高保真音频功率放大器设计报告书

模拟系统课程设计题目高保真音频功率放大器设计信息工程学院专业通信工程班级10级通信工程本（1）班姓名张媛指导教师周玉林2011年12月16日课程设计任务书学生姓名张媛专业班级10级通信工程本（1）班指导教师周玉林工作单位信息工程学院题目高保真音频功率放大器的设计一、设计目的根据设计要求，完成对高保真音频功率放大器的设计。进一步加强对PROTEL（或MULTISIM）软件的应用和对音频功率放大器的理解。二、设计内容和要求根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如OCL、OTL或BTL电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。输出功率10W/8；频率响应2020KHZ；效率60；失真小。选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做用PSPICE或MULTISIM软件完成仿真）安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。三、初始条件可选元件集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TDA2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源12V，或自备电源。可用仪器示波器，万用表，毫伏表四、时间安排1、2011年12月12日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、2011年12月12日至2011年12月13日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。3、2011年12月14日至2011年12月15日，电路装配与调试。4、2011年12月16日撰写课程设计报告书。指导教师签名周玉林2011年12月16日目录摘要11设计内容及要求211设计目的及主要任务2111设计目的2112设计任务及主要技术指标212设计思想22方案论证及整体电路工作原理321方案确定与论证322整体电路工作原理33电路单元模块设计431电源电路的设计432音频输入的设计433集成功放的设计4331TDA2030的OTL电路44器件选择及参数计算541输入电容的选取542自举电容的选取543反馈电阻电容的选取544输出电容的计算645音频输出器的选取65电路安装与调试651电路的安装652电路的调试与数据测定6521输出电压的测定7522输出功率的计算7523电源供电功率的测定7524效率的计算7525输出电压波形图86电路主要参数测定861极限使用条件862典型工作点主要电参数963波形参数1064实物图127设计电路的特点及改进意见1371设计电路的特点1372电路改进意见138元件列表139心得体会14参考文献16摘要本文介绍了采用集成功放芯片TDA2030设计高保真音频功率放大器的原理与方法，阐述了集成芯片的比较选取，重点分析了TDA2030功放电路的结构，记录了其各项性能指标。该功放的设计避免了单立元件组合电路布线复杂，输出信号失真大的缺点，TDA2030双声道功率放大集成电路，该电路具有声道分离度高、电源接通时冲击噪声小、外接元件少，最大电压增益可由外接电阻调节等特点。关键词TDA2030；高保真；失真小；效率高ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESANINTEGRATEDPOWERAMPLIFIERCHIPTDA2030HIGHFIDELITYAUDIOPOWERAMPLIFIERDESIGNPRINCIPLEANDMETHODOFCHIPONTHECOMPARATIVESELECTION,FOCUSEDONANALYZINGTHESTRUCTUREOFTDA2030AMPLIFIERCIRCUITRECORDOFITSPERFORMANCEINDICATORSTHEAMPLIFIERDESIGNTOAVOIDASINGLEELEMENTCIRCUITWIRINGCOMPLEXITY,THEOUTPUTSIGNALDISTORTIONMAJORSHORTCOMINGS,TDA2030DUALCHANNELPOWERAMPLIFIERINTEGRATEDCIRCUITS,THECIRCUITHASAHIGHCHANNELSEPARATION,THEIMPACTOFNOISEWHENCONNECTEDTOPOWERASMALLEXTERNALCOMPONENTSLESS,THEBIGGESTGAINBYEXTERNALRESISTORVOLTAGEREGULATORANDSOONKEYWORDSTDA2030FIDELITYSMALLDISTORTIONEFFICIENT1设计内容及要求11设计目的及主要任务111设计目的要求了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。要求掌握音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。112设计任务及主要技术指标根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如OCL、OTL或BTL电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。输出功率10W/8；频率响应2020KHZ；效率60；失真小。选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做用PSPICE或MULTISIM软件完成仿真）安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。12设计思想本次设计首先在众多集成功率放大器中选出符合设计要求且工作性能最佳的集成芯片。而整个设计的核心部分就在功放模块电路的设计，该模块完成的功能主要包括放大输入音频以及调节输出音频。随后运用MULTISIM软件中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。待所有模块的功能正确之后，运用原理图搭建顶层电路并进行整体仿真直至达到最初的设计要求，最后再在实验箱上检验设计的正确与否。2方案论证及整体电路工作原理21方案确定与论证功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路和正负双电源供电的OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。根据设计指标及要求，选择TDA2030功放芯片的OTL典型电路，该芯片具有音色甜美动听、性能优良，工作可靠，外围元件少以及安装方便等特点，电源电压从22V到168V均可以正常工作，对电源电压的适应范围很宽，静态电流小，电源电压增高时，输出功率增大。另有一种方案为集成功放芯片的OCL电路，这种电路采用正负双电源供电，该电路全部是直流耦合的，当某一级电路某一点出现故障时，多数情况下都将造成其余放大级电路静态工作点的牵连变化，出现声音失真甚至烧机。22整体电路工作原理由两片TDA2030接成OTL功率放大器，电路书要分为电源电路（由电源输入、电源稳压电路组成）、音频输入、TDA2030功放主体电路和音频输出。电路拟采用两种电源输入形式，CK插头输入，适用于不同场合使用，USB主要用于电脑随放，CK插头可接自制直流稳压电源亦可接一般随身听电源，非常方便。下图为设计电路整体框图CK插头电源输入KBP206G稳压电路音频输入TDA2030集成功放电路音频输出3电路单元模块设计31电源电路的设计考虑到电源获取的方便性，选取家用电（220V）电源作为本电源的供电模块。但如果上述电源直接输入，噪音太大，影响音质。故选取了噪声较低的集成稳压块KBP206G作稳压作用，交流220V输入，直流12V输出。经验证明，此电压经TDA2030输出可以驱动8/3W喇叭发声。下面是KBP206G整流桥堆电路图图31KBP206G整流桥堆电路32音频输入的设计音频输入用一般的耳机输出线改装而成。去掉耳机头，刮掉信号线表面胶漆，直接到集成功放输入端。33集成功放的设计331TDA2030的OTL电路TDA2030集成电路的输出功率由电源电压和负载阻抗大小决定。既可以构成双声道OTL功放，又可以组成BTL功放。本次课程设计采用其OTL典型电路，应用电路如下图所示4器件选择及参数计算41输入电容的选取该电路要加一输入耦合电容，以减小噪声输入选取一小电容足矣，故取022F瓷片电容。42自举电容的选取自举电容使输出幅值增加。建议值为100UF。自举电容器避免减少输出信号。此外，在低频和低电源电压时，有较好的减小失真的作用。43反馈电阻电容的计算图46TDA2030反馈电路输出电压由电阻人R1、R2、C1决定，其增益由下式决定121JWCRVFINOUT当RF0，C1100F，F32HZ时，增益为46DB。44输出电容的计算最低输出频率由输出电容决定根据以下式子给出LOUTRCLF21当FL100HZ,RL8时，C1989F，为留有余地，选取470F铝电解电容。45音频输出器的选择本设计选取了8/3W大纸盆喇叭。5电路安装与调试51电路的安装按照电路设计图，在线路板上合理布局后，将元件焊接在线路板上，安装过程中，注意将电容尽量焊得离主芯片近些，TDA2030要加散热片；另外要避免虚焊。这样制作出的TDA2030双声道OTL电路。其音效好，音质高，失真小；功率达标；响应频带宽；效率高。52电路的调试与数据测定要想功放各项指标都达到要求，有三大关键1要求电源品质高。最初的设计中并未使用1117稳压电路，电流噪声大，几乎完全压倒音频信号的输出。加1117稳压电路后，电源性能好，对音频信号干扰小。2要求输入、输出滤波好。滤波不好，会输出很大噪音或者产生严重失真。音频信号输入端串接了022F瓷片电容，输出端串接470F电解电容，并联015F瓷片电容，起到了很好的滤波作用。3要求喇叭性能好。经试音比较，选取了大纸盆喇叭，音质更好。521输出电压的测定用函数发生器给安装好的电路提供频率为1KHZ，峰峰值为300MV的正弦交流电压，用示波器观察输出端的波形，记录此时输出波电压的有效值，并记录下此时的波形图。实际调试过程中，测得输出电压的值为1768MV。522输出功率的计算在加8负载的情况下，根据功率计算公式求得输出功率为2RLUP4MW。OP523电源供电功率的测定用开关电源给所设计的电路提供5V的直流电压，将电路输入端断开，用万用表测得输入电流20MA。应注意经KBP206G稳压后，提供给TDA2030电路的II电压只有33V，故根据功率计算公式可得电源供电功率66MW。IP524效率的计算根据上面测量计算出的输出功率和电源供电功率，可根据公式，可OIP计算出实际测试的效率只有606。525输出电压波形图根据521节的条件，示波器上显示的输出电压的波形图如下图525输出电压波形6电路主要参数测定61极限使用条件在T25C时，电源电压VCC15V输出峰值电流1015A。62典型工作点主要电参数TDA2030的中文资料如右图一，极限参数参量符号参数数值单位VS最大供电电压22VVI输入VSVI差分输入15VIO最大输出电流35APTOT最大功耗20WTSTG，TJ存储和结点的温度40TO1501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。1外接元件非常少。2输出功率大，PO18WRL4。3采用超小型封装（TO220）,可提高组装密度。4开机冲击极小。5内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（VSMAX12V）以及负载泄放电压反冲等。6TDA2030A能在最低6V最高22V的电压下工作在19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD01。63波形参数TDA2030输入电压输出电压关系曲线。图63参数曲线图64实物图7设计电路的特点及改进意见71设计电路的特点本次课程设计所用的电路具有性能优良，工作可靠，外围元件少以及安装方便等特点，电源电压从22V到168V均可以正常工作，对电源电压的适应范围很宽，静态电流小，电源电压增高时，输出功率增大。72电路改进意见因在调试电路过程中发现输出功率及效率都不够指标的要求，分析电路可知，TDA2030所构成的电路本身提供的输出功率就小，为了满足设计指标，可考虑添加电路中TDA2030芯片的数量，也可扩展其外围电路，使得输出功率及效率满足设计要求。8元件列表元件列表元件名称与规格数量元件名称与规格数量TDA20302个KBP206G1个2200F铝电解电容2个104电容2个10F铝电解电容3个223电容4个TDA2030电路板1个224电容4个100电位器3个222电容2个散热片2个CK插头1个自制音频输出线2根导线若干8、3W喇叭2个电阻若干螺丝2个9心得体会在这短短的几天课程设计实训，我从实践中学到了很多。在老师的指导下对MULTISIM进行了初步的学习与认识，由此对此款软件的一无所知，到渐渐熟悉，感到莫大欢喜。本周的学习也只是对MULTISIM仿真软件的初步认识与学习。在初步学习与认识的过程中，深深了解到MULTISIM此款仿真软件是一款完整的设计工具，今后一定会在实践中将此款软件学习的更好，应用的更好。在上机实验中，主要应用了MULTISIM此款软件的模电与数电的电路仿真。因此，我用这个软件做仿真基本上都熟悉了，不过由于我的英语不是很好，还是有些选项不懂。最后是制作，它带给我许多实际经验，比如制作工艺和焊接等等。首先通过学习，我认识到什么是电子电路仿真，就是用图形化的显示方式或数字模拟方式对电子电路的实际工作状态进行虚拟现实的模拟，用计算机实现电路功能和电路特性的分析。看来，计算机的发展真的给我们带来了便利，现在通过各种软件我们可以对现实的食物做一些虚拟，方便了我们的实验。这次用MULTISIM来仿真自己制作的电路。给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有扎实的基础，要熟练的掌握课本知识，这样才能对实验中出现的问题进行分析和解决。我通过翻阅资料、上网搜索，对各电路器件（如TDA203、KBP206G芯片等等）以及原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力，又使我能更好的运用所学的知识，并且还考察了我的动手能力，从而使学过的知识得到了巩固与复习。其次，通过学习，加深了我们队集成电路的理解，他是一种擦用特殊工艺，将晶体管、电阻、电容等元件集成在硅基片上面形成的具有一定功能的器件，英文缩写为IC，也俗称芯片。对待这短短的几次课，我保证没堂课都去，因此也在课堂上收获了不少。这些就是我在课堂上学习到的简单的知识，简单但是有趣。然后，是对电子电路仿真软件MULTISIM的了解。MULTISIM软件就是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为WINDOWS下运行的个人桌面电子设计工具，MULTISIM是一个完整的设计环境。它的特点有直观的图形界面、丰富的元器件库、丰富的测试仪器、完备的分析手段、强大的，高利用率，减少仿真能力、电子仿真运用了诸如MULTISIM的仿真软件，具有重大的意义，减少设计、研究费用，节约和避免浪费，高效，高利用率，减少损耗、运输和运行成本；缩短设计、研究时间。性能改善，提供观测评估分析能力，减少对抗，预防不确定和不利情况；提高设计可靠性。模拟偶然事件，紧急事件，提高安全性。我在这次实训中还学到了无论做什么都要有毅力和耐心，且无论怎样都不要放弃希望，还有就是我深刻的体会到了“认真”的重要