本科论文-音频功率放大电路设计.docVIP

成绩课程设计说明书题 目： 音频功率放大电路设计 课程名称： 模拟电子技术 学 院： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2013年 6 月 7 日课 程 设 计 任 务 书设计题目音频功率放大电路学生姓名 所在学院电子信息与电气工程学院专业、年级、班 设计要求：1、设计制作一个音频功率放大电路（带高低音调节）；2、负载电阻为8（扩音器的等效阻抗）；3、额定输出功率为4W；4、带宽大于50Hz15KHz；5、音调调节：低音（100Hz）12dB，高音（10KHz）12dB;6、输入阻抗大于100K。学生应完成的工作：设计音频功率放大电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用Altium Designer软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读：1 童诗白.模拟电子技术基础 M.北京：高等教育出版社， 2005. 2 阎石，数字电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.3 邱关源，罗先觉.电路（第五版 M.北京：高等教育出版社， 2006.4 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术 M.北京：北京大学出版社， 2012.5 谷树忠，刘文洲，姜航.Altium Designer教程 M.北京：电子工业版社， 2010.工作计划： 5月27号28号完成仿真图的设计；5月30号 完成原理图设计；5月31号6月5完成PCB图设计；6月6号6月7完成PCB板的制作及电路的安装与调试；6月7完成实验报告。任务下达日期： 2013年 5 月 27 日任务完成日期： 2013年 6 月 7 日指导教师（签名）： 学生（签名）： 音频功率放大电路摘 要：本课程设计的内容是设计和制备一个可以供多媒体音箱使用的音频功率放大电路，从而了解音频功率放大电路的基本结构和工作原理。电路由前置放大级，音调控制级，功率放大级组成。其中，前置放大级电路由NE5532组成的反相比例运算电路来实现，音频控制电路由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路来实现，功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路来实现。验证电路可以由Multisim软件仿真,电路的输入阻抗大于100K，额定输出功率为4W，带宽大于50Hz15KHz。它将输入电流进行放大，然后驱动喇叭工作TDA2030A具有体积小，失真小等特点，内含多种保护电路，工作安全可靠性高。关键词：音频功放；音调控制；功率放大；电路仿真目 录1. 设计背景.12. 设计方案12.1任务分析22.2方案论证23. 方案实施33.1原理图设计33.2电路仿真53.3 PCB制作93.4安装与调试104. 结果与结论.105. 收获与致谢116. 参考文献117. 附 件117.1电路原理图及PCB布线图127.2 元器件清单131.设计背景 人耳所能感知到的声音频率范围大约为20Hz 到20KHz，而人的语音频率范围则大约集中在80Hz 到12kHz 之间。因此音频功率放大电路所需要放大和处理的信号范围（即电路所需要的通频带）也就是在20Hz 到20KHz 之间，超出此频率范围外的信号不需要考虑。 模拟电路系统一般包括放大电路，滤波电路，运算电路，信号转换电路，信号发生电路，直流电源等。放大电路主要作用是将信号的电压、电流或功率放大；滤波电路用于信号的提取、变换或抗干扰；运算电路用来完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算；信号转换电路用于将电流信号转换成电压信号或将电压信号转换成电流信号、将直流信号转换成交流信号或将交流信号转换成直流信号、将直流电压转换成与之成正比的频率的等；信号发生电路用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波；直流电源将220V，50Hz交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子电路的供电电源。 从能量的控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别：只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。在电源电压确定后，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是功放研究的主要问题。因而围绕这连个性能指标的改善，可组成不同电路行式的功放。目前集成功率放大电路为OTL和OCL电路，前者需要外接输出电容。2. 设计方案2.1 任务分析本电路设计采用前置放大电路和音频功率放大电路相结合的放大模式，前者采用有“运放之皇”的NE5532对电压进行放大，后者采用性能优良的TDA2030对电压和电流放大，给音响放大器的负载（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。在前置放大和功放之间加上一个滑动变阻，就保证了音量可调，在滑动变阻器之前再加上一足够大电阻，这样保证了信号不失真。除此之外，加上相应的旁路电容又使得电路具有杂音小，有电源退偶，无自激等优点。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用Multisim软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。基本设计思路如下图1所示。图1基本设计思路分析图2.2 方案论证在音频功放电路中，需要体现的是电路的功率放大功能。前置放大电路可以由分立元件组成，也可由集成运放放大电路组成。分立元件组成的放大电路结构复杂，而集成运放放大电路设计简便，易于实施。常用的音调控制电路有三种形式，一是衰减式RC音调控制电路，其调节范围宽，但容易产生失真；另一种是反馈型音调控制电路，其调节范围小一些，但失真小，而且电路简便易行；第三种是混合式音调控制电路，但其电路复杂，多用于高级收录机。功率放大级可以由三极管与电容组成的复合管放大电路来实现，但这种设计电路结构复杂，也可以由集成功率器件TDA2030来实现，TDA2030是一块性能十分优良的功率放大电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，输出功率大，保护性能比较完善，并且外围电路简单，使用方便。本课程设计中采用由NE5532P组成的前置放大电路放大器，音调集成功率放大电路中采用了由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，功率放大级由集成功率器件TDA2030连成OCL电路输出形式。基本设计路线如图2所示。负反馈音调控制电路TDA2030A组成的功率放大级音频输出NE5532P组成的放大级图2 基本设计线路图3. 方案实施3.1 原理图设计1.前置放大电路电路为音频功率放大器原理图,其中NE5532A是高性能低噪声运放，这使得该IC特别适合应用于高质量和专业音响设备、仪器仪表及控制电路,和电话信道功率放大器。在反向比例放大电路中，输入电阻就是电阻R的值，R=100。同时R3和R1的比值就是放大倍数。为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选用低噪声的运放。另外，如输入线的屏蔽情况，地线的安装等等都对噪声有很大影响。前置放大电路图如图3所示。该电路理想闭环电压增益： Au=-R3/R1=-5.1图3 前置放大电路图2.音频控制电路负反馈式音调控制器的工作原理，由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点。设计图如图4所示。图4 音频控制电路原理图电路图中电位器Rp1是低音调节电位器，Rp2是高音调节电位器，电容C12是音频信号输入耦合电容，电容C2、C3是低音提升和衰减电容。高音调节电位器Rp2在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp1滑动端调到最左端时，C2被短路， 由于电容C3对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。3.功率放大级外部声源信号经过前置放大、均衡放大后，输入后面的功率放大级，然后就可以输出去驱动扬声器，发出声音。本课程设计中的功率放大器采用 TDA2030 集成块，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。TDA2030A功率集成电路的内部电路包含由恒流源差动放大电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式OCL电路构成的输出级；启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。功率放大级原理如图5所示。图5 功率放大级原理图图中D1、D2是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，二极管D1、D2在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。根据参考手则，这两只二极管采用1A的普通整流二极管1N4001。电阻R15和电容C11串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频响特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯阻性。对于交流信号，电容C6相当于“短路”，此时电阻R14和R13组成同向比例放大器反馈回路，功率放大器的交流电压放大倍数为：Au=1+R14/R13。3.2 电路仿真在各单元电路设计的基础上，按照总体电路图在仿真软件Multisim上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。将电路在Multisim上连接好后进行仿真。通过仿真我们的电路原理图无误，可以制板。仿真图如图6所示。图6 电路仿真原理图根据仿真原理图进行一系列的仿真测试来验证电路是否符合设计要求。1.验证频带宽度是否满足设计要求50Hz时其仿真波特图如图7所示。图7 50Hz仿真波特图1KHz时其仿真波特图如图8所示。图8 1kHz仿真波特图15KHz时其仿真波特图如图9所示。图9 15KHz仿真波特图由于电压未能满足负载所需电压，高频特性不是太好。2.测量输出电压放大倍数通过仿真测量几组分别在50Hz、1KHz、15KHz时电路中各级电路的放大倍数及整机的放大倍数，下面是电路仿真数据图。3.测量输入电阻数据如表2所示。表2 输入电阻测试表频率输入电压输入电流输入电阻50Hz24.749mV246.249nA1005K1kHz24.749mV245.881nA1006K15KHz24.749mV246.74nA1002K由表可知该设计电路的输入电阻远大于100K，满足设计要求。3.3 PCB制作在布线前要在Altium Designer中完成对电路图元件的封装。在封装时，要注意，因为对于同一个元件可能有多种封装方式。封装时根据所给元件的类型选择合适的封装对各个元件进行封装。封装完成后，把原理图导入PCB板。导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。根据仿真原理图画出Altium Designer原理图，将仿真图中的负载8欧电阻换成Speaker,再根据需求布线布局，画成的PCB图见附件7.1。作PCB中，根据制作过程的要求，制成单层板，PCB制版中焊盘半径设置为0.9mm，电源和地导线的宽度设置为0.6到0.8mm，信号线设置为0.5mm,当导线从两个焊盘之间穿过时设置宽度为0.5mm。印刷电路板的流程：首先，在制作单层板时把PCB布线图打印为PDF文件，使用油光纸，留bottom layer、multi-layer、keep-out layer；其次，把覆铜板切割成设计要求的尺寸，把打印好的图纸放在覆铜板上，并在转印机上转印；再次，将做好的板子放在盐酸溶液中腐蚀，直到导线周围的铜箔被腐蚀掉然后洗净钻孔，之后用砂纸把覆铜板导线表面的墨擦掉，把铜露出来，在打磨过程中注意不要将比较细的铜线磨掉了。 3.4 安装与调试测量电压法首先要确认的是各芯片电源引脚的电压是否正常，其次检查各种参考电压是否正常，另外还有各点的工作电压是否正常等。信号注入法将信号源加至输入端，然后依次往后测量各点的波形，看是否正常，以找到故障点。有时我们也会用更简单的办法，例如用手握一个镊子，去碰触各级的输入端，看输出端是否有反应，这在音频、视频等放大电路中常使用（但要注意，热底板的电路或者电压高的电路，不能使用此法，否则可能会导致触电）。如果碰前一级没有反应，而碰后一级有反应，则说明问题出在前一级，应重点检查。其它的寻找故障点的方法例如看、听、闻、摸等。听工作声音是否正常，用手去试探器件的温度是否正常，检查是否有异味。4. 结果与结论本课程设计中由NE5532P组成的前置放大电路放大器，由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式的功率放大级实现了带有高低音调节功能的音频功率放大电路、额定输出功率为4W、带宽大于50Hz15KHz、输入阻抗大于100K等设计要求的音频功率放大电路。在设计的过程中也有很多问题的存在，例如噪声和失真现象。噪声的产生原因主要有：电源干扰噪声；电磁辐射干扰噪声；接地回路噪声；设备内部的电路噪声。失真主要有以下几种：谐波失真音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分。瞬态失真瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢。5. 收获与致谢经过两个星期的电子技术课程设计，此次设计是我们提高专业能力的重要一步。从最初的选题到制作直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。 此次设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。由于时间有限，未能完成全部安装与调试工作，对设计结果没有做出最后的检验，也感到遗憾。这次课程设计要特别感谢张天鹏老