音频功率放大器的设计 毕业设计.doc

信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 音频功率放大器的设计 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电 08-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二一年十二月十日 i 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪论 2 第 2 章 方案设计 4 2.1 方案选择 4 2.1.1 功放类型的选择 4 2.1.2 实现电路的选择 5 2.2 方案论证 6 第 3 章 单元模块设计 7 3.1 前置放大模块设计 7 3.1.1 集成运放 7 3.1.2 lm324 简介.7 3.1.3 输入放大电路 8 3.1.4 音调控制电路 9 3.2 音量控制模块 .11 3.3 功放模块 .12 3.3.1 tda2030 简介12 3.3.2 tda2030 应用电路13 3.3.3 级间耦合电容的选择 .15 3.4 电源模块 .15 3.4.1 电源电路的系统结构 .15 3.4.2 电源电路 .16 第 4 章 电路仿真 .19 ii 第 5 章 实物制作与调试 .21 5.1 印制电路板的制作 .21 5.2 元器件的安放顺序 .22 5.3 焊接 .22 5.3.1 焊接的工艺要求 .22 5.3.2 焊接的操作 .22 5.4 实物 .23 5.5 单元电路调试 .23 5.5.1 前置放大级的调试 .23 5.5.2 音调控制级的测试 .24 5.5.3 功放级的调试 .24 5.6 整机调试 .25 5.6.1 级联调试 .25 5.6.2 电压放大倍数的测量 .25 总 结 .27 致 谢 .28 参考文献 .29 附录 1 音频功率放大器电路原理图30 附录 2 元件明细表31 第 1 页 共 32 页 摘 要 在现代音频普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同， 对相同电气指标的音频设备得出不同的评价。所以，就高效率音频功率放大器而言， 应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。音频放大器的发展已经有快要一个 世纪的历史了，从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在 为止，它还在不断的更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重 要一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断的加以 改进。 音频功率放大器是音频系统中最重要的组成部分，它的作用是对各种音源设备送 来的微弱音频信号进行放大，并进行控制、加工和处理,使其达到一定的功率，去推动 扬声器音箱发出声音。而音频功率放大器一般由前置放大器、推动级、功率输出级组 成，也简称功放。在设计中采用了 tda2030 功放芯片，使电路的可靠性提高。本文介 绍了家用功放的基本结构及工作原理，设计了一款具有音调控制，适用于家用的简易 音频放大器，并介绍了主要性能参数的测试方法。 关键词关键词 低音控制；高音控制；音频功率放大器 第 2 页 共 32 页 第 1 章 绪论 音频放大器也叫功率放大器，其作用是把来自音源或前级放大器的弱信号放大， 产生足够大的电流驱动扬声器发声。 早在 60 年代以前，电子管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用 a 类 (甲类)或 ab 类(甲乙类)，并由变压器与负载偶合。这一趋势，随着半导体技术的发展， 可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。随后，使用锗器件的设计首 先出现，但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难，热逃逸这个词 由此诞生。之后硅材料的 npn 型半导体管出现，在一段时期里，绝大多数功率放大器 采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖于输入和输出变压器进行偶合。显 然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，再加上其低频和高频相移，严重地限 制了可安全使用的负反馈量，从而增加了其伤害性。 后来，人们已认识到在功率晶体管和 8 扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变 压器了。于是出现了无变压器的 lin 氏电路组合，从而构成了准互补输出级。因为当 时已有相当不错的 pnp 激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成 npn 型管，合适的互补功率器件，出现在 60 年代后期。这时，全互补输出级立刻证明了它 比准互补电路具有失真较小的优点。大约在同一时期由于晶体管差放对已成为人们 熟悉的电路单元，直流偶合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。 根据现在人们消费和生活质量的提高，对音频功率放大器的要求也相对有了更高 的基准，一个新型高效率音频功率放大器可以带来很高的效益，所以有很多的企业投 入到了对高效率音频功率放大器的设计中。下面是一个有关 d 类放大器的高效率音频 功率放大器。 功放的主要性能指标有输出功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻抗，阻尼 系数等。 输出功率：是指输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大 输出功率。 第 3 页 共 32 页 峰值功率：是指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最大 音乐功率。 额定输出功率：当谐波失真度为 10%时的平均输出功率。也称做最大有用功率。 频率响应：表示功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与 否一般用分贝“db”表示。家用 hi-fi 功放的频响一般为 20hz20khz 正负 1db。这个 范围越宽越好。 失真度：理想的功放应该是把输入的信号放大后，毫无改变的忠实还原出来。但 是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较，往往产生了不同程度的畸变， 这个畸变就是失真。用百分比表示，其数值越小越好。hi-fi 功放的总失真在 0.03%0.05%之间。功放的失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、瞬态 失真、瞬态互调失真等。 信噪比：是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比，用“db”表示，这个数 值越大越好。一般家用 hi-fi 功放的信噪比在 60db 以上。 输出阻抗：对扬声器所呈现的等效内阻。 第 4 页 共 32 页 第 2 章 方案设计 按信号处理方式分类，音频放大器可以分为模拟功放和数字功放。本设计提供了 基于 d 类数字功放和模拟功放 tda2030 实现的两种方案。 2.1 方案选择 2.1.1 功放类型的选择 方案一：采用 a 类、b 类、ab 类功率放大器。这几种放大电路的共同特点是晶体 管都工作在线性放大区中，它按输入音频信号的大小控制着输出信号，但自身也在消 耗电能。a 类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主，通常需 要偏置电压才能工作，能量转换效率很低，输出功率一般较小并且理论效率只有 50%， 所以不行。b 类功率放大器虽然不需要偏置电压，靠信号本身来导通放大管，理论效率 可达 78.5%，但电路在小信号时失真严重。通常，在电路中略加一点偏置形成 ab 类功 率放大器，虽然效率略有下降，但保真度高、小信号时失真减弱。 方案二：采用 d 类功率放大器。d 类功率放大器基本构成框图如 2-1 所示，它是用 音频信号的幅度调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过 lc 低通 滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率（理论上为 100%，实际电路可以达到 80%95%） ，但 d 类功放也有不足之处，就是保真度低、输出 音质较差，所以一般应用于手持式设备（如手机、pda 等） 。 图 2-1 d 类音频功率放大器基本构成图 第 5 页 共 32 页 以上两个方案中，d 类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低 emi、 具备多种工作模式等特点，但保真度不及传统功放。传统的模拟音频功放保真度高， 但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备。本设计选用第一种方案，以性价比较 高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放 tda2030 为核心设 计相关硬件。 2.1.2 实现电路的选择 首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然 后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前逐级计算。基于模拟功放 tda2030 的音频放大器如图 2-2 所示，主要由电源模块、前置放大模块、音量控制模块及功率 放大模块和扬声器组成。 音 频 信 号 前 置 发 大 模 块 音 量 控 制 模 块 功 率 放 大 模 块 扬 声 器 电 源 模 块 图 2-2 基本组成框图 各部分的基本功能如下： 1.前置放大模块 前置放大模块是把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。它具有两个 功能：一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制， 以美化声音。其基本组成由音源选择、输入放大和音质控制等电路。 2.音量控制模块 音量控制模块是将前置放大后的信号通过电位器来控制 tda2030a 芯片的输入信号 的大小，用来控制整个音量的大小。 第 6 页 共 32 页 3.功率放大模块 给音频放大器的负载 rl(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出 功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。 2.2 方案论证 根据方案规划及任务指标设计基本组成框图，如图 2-3 所示。 左 音 频 输 入 前 置 放 大 模 块 音 量 控 制 模 块 功 率 放 大 模 块 右 音 频 输 入 前 置 放 大 模 块 音 量 控 制 模 块 功 率 放 大 模 块 扬 声 器 扬 声 器 电 源 模 块 图 2-3 音频放大器的基本组成框图 首先电源模块经整流滤波后，为前置放大器 lm324 和功率放大器 tda2030 提供 12v 的双电源，将音频信号分别输入到左右输入端，信号经前置放大器对电压和电流 进行放大，同时对信号进行高低音的提升或衰减控制，输出信号经音量控制电位器对 功率放大器的输入信号进行大小调节，最后信号经功率放大器输出后幅度为 4v 的音频 信号，驱动扬声器工作。 第 7 页 共 32 页 第 3 章 单元模块设计 3.1 前置放大模块设计 前置放大模块基本组成是有输入放大和音质控制等电路。其作用一是要选择所需 要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。这里的 前置电路是由集成运放和外围元件组成的。 3.1.1 集成运放 集成运放的应用十分广泛，包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性 和非线性的处理。集成运放的种类很多，而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集 成的运放的个数不同，有单片集成电路集成四个运放的，如 lm324、tlc27m4、upc324c、lf347n、lm2902n 等，也有单片集成电路集成一个运放的， 如 ua741、ua709、lm301、lm308、td07、lf356、op07、op37、max427 等。 集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路，例如比例、加减、 积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。由于放大电路只限于放大音频输入信号， 且放大倍数也不高，因此采用单片集成电路集成四个运放的 lm324 较为合适。 3.1.2 lm324 简介 lm324 为四运放集成电路，采用 14 脚双列直插塑料封装，其引脚图和实物图如图 3-1 和引脚功能如表 3-1 所示。 a) 引脚图 b) 实物图 图 3-1 lm324 的引脚图和实物图 第 8 页 共 32 页 表 3-1 lm324 引脚功能表 引脚功能引脚功能 1输出 18输出 3 2反向输入 19反向输入 3 3正向输入 110正向输入 3 4电源11接地 5正向输入 212正向输入 4 6反向输入 213反向输入 4 7输出 214输出 4 lm324 内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324 工作电压 范围宽，可用正电源 330v，或正负双电源1.5v15v 工作。它的输入电压可低 到地电位，而输出电压范围为 ovcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示， 它有 5 个引出脚，其中“+” 、 “-”为两个信号输入端， “v+” 、 “v-”为正、负电源端， “vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 vo 的 信号与该输入端的相位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 vo 的信号与该 输入端的相位相同。lm124、lm224 和 lm324 引脚功能及内部电路完全一致。lm124 是 军品，lm224 为工业品，而 lm324 为民品。由于 lm324 四运放电路具有电源电压范围宽， 静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路 中。 3.1.3 输入放大电路 1.电路原理图 前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。本文中采用集成运放并采 用双电源供电，电路原理图如图 3-2 所示。 2.参数计算与元件选择 放大器电压放大倍数 av 仅由外接电阻 r12、r11 决定：av=- r11/r12。负号表示 输出信号与输入信号相位相反。按图 3-2 中所给数值，av=-2。此电路输入电阻为 r12。一般情况下先取 r12 与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定 r11 第 9 页 共 32 页 。c16 和 c12 为级间耦合电容。集成运放交流放大器只放大交流信号，输出信号受运放 本身的失调影响较小，因此不需要调零。没有必要加接调零电路。 1k r13 100k r11 10k r12 4.7uf c12 12v -12v 3 2 1 411 a lm324 4.7uf c16 ui uo 图 3-2 同相输入放大电路 元件的选择：r12 取 10k，由 av=-r11/r12 可知 r11 取 100k，r13 为平衡电阻， 根据平衡电阻的概念，r13=r12/r11=1k 的电阻，c16 一般取几微法，本文中取 4.7f/25v 的电解电容。 综上所述,四个前置放大器都用运放来完成，因此可用一个单片集成电路集成四个 运放的集成运放，这类型的常用四运放也很多，如 upc324c、tlc27m4、lf347n、lm324 等，本文中就选取 lm324 作为前置放大器。 3.1.4 音调控制电路 负反馈式高低音调节的音调控制电路比较简单，图中只画出了一个声道的电路,如 图 3-3 所示。不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值如表 3-1 所示。 所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、 渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音频不足。音调控制电 路用以改变放大器的频率特性，补偿整个放音系统频率特性的偏差，也用来满足听从 对音色的不同需要。音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。正是这些滤波器构成 第 10 页 共 32 页 了音频电路中的音调控制器。音频器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡 器，均由各种有源或无源滤波器组成。利用这些滤波电路，可以组成各种高通、低通 滤波器和带通滤波器，以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。 音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的 低频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节 的频率失真，或满足听者对音色的爱好和需求。 10k r24 10k w2 7.5k r23 22nf c21 10kw1 22nf c30 4.7k r21 15nf c24 7.5kr19 4.7uf c26 12v 3 2 1 411 a lm324 4.7uf c26 -12v ui uo 图 3-3 负反馈高低音调节的音调控制电路 表 3-1 不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值 音调频率 f/(hz)c21=0.015f 时的 xc1c30=1500pf 时的 xc2 低音 100hz106k1600k 中音 1khz10.6k106k 高音 10kkhz1.06k10.6k 音调控制是指调节反馈网络的频率特性，使它对音频信号的高、低频率成分产生 不同程度的反馈或衰减网络的频率特性，从而达到改变电路频率响应特性之目的。常 用的音调控制电路只有高音和低音频段两个控制电路，可以对高、低频成分进行提升 或衰减的控制。 1.低音控制电路的工作原理 第 11 页 共 32 页 图中 c21、c30 的容量大于 c24，对于低音信号 c21 与 c30 可视为开路，而对于高 音信号 c24 可视为短路。低音调节时，当 w1 滑臂到左端时，c21 被短路，c30 对低音 信号容抗很大，可视为开路；低音信号经过 r23 直接送入运放，输入量最大；而低音 输出则经过 r19、w1 负反馈送入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大；当 w1 滑臂 到右端时，则刚好与上述情形相反，因而低音衰减最大。不论 w1 的滑臂怎样滑动，因 为 c21、c30 对高音信号可视为是短路的，所以此时对高音信号无任何影响。 2.高音控制电路的工作原理 高音调节时，当 w2 滑臂到左端时，因 c24 对高音信号可视为短路，高音信号经过 w2、c24 直接送入运放，输入量最大；而高音输出则经过 w2、c24 负反馈送入运放，负 反馈量最小，因而高音提升最大；当 w2 滑臂到右端时，则刚好相反，因而高音衰减最 大。不论 w2 的滑臂怎样滑动，因为 c24 对中低音信号可视为是开路的，所以此时对中 低音信号无任何影响。 3.2 音量控制模块 音量控制模块作用是控制输入到功率放大器的信号幅度，常用的音量控制电路有 分压式音量控制电路和电子音量控制电路两种。如图 3-4 所示。图中只画出了一个声 道的分压式音量控制电路。 4.7uf c26 10k r27 392uf c28 50k w5 22nf c30 10k r28 4.7uf c26 ui uo 图 3-4 音量控制电路 图 3-4，w5 是音量电位器，滑动端将 w5 分为前后（r1、r2）两部分，输入电压取 第 12 页 共 32 页 前部分 r2 的电压。调节 w5 滑动端的位置即可改变输入电压的大小。w5 滑动端滑到最 下端时，r1=w5，uo=0，音量为零。w5 滑动端滑到最上端时，ui=uo，输入电压全部输 入到功率放大器中，音量最大。 3.3 功放模块 功率放大器是音频系统中一个不可缺少的重要部分，其主要任务是将音频信号放 大到足以推动外接负载如扬声器、音箱等。不同于前置放大器的功率放大器不仅对音 频电压信号进行放大，而且放大了音频电流信号，以满足外接负载的功率需求。音频 功率放大器的类型很多，根据使用的器件不同，为纯电子管、晶体管、集成电路、场 效应管功率放大器。一般认为电子管功率放大器（俗称胆机）的音色优于晶体管功率 放大器音色。晶体管放大器的频响宽，低频可延伸至直流，是目前输出功率最大的功 率放大器。场效应管功率放大器的音色是晶体管机中音色最好的一种。集成电路功率 放大器则以其制作简单、性能稳定、功能齐全、价格低廉而使其成为数量最多的一种。 tda2030 集成音频功率放大器就是其中的一种。本文中就选取 tda2030 集成音频功率放 大器做为功放电路。 3.3.1 tda2030 简介 1.引脚排列(如图 3-5 所示) 图 3-5 tda2030 引脚图 图中，1 脚是正相输入端，2 脚是反向输入端，3 脚是负电源输入端，4 脚是功率 输出端，5 脚是正电源输入端。 tda2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬 第 13 页 共 32 页 态互调失真小。瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，在目前流行的数十种功 率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括 tda2030 在内的几种该集成功 放。 tda2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。tda2030 集成 电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的 管脚属于最少的一类，总共才 5 端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方 便。 tda2030 的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保 护和热切断保护电路，不会损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板 上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。是目前音质较好、价格较低、外围元件较 少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。 2.主要参数 表 3-2 tda2030 主要参数 参数名称符号单位参数最小典型最大测试条件 电源电压 vccv 61418 静态电流 iccma4060 vcc=18v，rl=4 欧 w1214 rl=4，thd=0.5% 输出功率 po w89 rl=8，thd=0.5% 频响 bwhz10140k po=12w，rl=4， 输入阻抗 rim0.55 开环，=1khz 谐波失真 thd%0.20.5 po=0.1-12w，rl=4 3.3.2 tda2030 应用电路 由设计的框图可知，本级的放大倍数为 4v/100mv=40 倍，相应的电压增益为 44db。为了提高电路的稳定性，电路的反馈采用电压串联负反馈。负回馈之所以能够 改善放大电路的多方面性能，归根结底是由将电路的输出量引回到输入端与输入量进 行比较，从而随时对输出量进行调整。反馈愈深，即1+af的值愈大，这种作用愈 强，对电路性能的改善愈为有益。但是1+af的值愈大，增益下降愈多。由此可见， 第 14 页 共 32 页 负反馈对放大电路性能的改善是以牺牲增益为代价的。 该电路闭环增益可由下式估算： au=1+r6/r7 由上式可知： au=1+r6/r7=40 根据设计任务本次 tda2030 采用正负双电源供电，画出相应的电路图，如图 3-6 所示。 3 2 1 411 u1a tda2030a 39k r8 22uf c5 1k r7 39k r6 0.1pf c7 1.5 r9 12v -12v 4.7uf c6 ui 图 3-6 功放电路基本原理 r7 一般取几百欧到几千欧，本次 r7 取标称值为 1k，则 r6 为 39k，取标称值 为 39k 的电阻。 c5 的作用使电路的直流工作状态采用 100%的负反馈，即直流增益为 1，所以工作 点非常稳定。c5 一般取几十微法，本文中取为 22f、耐压为 50v 的铝电解电容。 r9 和 c7 组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管， 同时具有改善扬声响应，消除自激振荡的功效。 r9 一般取几欧到几十欧，本次取 1.5 的碳膜电阻。 c7 一般取零点零几微法到零点几微法本次取容量为 0.1f 耐压 63v 的涤纶电容。 第 15 页 共 32 页 c6 为耦合电容，取容量为 2.2f 耐压 50v 的铝电解电容。 r8 为芯片输入级偏置电阻，为输入端提供直流通路，一般取几十千欧，本次取阻 值为 39k 的碳膜电阻。 为了使运放电路更稳定的工作，还需要在运放的正负电源端与地之间分别接几十 到上百微法的电解电容和 0.01-0.1f 的电容用来旁路非直流信号。但由于在后面要 设计的电源电路中有了这样的旁路电容，所以在集成运放的电源输入端就不需要这类 的电容了。 3.3.3 级间耦合电容的选择 考虑到功放电路通常设有前置放大电路，且常用阻容耦合方式，在选取这类电容 时应留有裕量。本次设计除了功放电路外前面还有一二级前置放大电路。因此多级电 路下限截止频率通常由下式计算： l=1.1 n)332211(flflnflflflflflfl 设每级下限截止频率相同，则一二级前置放大电路、功放电路的各级下限频率为： l= l/(1.1)18.18hz4 忽略前一级输出电阻，则 c=(310)/(2ril) =(310)/(210100018.18) =(310)0.8758f =2.627f8.758f 本文中 c6 取标称值为 4.7f，耐压为 50v 的铝电解电容。因此本文中所有的级间 耦合电容都取取 4.7f，两端的电压为 vcc，本文中选取耐压为 50v 的铝电解电容。 第 16 页 共 32 页 3.4 电源模块 3.4.1 电源电路的系统结构 整 流 电 路 变 压 器 滤 波 电 路 滤 波 电 路 电 源 指 示 电 路 输 出 输 入 图 3-7 电源电路组成框图 很多常见的电子设备中都需要直流电源供电，小功率不间断时可以用电池供电， 而在很多很多场合电池就无法满足供电需求，此时就要用直流电源来供电。直流稳压 电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路等构成，其结构框图如图 3-7 所示。 本文中设计的电源为12v 双电源输出，最大输出电流为 1.5a。 滤波电路通常由电容、电感等电抗性元件组成。利用电容两端不能突变和流过电 感的电流不能突变的特点，把电容和负载并联或电感和负载串联都可以实现滤波，使 输出的电压纹波变得平滑。电容组成的滤波器电路简单、输出直流电压较高、纹波较 小，作为小功率直流电源。电感带负载能力强，但成本高、易引起电磁干扰等，适用 于低电压、大电流场合。因此本文中选用电容作为电源滤波器。 整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流电路等几类。整流电路是根据二极管 的意向导电性来实现的。本文中就选取桥式整流电路作为电源的整流电路。 电源指示电路是由一个 led 灯和一个限流电阻构成的，其作用就是通过 led 灯来 判断电源电路的好坏。 3.4.2 电源电路 根据要求使输出的电压值为 12v，电流值为最大 1.5a，其参数为 uo=11.5v12.5v，iomax=1.5a。电源电路如图 3-8 所示。 第 17 页 共 32 页 0.1uf c9 1000uf c10 led 1k r10 1000uf c11 0.1uf c8 +12v gnd -12v 220v 图 3-8 电源电路 整流电路选取两两并联的二极管桥式整流电路，取 in4007，其参数为耐压为 1000v，整流电路为 1a，电路如图 3-9 所示。 - + 图 3-9 整流电路 变压器的选取：估算由于滤波后的电压为滤波前的 1.2 倍，因此变压器的输出范 围应为 14/1.235/1.2v=1230v，不忽略整流二极管的管压降时，输入电压约为 1331v。由于电容滤波后的电压为滤波前的确 1.2 倍，加上整流管的压降，综合上述 考滤，输入电压约为： 14/1.2+0.735/1.2+0.7=1331v 故本文中选取的电源变压器为中间带有抽头的变压器。如图 3-10 所示。 第 18 页 共 32 页 图 3-10 电源变压器 其参数为输入电压为 220v/50hz，两端的任何一端和中间抽头之间的电压为 12v， 两端的端电压为 12v/1.5a，功率为121.5=18w的变压器。若效率为 70%，则功率应 这 25.7w 的铁芯变压器。 滤波电容的选取：滤波电容可由下式估算 c(35)t/(2rl) 式中，t 为市电周期，t=0.02s。 电容耐压值的估算：ucn =（1.52）u2，u2 为变压器的二次电压。 根据公式 ucn (1.52)u2 本文中选取 1000f 由于变压器的输出电压为 25.7v，每个电容两端的电压约为 12v，则 c10 的耐压应为（1.52）u2，ucn =22.530v，故本文中的 c10、c11 应选取 容量为 1000f，耐压为 35v 的铝电解电容。 c8、c9 一般用高频特性较好的磁介电容，一般取 0.1f。 第 19 页 共 32 页 第 4 章 电路仿真 本设计采用的是软件 mulitisim10.0 来进行的仿真，首先按照音频功率放大器的 设计原理图在仿真软件中连接原理图，并连接原理图的过程中注意元件的参数设置。 在 mulitisim10.0 仿真软件中连接好原理图后，设置好参数，经过电气规则检测 无误，然后用示波器检测输入端输出波形。 在最大不失真的时候，低音信号的输入输出与高音信号的输入输出比较。如下图 所示。 图 4-1 低音信号的输入与输出波形 如图 4-1，当低音输入时，输入信号 f=500hz，ui=2.25v，ii=2.54ma，输出信号 f=500hz，uo=7.78v，io=1.63a ，au=3.46。 如图 4-2，当高音输入时，输入信号 f=20khz，ui=714mv，ii=714ua，输出信号 f=20khz，uo=1.64v，ii=344ma，au=2.29。 第 20 页 共 32 页 图 4-2 高音信号的输入与输出波形 第 21 页 共 32 页 第 5 章 实物制作与调试 5.1 印制电路板的制作 印制电路板简称 pcb 板，它是采用互连工艺技术，在覆铜板上，按照规定的设计、 加工安装孔、连接导线或焊盘而制成的基础组装部件。根据音频功率放大器的设计原 理图，采用电子设计自动化软件中的 protel 99 se 进行印制电路板底图图样设计。印 制电路板底图图样如图 5-1 所示。 图 5-1 印制板电路板底图样图 具体制作步骤如下： 1.运用软件 protel 99 se 进行印制电路板底图图样设计，并打印在热转印纸上。 2.通过热转印法（150）底图转印到覆铜板上。 3.清洗防护层，在高温下进行置换反应（fecl3溶液） 。 第 22 页 共 32 页 4.对清洗好的印制电路板，在焊盘上钻孔。 5.对制作好的 pcb 板，要进行严格检查，判断印制线间是否有短路、断路、脱落 和起层等问题进行检修。 5.2 元器件的安放顺序 印制电路板的装配是整机质量的关键，装配质量的好坏对功放的性能有很大的影 响。电路板的装配总是要求是：元器件装插正确，不能有插错，漏插；焊点要光滑、 无虚焊漏焊和连焊；在装插元器件时，要执行工艺指导书的规定，遵循元器件的装插 原则。满足电路的电器规则，元器件要分部均匀。 1.安装顺序为，电阻、瓷片电容、电解电容、tda2030 芯片、电位器、散热片、喇 叭、变压器。 2.布局满足电位器在最前面，便于控制。功放芯片应在最后面，以便于安装散热 片。由于变压器和喇叭的体积大，体重超过 13g 不满足电路板最大尺寸要求，所以不 能安装在电路板上，应安装在固定板上。 5.3 焊接 5.3.1 焊接的工艺要求 1.焊接条件。被焊件端子必须具备可焊性。被焊金属表面保持清洁。具有适当的 焊接温度（280350）。具有合适的焊接时间（3 秒中），反复焊接次数不得超过三 次，要求一次成形。 2.焊点的基本要求。具有良好的导电性。 焊点上的焊料要适当。 具有良好的机 械强度。焊点光泽、亮度、颜色有一定要求。要求：有特殊的光泽和良好颜色；在光 泽和高度及颜色上不应有凹凸不平和明暗等明显的缺陷。焊点不应有拉尖、缺锡、锡 珠等现象。焊点上不应有污物，要求干净。焊接要求一次成形。焊盘不要翘曲、脱落。 3.应避免常见的焊点缺陷如：拉尖、桥连、虚焊、针孔、结晶松散等。 第 23 页 共 32 页 5.3.2 焊接的操作 1.为了提高电路的可靠性，首选应对元器件进行检查。应注意变压器的检测应分 为静态检测和动态检测。 2.为了便于焊接，应将要焊接的元器件进行刮脚，焊盘应用砂纸砂光滑以便于焊 接。 3.插入元器件，将烙铁头放在被焊件的焊盘上，使焊点温度升高（有利于焊接）。 如果烙铁头上有锡，则会使烙铁头上温度很快传递到焊接点上。 4.用焊锡丝接触到焊接处，熔化适量的焊料。焊锡丝应从烙铁头侧面加入，而不 是直接加在烙铁头上。 5.从焊锡丝开始熔化数 3 秒后，先移开焊锡丝，再移开电烙铁。 6.焊点冷却后，用斜口钳子将元器件的管脚剪掉，剪去管脚的长度应尽可能的要 短。 7.焊接完成后检查看是否有错焊、漏焊、线路的走线下、是否正确。 注事事项：移开烙铁头的时间、方向和速度，决定着焊接点的焊接质量，正确的 方法是先慢后快，烙铁头移开沿 45角方向移动，及时清理烙铁头。 5.4 实物 图 5-2 实物 第 24 页 共 32 页 5.5 单元电路调试 5.5.1 前置放大级的调试 电压放大倍数的测量：分别在两输入端加上频率 1khz、有效值 u =25mv 的正弦交 流信号，测出 uo。计算 au 并与理论值进行比较，同时用示波器观察 uo 的波形如图 5- 3 所示。测量值如表 5-1 所示。 第 25 页 共 32 页 表 5-1 测量值 频率 100hz500hz1khz3khz10khz 输入 vp-p 80mv80mv80mv80mv80mv 输出 vp-p 833mv878mv879mv879mv879mv au10.4110.9810.9910.9910.99 图 5-3 前置放大器电压放大倍数的输入与输出波形 5.5.2 音调控制级的测试 测量音调控制级的特性，计算 au 并与理论值进行比较，同时用示波器观察输入输 出的波形。如图 4-1 和图 4-2 所示。 5.5.3 功放级的调试 把输入音频信号加到频率 2khz、ui=4.4v 的正弦交流信号，测量静态值 ui、uo 的 值，计算 au 并与理论值进行比较，同时用示波器观察 uo 的波形。 ui=6.43v,uo=7.64v, au=1.12,波形如图 5-4 所示： 第 26 页 共 32 页 图 5-4 功放电压放大倍数的输入与输出波形 5.6 整机调试 5.6.1 级联调试 把输入音频信号加到频率 1khz、ui=50mv 的正弦交流信号，前置放大器的输出 uo，计算 au 并与理论值相比较，同时用示波器观察 uo 的波形，看是否失真。 ui=35.4mv,uo=389mv, au=10.99,波形如图 5-5 所示： 5.6.2 电压放大倍数的测量 分别在输入端加上频率 1khz、有效值 ui=20mv 的正弦交流信号，测出 uo。计算 au 并与理论值进行比较。注意用示波器观察的波形，看是否失真。若产生失真，可适当 减小输人信号的幅值。 ui=31.4mv,uo=83.7mv, au=2.67,波形如图 5-6 所示： 第 27 页 共 32 页 图 5-5 级联调试的输入与输出波形 图 5-6 电压放大倍数的输入与输出波形 第 28 页 共 32 页 总 结 时光飞逝，三年的大学生活很快就要过去了，在这即将离开大学生活踏上社会的 时刻。在此，我有必要对自己三年的大学生活做一下小小的总结。大学三年里，在提 高自己的思想道德素质的同时，也努力提高自己科学文化素质，在这三年里，我严格 要求自己，不仅以优异的成绩通过各门学科考试，而且作为职校生的我在动手能力方 面有了很大的提高，视野也得到了很大的拓展，总的来说，我度过了一个快乐而又充 实的大学生涯。在这毕业的钟声敲响之时，我也进入了毕业设计阶段，并且此时该设 计也已接近尾声，以下对本次设计也做一总结。 本次毕业设计对于我来说，还是具有一定的挑战性的。通过这段时间做毕业设计， 发现了自己的很多不足之处，毕业设计是在校大学生最后一次知识的全面检验，是对 学生基本知识、基本理论、基本技能掌握与提高程度的总测试。在学习期间，已经按 照教学计划的规定，学完了公共课、基础课、专业课以及选修课等，每门课程也都经 过了考试或考查。但毕业设计不是单一地对学生进行某一学科已学知识的考核，而是 着重考查运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。通过做毕业设计，可以初 步了解科学研究的过程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何观察、如何调查、作 样本分析；如何利用图书馆，检索文献资料等方法。把学过的专业知识运用于实际， 在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业 知识转化为分析和解决问题的能力。在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既 验证学过的书本知识，又学到许多课堂和书本里学不到的新知识，还培养了我学习的 兴趣。在完成毕业设计的这段日子里，我遇到了大大小小的问题非常多，为此花费了 大多的时间在完成毕业设计。 在此期间，我学到了许多的道理，不光是在专业学习方面，学习到更多的是人生 中的一些道理。面对一些困难不要退缩，要勇敢的去面对，即使是在以后我的人生道 路上，必然有许多的困难在等着我，但我会努力的前进，相信最后成功在终点等着我。 第 29 页 共 32 页 致 谢 在这里，我首先向我的指导老师陈运军致以深深的谢意，也感谢同学们给我的帮 助和鼓励，更感谢所有在毕业设计中帮助过我的老师和同学们。 我的毕业设计是在陈老师的亲切关怀和耐心指导下完成的。他严肃的科学态度， 严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项 目的最终完成，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，使我克服一个个的困 难和疑惑。在整个毕业设计过程中，他们都给予了我极大的关心和帮助，并对我的毕 业设计进行了悉心的指导。陈老师定期检查我的设计进度，对于设计中出现的问题都 给我及时纠正，正是由于他的耐心指导，我才能顺利的完成整个设计。从他的身上我 不仅学到了设计的思想，还学到了严谨的学风和敬业的精神。 由于我的知识浅薄，经验不足及阅历颇浅，因此，在该方案的设计方面还有很多 不足，比如功能不够完善，我会在工作的使用过程中，根据工作的具体要求不断的修 改、完善，争取使之慢慢趋于完美。 我感谢大学三年来所有教过我的四川信息职业技术学院的老师们，是他们传授了 有用的专业知识给我，使我在整个毕业设计过程中能游刃有余的发挥，在此向他们致 以深深的谢意。 第 30 页 共 32 页 参考文献 1 童诗白.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社，2003 2 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社，2005 3 徐以荣.电力电子技术基础.南京:东南大学出版社，2004 4 高吉祥.电力技术基础实验与课程设计.北京:电子工业出版社，2005 5 张肃文.高频电子线路.北京:人民教育出版社，1979 6 郑应光.模拟电子线路(一).南京:东南大学出版社，2000 7 谢自美.电子线路设计实验测试.第二版.武汉:华中科技大学出版社，2000 8 陈梓城.实用电子电路设计与调试.北京:中国电力出版社，2006 9 于安红.简明电子元器件手册.上海:交通大学出版社，2005 10 孙余凯.模拟集成电路基础与应用.北京:电子工业出版社，2006 11 赵培功.集成电路应用.成都:电子科技大学出版社，1997 12 周亦武.放大电路指南.福建:科学出版社，2004 13 蔡坚勇.青少年音频电路制作指南.福建:科学技术出版社，1997 第 31 页 共 32 页 附录 1 音频功率放大器电路原理图 10k r24 33uf c15 10k w2 in1 1k r13 100k r11 10k r12 7.5k r23 22nf c21 10kw1 22nf c30 4.7k r21 15nf c24 7.5kr19 4.7uf c12 4.7uf c26 10k r27 392uf c28 50k w5 22nf c30 10k r28 3 2 1 411 u1a tda2030a 39k r8 22uf c5 1k r7 39k r6 0.1pf c7 1.5 r9 10k r25 33uf c17 10k w3 in2 1k r15 100k r17 10k r16 3 2 1 411 a lm 324 7.5k r22 22nf c22 10k w4 22nf c19 4.7k r20 15nf c23 7.5k r18 4.7uf c13 4.7uf c25 10k r26 392uf c27 50k w6 22nf c29 10k r29 39k r5 22uf c2 1k r4 39k r1 0.1pf c1 1.5 r2 12v 12v 12v 12v 12v 12v -12v +12v -12v -12v -12v -12v 3 2 1 411 a lm