幾次的仿真之后都會出現(xiàn)較大的誤差，重新計算了參數(shù)之后，方針終于可以成功地達(dá)到要求。經(jīng)過這次課程設(shè)計，讓我真的學(xué)到了很多，不僅體會到了團(tuán)隊合作的魅力，也對于自己的動手能力進(jìn)一步提高了，更加深了對于理論知識的理解，同時也懂得了只要付出汗水，總會得到回報。同時，作品所用元器件較少，電源輸入要求較低，頻帶寬6.41HZ～127.481kHZ，輸出波形基本不失真，電路輸出功率大于8W，輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗高于47K，能夠基本實現(xiàn)設(shè)計的任務(wù)要求；電路中有TDA2030的保護(hù)電路，另外在輸出部分能對揚(yáng)聲器的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性，作品用了TIP31C和TIP32C組成的推挽放大電路，能夠較少TDA2030的功耗，使TDA2030的發(fā)熱量減少；電位器R11能夠?qū)崿F(xiàn)電路增益的調(diào)整。缺點(diǎn)有：①功率不是很高，最大輸出功率只有8.4W；②TIP31C和TIP32C的功耗都比較大，集電極電流輸出不是很大；③2.2mf的電解電容存在電感，電路的低頻特性