基于音頻功率放大器的課程設(shè)計(jì)

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：音頻功率放大器專有學(xué)生姓名:學(xué)號(hào):起迄日期:2023年10月28日-2023年12月20日指導(dǎo)教師:《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書1．課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求〔包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等〕：一、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容題目：音頻功率放大器要求：輸出功率>2W，電源電壓為DC±5~18V。注：可以采用TDA1521、TDA1514A、TDA2030A、LM1875、D類音頻放大器等集成電路芯片制作。二、課程設(shè)計(jì)要求綜合運(yùn)用已學(xué)習(xí)過模擬電路和數(shù)字電路等知識(shí)，閱讀相關(guān)集成電路芯片資料和相關(guān)文獻(xiàn)，了解電子電路設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)，方法和特點(diǎn)，掌握根本的電子電路設(shè)計(jì)和芯片使用方法。一人一題，所有學(xué)生需要提交實(shí)物，實(shí)物調(diào)試沒有成功者，不能及格。指導(dǎo)教師需保存實(shí)物，等抽查后，再返還給學(xué)生。課程設(shè)計(jì)必須自己獨(dú)立完成，不得從網(wǎng)上下載，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)該課程成績記零分。設(shè)計(jì)報(bào)告不超過6頁紙，雙面打印。課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書〔報(bào)告〕應(yīng)包括有：①電路工作原理分析②電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算③電路調(diào)試說明④電原理圖和PCB圖〔必須自己畫〕⑤元器件裝配圖〔必須自己畫〕⑥元器件清單⑦自己的收獲和體會(huì)⑧要求字?jǐn)?shù)不得少于3500字⑨要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用Protel等軟件繪制電原理圖〔SCH〕、元器件布局圖和印制電路板(PCB)。所有的文檔和表格必須采用Word形式。同類型的設(shè)計(jì)題可以組成一個(gè)設(shè)計(jì)組，組員之間可以開展研究與討論。雷同者均計(jì)0分。閱讀有關(guān)芯片英文參考資料，理解資料內(nèi)容。英文資料中的曲線、參數(shù)、方框圖、引腳端封裝等圖〔不包括電原理圖和PCB圖〕可以直接采用〔pdf文檔中的圖可放大300倍后裁剪到Word文檔中〕，圖中的英文可以采用英文〔中文〕方式翻譯在圖下。英文資料中的一些詞，如果翻譯拿不準(zhǔn)，可以采用英文〔中文〕方式標(biāo)注。課程設(shè)計(jì)結(jié)束，需要交制作的作品、文字稿和電子稿，采用Word文檔形式。成績?cè)u(píng)定：①按ABCDE分檔，其中：優(yōu)秀為A，良好為B，中等為C，及格為D，不及格為E。②課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書占60%，實(shí)物制作占40%。

2．對(duì)課程設(shè)計(jì)成果的要求〔包括圖表〔或?qū)嵨铩车扔布蟆常涸O(shè)計(jì)電路，安裝調(diào)試或仿真，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并寫出設(shè)計(jì)說明書,語言流暢簡潔，文字不得少于3500字。要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用Protel軟件繪出原理圖〔SCH〕和印制電路板(PCB),器件的選擇要有計(jì)算依據(jù)。3．主要參考文獻(xiàn)：要求按國標(biāo)GB7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)那么》書寫。黃智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽技能訓(xùn)練[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007黃智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽制作實(shí)訓(xùn)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007黃智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006黃智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006黃智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽常用電路模塊制作[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2023黃智偉等.基于NImultisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007黃智偉.印制電路板〔PCB〕設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)踐[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2023高桔祥等.電子技術(shù)根底實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002吳運(yùn)昌.模擬集成電路原理與應(yīng)用[M]．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001年譚博學(xué)等.集成電路原理及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003魏立軍.CMOS4000系列60種常用集成電路的應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，1993楊寶清.實(shí)用電路手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2002陳有卿.報(bào)警集成電路和報(bào)警器制作實(shí)例[M]．人民郵電出版社1996肖景和.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M]．人民郵電出版社.2003目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1．要求與設(shè)計(jì)說明及方案1.1設(shè)計(jì)要求1.2原理圖設(shè)計(jì)說明及方案確定與比擬2.元器件的作用和調(diào)試仿真分析2.1電路元器件的作用2.2調(diào)試結(jié)果和仿真分析3.心得體會(huì)4.參考文獻(xiàn)5.附錄1.1設(shè)計(jì)要求頻帶寬20Hz-100KZ，輸出波形根本不失真；電路輸出功率大于2W；輸入阻抗8。電源電壓為DC±5~18V。1.2原理圖設(shè)計(jì)說明及方案確定與比擬功率放大電路：功率放大電路通常作為多級(jí)放大電路的輸出級(jí)。功率放大器的常見電路形式有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)的不斷開展,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VMOS管的出現(xiàn),也給功率放大器的開展帶來了新的生機(jī)。總之，功率放大器的主要任務(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,它是將電源供應(yīng)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題十分突出,因此,輸出信號(hào)不可防止地會(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.2.2方案比擬與確定方案一．用分立元件實(shí)現(xiàn)分立元件是電子電路的根底元件，一直以來都是在它的根底之上分析和設(shè)計(jì)電路的。但是隨著科技的開展，近年來出現(xiàn)了各式各樣的集成器件，使分立元件的主體地位逐漸被集成元件所取代。雖然如此，不過在一些小型的電子電路中，它的優(yōu)勢(shì)依然不減?？偟膩碚f，分立元件，散熱快，價(jià)格廉價(jià)，在設(shè)計(jì)中自由性也比擬大。方案二.用集成器件實(shí)現(xiàn)集成功率放大器是在集成運(yùn)算放大電路的根底之上開展起來的，其內(nèi)部的電路和原理與集成運(yùn)算放大電路根本類似。但是它又和集成運(yùn)放有很大的不同，這在于它的平安性，高效性，低失真上優(yōu)于集成運(yùn)放，并且輸出功率大。電路內(nèi)部多施加深度負(fù)反應(yīng)。集成功率放大器廣泛應(yīng)用于各種各樣的電器中，輸出功率由幾百毫瓦到幾十瓦。除了單片集成功放電路外，還有集成功率驅(qū)動(dòng)器，它與外配的大功率管及少量阻容元件構(gòu)成大功率放大電路，有的集成電路本身包含兩個(gè)功率放大器，稱為雙聲道功放。集成功率放大器不僅具有體積小，重量輕，本錢低，外圍元件少，安裝調(diào)試簡單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)；而且在性能上也優(yōu)于分立元件，例如溫度穩(wěn)定性好，功耗小，失真小，特別是集成功率放大器內(nèi)部還設(shè)置有過熱，過電流，過電壓等自動(dòng)保護(hù)功能的電路對(duì)電路自行進(jìn)行保護(hù)。通過比擬，由于使用分立元件所用的單個(gè)器件比擬多，從而考慮的各種反應(yīng)電路和保護(hù)電路會(huì)比擬多，實(shí)現(xiàn)起來會(huì)相對(duì)復(fù)雜；另外，集成器件在很多方面明顯優(yōu)于分立元件。所以我們運(yùn)用集成芯片TDA2030完成音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)，能夠更好地到達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。TDA2030簡介：TDA2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，音頻功率放大器用集成功放TDA2030為主的電路，其制作簡單，價(jià)格低廉，輸出功率大，保真性好，適合初學(xué)者和大學(xué)生。它是德律風(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)。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。TDA2030功率放大器采用晶體三極管的電流放大作用將電源的輸入功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的放大電流。聲音可以看做不同振幅和不同頻率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，基于這個(gè)原理，假設(shè)將小信號(hào)注入基極，那么集電極的電流等于基極電流的β倍，接著將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來，就可以得到電流是原先的β倍的放大信號(hào)，這就是晶體三極管的放大作用。經(jīng)過接連不斷的電流放大，就可以實(shí)現(xiàn)功率的放大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已生產(chǎn)成的各種單片功率集成電路中，輸出功率最大的不過20W，但是TDA2030的輸出功率卻可以到達(dá)18W，倘假設(shè)把兩塊集成電路組成BTL電路，那么輸出功率可以到達(dá)35W。另外，大功率集成電路由于所需的電源電壓很高，輸出的電流很大，在使用過程中如果不小心很可能使它燒壞，不過在TDA2030集成電路中，內(nèi)部設(shè)計(jì)了較為完善的自我保護(hù)電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成電路能自動(dòng)地減流或截止，使自己得到保護(hù)。電路特點(diǎn)：[1].外接元件非常少。[2].輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。[3].采用超小型封裝〔TO-220〕,可提高組裝密度。[4].開機(jī)沖擊極小。[5].內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作平安可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線偶然開路、電源極性反接〔Vsmax=12V〕以及負(fù)載泄放電壓反沖等。[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Ω阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，THD≤0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大局部或小型功放再適宜不過了。引腳情況：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。TDA2030示意圖：2．元器件的作用和調(diào)試仿真分析總的電路圖2.1電路元器件的作用由于電源本身不是完全直流，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)行紋波，選用C3和C5可有效濾掉電源的紋波。輸入端2.2uF電容是輸入耦合電容，作用是隔離音源前級(jí)過來的直流，通過音源過來的音頻信號(hào)〔交流〕。這個(gè)電容的容量是根據(jù)級(jí)間的阻抗估算的，如級(jí)間阻抗為R，阻容等效網(wǎng)絡(luò)的截至頻率為1/(2*3.14*R*C)，電容取值要讓這個(gè)頻率小于20Hz，比方說你的功放輸入阻抗為47K，那這個(gè)電容可以取1~2.2uF。2個(gè)4001是防止輸出電平過載燒毀芯片。電容C6是輸出耦合電頻，作用是隔離直流防止燒毀喇叭。雙電源不需要因?yàn)樗荗CL〔無輸出端耦合電容〕電路。那兩個(gè)電容是去耦電容，抗干擾的。消振移相網(wǎng)絡(luò)，防止功放產(chǎn)生自激。喇叭是感性元件，與其并聯(lián)后能更接近阻性。分壓電路，能保持電路正常工作，因?yàn)?腳和2腳電壓必須一樣且都為電源電壓的一半，即VCC/2。2個(gè)100K電阻〔最上面的和最下面的〕實(shí)際上是電阻分壓電路，正好分壓VCC的一半，再經(jīng)過中間一個(gè)100k電阻到1腳，使1腳電壓在正常工作電壓VCC/2。兩個(gè)二極管可在電流過大的時(shí)候保護(hù)電路。由于輸出端接的是喇叭，為感性，為防止其發(fā)生自己震蕩，同時(shí)更好的濾波，保證輸出信號(hào)更好，在輸出端接上一個(gè)電容2200和一個(gè)電阻1串聯(lián)接地。2.2調(diào)試結(jié)果和仿真分析〔1〕測(cè)試工具：信號(hào)發(fā)生器，示波器，數(shù)字萬用表〔2〕測(cè)試數(shù)據(jù)：輸出電壓：Uo=Ui*〔1+R2/R6〕輸出功率：Po=Uo2/Ro放大倍數(shù)：Au=1+R2/R6≈19.9測(cè)試條件：直流電源電壓15v，輸入信號(hào)300mv，輸入頻率1KHz，負(fù)載電阻8。理論數(shù)據(jù)：由上表可以求得輸出電壓放大倍數(shù)：Au≈19.9UiUoPo300mv5.97v4.46w600mv12v18w實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：由上表可以求得輸出電壓放大倍數(shù)：Au>19.9UiUoPo300mv6v4.5w600mv11.9v17.8w〔3〕誤差分析：從波形圖中可以看出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在誤差，電壓放大倍數(shù)不是理論上的20倍，而是有所偏大。因?yàn)殡娐钒宓脑碓O(shè)計(jì)不是很合理，元件的數(shù)值與理論有一定的差距，元件相互之間的影響，還有集成功放芯片會(huì)發(fā)熱，周圍環(huán)境溫度對(duì)它會(huì)產(chǎn)生影響，從而也導(dǎo)致了一定的誤差。〔4〕波形圖：運(yùn)用Multisim仿真就得到了仿真的波形：在下列圖中，波形小的為輸入波形Ui，輸入端為B端；大的為輸出波形Uo，輸入端為A端。〔5〕噪聲分析：是電路的自激現(xiàn)象，還有電阻的選擇有點(diǎn)偏大或偏小，電路的功能不全，應(yīng)加前置和濾波局部。由圖形可以看出在一定的范圍內(nèi)信號(hào)得到了放大，到達(dá)了實(shí)際的效果，根本上完成了任務(wù)的要求。3.心得體會(huì)計(jì)期間我發(fā)現(xiàn)了很多問題，經(jīng)過反復(fù)思考與分析，發(fā)現(xiàn)原來許多理論的功率放大器原理圖都與實(shí)踐有很大的區(qū)別，我耐心的一個(gè)個(gè)對(duì)原理圖進(jìn)行分析，最后我們確定了自己的合理的原理圖，進(jìn)行了分析和元件參數(shù)的一定程度的修改。之后我們又對(duì)電路圖進(jìn)行了仿真。在仿真軟件Multisim中，首先，我們第一步是繪制功率放大器的原理圖，接著設(shè)置元件的各種參數(shù)，最后就要應(yīng)用Multisim的仿真功能觀察了電路靜態(tài)工作點(diǎn)、交流分析等各種仿真分析，得出了相應(yīng)的仿真圖形。在此期間，我又根據(jù)仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的比照，對(duì)電路元件參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的修改，最后得到了比擬理想、比擬接近實(shí)際的仿真結(jié)果。也最后確定了實(shí)際功率放大器的元件參數(shù)。緊接著我們就購置了所需的電路元件，開始了我們的實(shí)物洗板階段通過這短暫幾天的學(xué)習(xí)，讓我體會(huì)到想要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)實(shí)用的電子設(shè)備要經(jīng)過很長時(shí)間的設(shè)計(jì)與改造，因?yàn)閷?shí)際與理論又很大的區(qū)別。另外仿真軟件的方針效果也很重要，對(duì)實(shí)物的焊接又很大的影響。有了較好的仿真將使焊接工作變得方便、簡捷。仿真軟件Multisim確實(shí)是非常實(shí)用的軟件。元件的連接使用自動(dòng)化的畫線工具，對(duì)所繪制的原理圖進(jìn)行快速檢查。所有這一切將使設(shè)計(jì)工作變得方便、簡捷。在我們學(xué)習(xí)的過程中不僅考驗(yàn)了我們對(duì)知識(shí)的吸收和掌握，而且也考驗(yàn)了我們的細(xì)心和耐心。提到細(xì)心和耐心，我深有體會(huì)。在畫完電路圖后，出了很在我們學(xué)習(xí)的過程中不僅考驗(yàn)了我們對(duì)知識(shí)的吸收和掌握，而且也考驗(yàn)了我們的細(xì)心和耐心。特別是在仿真過程中對(duì)參數(shù)的改良和電路圖的查找過程中，我深有體會(huì)。我認(rèn)為這次實(shí)習(xí)不僅僅學(xué)習(xí)了軟件知識(shí)，還提高了我們專業(yè)素質(zhì)。完成這次