OTL音频功率放大电路(模电课程设计报告2).doc

商丘工学院毕业论文（设计）题 目：otl音频功率放大器的设计系 别： 机电工程学院 专 业： 电子信息工程技术 班 级： 09电信1班 学生姓名： 刘冬 指导教师： 赵利平 成 绩： 2012年3月摘 要本报告包括两个内容。第一部分，设计并实现otl功率放大器，功率放大器的作用是给音响放大器的负载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。功率放大器的常见电路形式有otl电路和ocl电路。有用继承运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。本文设计的是一个 otl 功率放大器，该放大器采用tda2030音频放大器芯片，tda2030音频放大器电路是最常用到的音频功率放大电路，tda2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10w,频率响应为101400hz,输出电流峰值最大可达3.5a，其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠，采用正输出单电源供电。其次本次实物产品采用pcb印制电路板制作（单面板）使其性能良好满足设计要求和外表美观。第二部分，用multisim软件对otl功率放大器进行仿真实现。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。关键词： otl功率放大电路；multisim软件仿真；交越失真；输出功率；反馈网络目录摘 要i目录ii第一章 前言1第二章 设计方案2一、设计要求2二、设计总体方案22.1设计思路22.2 otl功放各级的作用和电路结构特征22.3简要原理分析42.4用集成运算放大器放大信号的主要优点4第三章 选择器件及参数计算53.1功率放大器芯片tda2030介绍53.2参数计算632.1参数计算63.2.2功率的计算7第四章 用multisim仿真otc功率放大器74.1、功放电路仿真74.2、功放电路仿真波形8第五章 实物电路安装调试及使用95.1电路调整与测试95.2通电观察10第六章、设计体会与总结11参考文献1211商丘工学院毕业论文（设计）第一章 前言otl（output transformerless ）电路省去输出变压器的功率放大电路通常称为otl电路。 otl电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路。通常采用电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。 otl （output transformerless）电路是一种没有输出变压器的功率放大电路。过去大功率的功率放大器多采用变压耦合方式，已解决阻抗变换问题，使电路得到最佳负值。但是这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点，目前已较少使用。otl电路不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常用的一种功率放大电路。 它的特点是：采用互补对称电路（npn、pnp 参数一致、互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出），有输出电容，单电源供电，电路轻便可靠。 “两组串联的输出中点”可理解为互补对称电路（npn、pnp参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出）。“两组串联的输出终点”可理解为采用互补对称电路，ptl电路的优点是只需要一组电源供电。缺点是需要把一组电源变成了两组对称正、负电源的单电源大电容；低频特性差。 第二章 设计方案一、设计要求任务了与要求： 1、 采用全部或部分分立元件电路设计一种otl音频功率放大器；2、 额定输出功率po10w；3、 负载阻抗rl=8；4、 失真度3%。二、设计总体方案2.1设计思路 功率放大器的作用是给负载rl提供一定的输出功率，当rl一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真可能小，且效率尽可能高。由于otl电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采取有效措施抑制零点漂移。为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的otl功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。2.2 otl功放各级的作用和电路结构特征 输入级：主要作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级（音调控制级）送来的信号作低失真，低噪声放大。为此，采用带恒流源的，由复合管组成的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。 推动级的作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用带集电极有源负载的共射放大电路，其静态偏听偏信置电流比输入级要大。 输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率，可采有由复合管构成的甲乙灯互补对称功放或准互补功放电路。 此外，还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路，为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路，以及过流保护电路等。电路设计时，各级应设置合适的静态工作点，在组装完毕后须进行静态和动态测试，在小型不失真的情况下，使输出功率最大。动态测试时，要注意消振和接好保险丝，以防损坏元器件。电路基本框图如1-1负载扬声器输出级推动级输入级输入信号 图1-1电路基本框图采用集成运算放大器设计基本放大电路如图1-2输入级中间级输出级输出调节 tda2030高保真集成功率放大器短路保护过热保护负载扬声器图1-2电路结构框图图1-3电路基本原理图图1-4 电路在multisim中的仿真图2.3简要原理分析：电路为音频功率放大器原理图1-3,其中tda2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10w,频率响应为101400hz,输出电流峰值最大可达3.5a。其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。tda2030使用方便、外围所需元器少,一般不需要调试即可成功。 rp是音量调节电位器,c1是输入耦合电容,r1是tda2030同相输入端偏置电阻。 r4、r5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为(r4+r5)/r5=(4.7+150)/150=33.3倍,c3起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。 c2、c4、c7为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。r6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证高频稳定性。vd1、vd2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块tda2030。2.4用集成运算放大器放大信号的主要优点：电路设计简化，组装高度方便，只需适当选配外接元件，便可实现输入、输出的各种放大关系。 由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。 运放的输入享受搞高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱的信号放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有 很强的抑制能力。 由运放构成的放大单元功耗低、体积小、寿命长，使整机使用的元器件数大大减少，成本降低，工作可靠性大为提高。 图1-5第三章 选择器件及参数计算3.1功率放大器芯片tda2030介绍tda2030a是德律风根生产的音频功放电路，采用v型5 脚单列直插式塑料封装结构。如图1-5所示，按引脚的形状引可分为h型和v型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利sgs公司、美国rca公司、日本日立公司、nec公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。电路特点： 1.外接元件非常少。 2.输出功率大，po=18w(rl=4)。 3.采用超小型封装（to-220）,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（vsmax=12v）以及负载泄放电压反冲等。 6.tda2030a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，thd0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。如图1-6：引脚情况：1脚正相输出端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脚是正电源输入端图1-6极限参数如下表：注意事项：1.tda2030a具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40v的话，那么在5脚与电源之间必须插入lc滤波器，二极管限压（5脚因为任何原因产生了高压，一般是喇叭的线圈电感作用，使电压等于电源的电压）以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。 2.热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。 3.与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，po=（当然还有ptot）和io就被减少。 4.印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。 5.装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260，12秒。 6.虽然tda2030a所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。3.2参数计算32.1参数计算rp是音量调节电位器,考虑到实际情况本设计rp=2.2 k；c1是输入耦合电容（c1=1uf）；r1是tda2030同相输入端偏置电阻；r2、r3为反馈网络电阻（r1=r2=r3=100k）；.r4、r5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为(r4+r5)/r5=(0.68+22)/0.68=33.3倍,c3起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。 c2、c4、c7为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡；r6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证稳定性；vd1、vd2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块tda2030,负载rl=8。. 3.2.2功率的计算1、 计算输出功率po输出功率用输出电压有效值v0和输出电流i0的乘积来表示。设输出电压的幅值为vom，则因为iom=vom/rl，所以.当输入信号足够大，使vim=vom= vcem= vcc- vces vcc和iom=icm时，可获得最大的输出功率 由上述对po的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压vcc或降低负载阻抗rl。 第四章 用multisim仿真otc功率放大器4.1、功放电路仿真图1-7：图1-74.2、功放电路仿真波形如图1-8：图1-8用仿真课可之当rl调的过小时，波形失真；如下图1-9：图1-9用multisim软件仿真，可以完成以后对pcb的通电测试，测试是对安装后的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据，经过反复测量和调整，就可以使电路性能达到要求。仿真的函数信号发射器的频率课选择1khz左右，幅度可以在12v左右，电位计要靠中间档。第五章 实物电路安装调试及使用5.1电路调整与测试实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期的效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差、器件参数的分散性、寄生参数等各种各样的客观因素。此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。通过电路板整体测试与调整，可发现和纠正设计方案中的不足，并查出电路安装中的错误然后采取措施加以改进和纠正，就可以使之达到预定的技术要求。本次设计采用的是pcb制作电路板，步骤繁琐，流程较为复杂。所以在电路调整与测试的应注意的问题较多，具体如下：u 通电前调试电路安装完毕后，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。检查应特别注意：元器件引脚之间有无短路。因为我们该组是第一次用pcb制作板，在检查电路引脚间的有无短路的时候出现了不少的问题。首先板子在腐蚀的时候就没有腐蚀好（这可能是板子的质量、腐蚀时间的长短、fecl3溶液的配置等原因）所以在用万用表测量的时候真的是处处短路，而有的地方就是处处断路，为了保证的电路的正确性，只有通过万用表一条条的线路检查是否导通，引脚间是否短路。所以本次设计实物的走线用导线和焊锡补了不少，同时为了避免短路很多地方用小刀刮了不少了。 电源的正负、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好。关于电源正、负极问题主要是在本次设计中的单电源供电的导线插在功放电路的插座上，在此应特别注意在测试极性的时候，应注意红、黑表笔不要弄反。红表笔接正极，黑表笔接负极。该设计为了避免次问题在pcb制图的时候将地线稍微加宽。不但满足制图制板的要求，而且使其极性区分明显。 二极管有电解电容极性有没有接反，三极管、集成器件引脚有没有接错，集成电路的型号及安插方向对不对，引脚连接处有无接触不良等。在安装的时候我们严格按照测量晶体管的步骤和要求进行，用万用表分别判断出二极管的阳、阴极；小功率三极管的类型、b极、c极、e极；大功率三极管的类型、b极、c极、e极;并作了相应的标注。 u 通电调试此在用软件仿真是就完成了。5.2通电观察 改变rp电阻值或调节函数信号发生器的频率计幅度（在器件允许承受范围），用示波器观察输出与输入波形，并对比。同时观察喇叭发出的声音是否产生异同。第六章、设计体会与总结1、在这次设计中，让我们确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。掌握了功率放大器电路的设计与制作，掌握了tda2030 等集成芯片的原理与作用以及晶体管极性的判断，如何去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用，如何制作pcb电路板。更让我明白团体精神的重要性。更懂得做好一件事情的不容易。接触到了与自己相关专业的具体的知识，感觉到所学的东西还是很有用的，通过实践不但巩固了学过的知识，而且其他的对所学知识进行实践论证，及时的发现了存在的许多不足。通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如ultisim的软件的使用，也初步接触到了具体的