高保真音频功率放大器的仿真设计与实现

1目录1 设计要求及思路 21.1 题目 21.2 设计任务 21.3 设计要求 21.4 设计思路 22 仿真软件介绍 52.1 仿真软件概况 52.2 仿真软件优点及应用范围 52.3 仿真软件版本 53 电路原理图 63.1 工作原理论述 83.2 理论分析 84 仿真部分 94.1 仿真曲线分析 104.2 仿真曲线结论 135 实物 145.1 元件清单 145.2 实物展示 146 心得体会 157 参考文献 1621 设计要求及思路1.1 题目：高保真音频功率放大器的仿真设计与实现1.2 设计任务：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、装备与调试。1.3 设计要求：在 8 扬声器的负载下，达到 10W 的输出功率,频率响应 20-20KHz,效率60%,失真小。1.4 设计思路：1.4.1 功放电路，我们决定在 OCL、OTL 和 BTL 电路中选择其一进行设计。图表 1OTL 电路图 图表 2OCL 电路OTL(Output Transformer Less)电路：称为无输出变压器功放电路。是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输出变压器的功放电路，它是高保真功率放大器的基本电路之一，但输出端的耦合电容对频响也有一定影响。OTL 电路的主要特点有：采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在 4、8、16 之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即 1/2 V CC，额定输出功率约为 /(8RL)。 OCL(Output Condensert Less)电路：3称为无输出电容功放电路，是在 OTL 电路的基础上发展起来的。OCL 电路的主要特点有：采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好；扬声器一端接地，一端直接与放大器输出端连接，因此须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择 4、8 或 16 负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为 /(2RL)。需要指出，若正负电源值取 OTL 电路单电源值的一半，则两种电路的额定输出功率相同，都是 /(8RL)。BTL（Balanced Transformer Less）电路：称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的 OTL 或 OCL 电路组成，扬声器接在两组 OTL 或 OCL 电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。BTL 电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与 OTL、OCL 电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL 电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便。经过筛选，为了得到更大的电压增益放大，以及更大的功率放大，我们决定选择 BTL电路图。 1.4.2 芯片选择。我们选取的芯片为 TDA2030A 芯片TDA2030A 芯片：TDA 2030 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、瞬态互调失真小，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 TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。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。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过 20W，而 TDA 2030 的输出功率却能达 18W，若使用两块电路组成 BTL 电路，输出功率可增至 35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在 TDA 2030 集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用） 。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4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 在电源电压14V，负载电阻为 4 时输出 14 瓦功率（失真度05） ；在电源电压 16V，负载电阻为 4 时输出 18 瓦功率（失真度05） 。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。 最终，我们选择的原理图为，tda2030aBTL 功放电路图。52 仿真软件介绍2.1 仿真软件概况Multisim 是 加 拿 大 图 像 交 互 技 术 公 司 （ Interactive Image Technoligics 简 称 IIT 公 司 )推 出 的 以 Windows 为 基 础 的 仿 真工 具 ， 适 用 于 板 级 的 模 拟 /数 字 电 路 板 的 设 计 工 作 。 它 包 含 了电 路 原 理 图 的 图 形 输 入 、 电 路 硬 件 描 述 语 言 输 入 方 式 ， 具 有 丰富 的 仿 真 分 析 能 力 。工 程 师 们 可 以 使 用 Multisim 交 互 式 地 搭 建 电 路 原 理 图 ，并 对 电 路 进 行 仿 真 。 Multisim 提 炼 了 SPICE 仿 真 的 复 杂 内 容 ，这 样 工 程 师 无 需 懂 得 深 入 的 SPICE 技 术 就 可 以 很 快 地 进 行 捕 获 、仿 真 和 分 析 新 的 设 计 ， 这 也 使 其 更 适 合 电 子 学 教 育 。 通 过 Multisim 和 虚 拟 仪 器 技 术 ， PCB 设 计工 程 师 和 电 子 学 教 育 工 作 者 可 以 完 成 从 理 论 到 原 理 图 捕 获 与 仿 真 再 到 原 型 设 计 和 测 试 这 样 一 个 完整 的 综 合 设 计 流 程 。2.2 仿真软件的优点及应用范围通 过 直 观 的 电 路 图 捕 捉 环 境 , 轻 松 设 计 电 路通 过 交 互 式 SPICE 仿 真 , 迅 速 了 解 电 路 行 为借 助 高 级 电 路 分 析 , 理 解 基 本 设 计 特 征通 过 一 个 工 具 链 , 无 缝 地 集 成 电 路 设 计 和 虚 拟 测 试通 过 改 进 、 整 合 设 计 流 程 , 减 少 建 模 错 误 并 缩 短 上 市 时 间NI Multisim 软 件 结 合 了 直 观 的 捕 捉 和 功 能 强 大 的 仿 真 ， 能 够 快 速 、 轻 松 、 高 效 地对 电 路 进 行 设 计 和 验 证 。 凭 借 NI Multisim， 您 可 以 立 即 创 建 具 有 完 整 组 件 库 的 电 路图 ， 并 利 用 工 业 标 准 SPICE 模 拟 器 模 仿 电 路 行 为 。 借 助 专 业 的 高 级 SPICE 分 析 和虚 拟 仪 器 ， 您 能 在 设 计 流 程 中 提 早 对 电 路 设 计 进 行 的 迅 速 验 证 ， 从 而 缩 短 建 模 循 环 。与 NI LabVIEW 和 SignalExpress 软 件 的 集 成 ， 完 善 了 具 有 强 大 技 术 的 设 计 流 程 ， 从而 能 够 比 较 具 有 模 拟 数 据 的 实 现 建 模 测 量 。2.3 仿真软件版本multisim 1063 电路原理图7图 183.1 工作原理论述工作原理: 用两块 TDA2030 组成如图 1 所示的 BTL 功放电路，TDA 2030（1）为同相放大器，输入信号 Vin 通过交流耦合电容 C1 馈入同相输入端脚，交流闭环增益为 KVC1R3 / R2R3 / R230dB。R3 同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。TAD 2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由 TDA 2030（1）输出端的 U01 经 R5、R7 分压器衰减后取得的，并经电容 C6 后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益 KVCR9 / R7/R5R9/R730dB。由 R9R5，所以 TDA 2030（1）与 TDA 2030（2）的两个输出信号 U01 和 U02 应该是幅度相等相位相反的，即： U01UinR3 / R2U02U01R9 / R5 R9R5 U02 U01因此在扬声器上得到的交流电压应为：UY U01 -（ -U02） 2U01 2U02扬声器得到的功率 PY 按下式计算：PY =4pmono3.2 理论分析R11 为变阻器，用来控制扬声器上的端电压。C1 起到隔直传交的作用。C3，C3 和 C2，C6