模拟电路课程设计-音频功率放大电路.docx

四川航天职业技术学院电子工程系课程设计专业名称： 飞行器电子装配技术 课程名称： 模拟电子技术 课题名称： 功率放大器课程设计 设计人员： 指导教师： 2014年 6月 日课程设计报告书评阅页课题名称：班 级：姓 名： 200 年 月 日指导教师评语：考核成绩： 指导教师签名：200 年 月 日功率放大电路 课程设计任务书一、课题名称：功率放大电路二、技术指标：1输出功率:1020W（额定功率）；2频率响应：20HZ100KHZ（3dB）；3谐波失真： 1%（10W，30HZ20KHZ）4输出阻抗：0.165输出灵敏度：600mV（1000HZ，额定输出）。三、要求：1写出设计过程，画出逻辑图，简要说明电路的工作原理；2自拟测试调整步骤和选用电子测量仪表；3画出原理图，生成PCB图和封装图。指导教师：王艳学 生：黄琦电子工程系2014 年 6 月 9 日摘要音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源的种类丰富多样，如传声器（话筒）、录音机（放音磁头）、MP3及线路传输这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。本设计主要由前置放大器、音调调控器、功率放大器、直流稳压器，这四部分组成。前置放大器要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小;音调调控器对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大器是音频功率放大器的主要部分，它决定了输出功率的大小，要求输出功率高，输出功率大的特点；直流稳压器用于提供稳定的电压。本电路主要采用LM324N集成芯片组成前置放大电路和音调调节电路，由TAD2030组成功率放大电路。并采用桥式整流电路对输入电压进行整流，稳定电压。集成音频放大器因具有工作稳定，性能好，易于安装和调试，成本低等优点，得到广泛的应用。关键词 LM324N TAD2030 桥式整流电路 放大电路15目录第1章设计任务及要求1第2章方案选择12.1 系统框图12.2方案设计与比较12.2.1方案一12.2.2方案二22.2.3方案三22.3方案选定3第3章单元电路设计及元件参数选择331 前置放大电路332 音调调节电路433 功率放大电路9第4章整体电路及工作原理10第5章调试与检测10第6章元器件清单11参考文献12附录：13附录一 音频功率放大电路原理图13附录二 PCB图14附录三 PCB封装图15音频功率放大电路课程设计第1章 设计任务及要求课程设计的目的：通过课程设计，巩固和加深在模拟电子技术课程中所学的理论知识和实践技能。掌握常用电子电路的一般设计方法。提高电子电路的设计和实验能力。基本原则：满足系统功能和性能的要求；电路简单，成本低体积小；电磁兼容性好；可靠性高；系统的集成度高；调试简单方便。设计任务：双通道音频放大电路。设计要求：1、输出功率：1020W（额定功率）；2、频率响应：20HZ100KHZ(3dB)；3、谐波失真：1（10W，30HZ20KHZ）; 4、输出阻抗：0.16；5、输出灵敏度：600mV（1000HZ,额定输出）。第2章 方案选择2.1 系统框图2.2方案设计与比较根据音频放大电路中的功率放大器的不同类型，通过更改功率放大器的设计，我设计了如下三种方案。2.2.1方案一以A类功放（又称甲类功放）作为音频电路中的功率放大级A类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。A类功放的工作方式具有最佳的线性特征，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（SwitchingDistortion），即使不使用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的音频放大线路设计。但这种设计有利有弊，A类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多功率仍然转变为热量。A类功放是播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。2.2.2方案二D类功放（丁类功放）这种设计亦称为数码功放。D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放工作复杂，增加的线路本身亦难免有偏差，所以真正成功的产品甚少，售价昂贵。2.2.3方案三用TDA2030A做成的OCL形式功放OCL功放电路是采用双电源，无输出耦合电容，由于无输出耦合电容低频响应得到改善，属于高保真电路。OCL电路具有输出功率大，效率高；输出电阻小，负载能力强；低频响应好，输出动态范围大；电路简单使用方便。易于集成化等优点，目前OCL电路广泛应用于高保真音响设备当中。双电源采用初级线圈中间点接地、上下电压对称相等的变压器，经过整流滤波后构成18 V的双电源，输出功率为20 W。我们采用TDA2030集成运放来构成音频放大电路。2.3方案选定综合上面的分析我选择的是，第三号方案。用TDA2030构成的双电源OCL功率放大器作为音频电路的功率放大级。采用这种方案效率高；输出电阻小，负载能力强；低频响应好，能够有效的降低线路设计与组装的难度，并且有利于电路板的小型化集成化。 第3章 单元电路设计及元件参数选择图1.1 前置放大器原理图31 前置放大电路一般而言功率放大器的输入灵敏度是一定的，不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；如果输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个良好的音频功率放大系统必须有前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性也可能各不相同，例如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。LM324N封装前置放大器的主要功能：一是使音源的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。一般来说音频输入信号非常微弱，通常只有100V几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先要采用低噪声电路，其次是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。所以在采用集成运算放大器构成前置放大器时，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。在这里我们采用LM324N集成运放。LM324N : 是一个四运算放大器，采用双列14针脚塑料外壳封装。内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿 的运算放大器，除图1.2电源共用外,四组运放之间相互独立。每一组运算放大器可用图1.2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, Vi+(+)为同相输入端。适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模LM324N内部结构式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。采用LM324N集成运放可以有效的减少元器件的数量，因为LM324N内部有四个集成运放，我们可以用两个来组成左右声道的前置放大电路。而另外两个集成运放用来组成音调调教电路。这样的话能有效提高线路的集成率，增加电路的稳定性。LM324N的特点有： 1:内部频率补偿 2:直流电压增益高(约100dB) 3:单位增益频带宽(约1MHz) 4:电源电压范围宽：单电源(332V)；双电源(1.516V) 5：低输入偏流 6：低输入失调电压和失调电流 7：共模输入电压范围宽，包括接地 8：差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 9：输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V) 32 音调调节电路音调调节电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。同时还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，提高放音系统的放音效果。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化（中音信号最好为0），以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信号的音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。所以在设计的时候我采用的是负反馈式音调调控电路。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，典型的电路结构如图2.1所示。其中电位器R7是高音调节电位器，R4是低音调节电位器，电容C5是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C4起到高音提升和衰减作用，要求C1，C2远远大于C24。电路中各元件一般要满足的关系为：R4=R7，R1=R2=R3，C1=C2。图2.1 音调调控电路原理图在图2.1中，对于低音信号来说，由于C4的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器R7在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器R7滑动端调到最左端时，C1被短路，此时原理图可简化为图2.2(a)。由于电容C2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。图2.2(b)电路的频率响应分析如下：(a) 低音提升等效电路图 (b) 低音提升等效电路幅频响应波特图图2.2 低音提升等效电路图及幅频响应曲线 上图所示的电压放大倍数表达式为：Avf=_W1A/jwC20/(W1A+1/jwC20)+R5/R4化简后得：Avf=_(W1A+R19)/R23*1+(jwC20W1A*R19)/(W1A+R19)/(1+jwC20*W1A)所以该电路的转折频率为：F1=1/(2W1A*C20)=96.51 F2=1/(2(W1A/R19)C20644.16 可见当频率f0时，Avf(W1A+R19)/R23=7.7；当频率f时，AvfR1/R2=1。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R1与R2的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为2010(W1A+R19)/R23=17.73dB。同样当R2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图2.3(a)所示。由于电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图2.3(b)电路的频率响应分析如下：Avf=_R19/(W1A+R23)*(1+jwC21W1A)/(1+jwC21*W1A/R23) 其转折频率为：F1 =1/(2W1AC21)=96.51 F2 =1/2(W1A/R23)C21 644.16可见当频率f0时，Avf=R19/(R23+W1A)=0.13；当频率f时Avf=R19/R23=1。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R1与R2的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为2010R19/(R23+W1A)=_17.69dB。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如下图2.3(b)所示。 (a) 低音衰减等效电路图 (b) 低音衰减等效电路幅频响应波特图图2.3 低音衰减等效电路图及幅频响应曲线同理原理图中对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器R7，即可实现对高音信号的提升或衰减。图2.4（a）就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图 中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成连接方式，如图2.4（b）。其中其中Ra=R23+R21+R21*R21/R19 Rb=R19+R21+R19*R21/R23 Rc=R19+R23+R19*R23/R21在假设条件R23=R19=R21的条件下，Ra=Rb=Rc=3R23=22.5k。 (a) (b) 图2.4 高音等效简化电路如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，Rc的反馈作用将忽略不计（Rc可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图2.5(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：Avf=Rb/(1/jwC24+W1A)/Ra其转折频率为：F1=1/2C24(W1A+Ra) F1=1/(2C24W1A)当频率f0时，AvfRb/Ra=1；当频率f时，Avf=（W1A+Ra）/Rb=3.2。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为2010（W1A+Ra）/Rb 10.16。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图2.5(b)所示。 (a) 高音提升等效电路 (b) 高音提升等效电路的幅频响应波特图图2.5高音提升等效电路及幅频响应曲线 当R3电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图2.6（a）所示。 (a) 高音衰减等效电路 (b) 高音衰减等效电路的幅频响应波特图图2.6高音衰减等效电路及幅频响应曲线该电路的电压放大倍数表达式为：Avf=(Rc/Ra)*(1+jwC24*W1A)/1+jwC24(W1A+Rb)其转折频率为：F1=1/2C24(W1A+Rb) F2=1/(2C24W1A)当频率f0时，AvfRb/Ra=1；当频率f时，AvfRa/(W1A+Rb)=0.31。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。最小增益为2010 Ra/(W1A+Rb)=_10.16dB。由此可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频响应曲线的波特图如图2.6(b)所示。（2）音调控制器的幅频特性曲线综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如图2.7所示。图2.7音调控制电路的幅频响应波特图图3.1 TDA2030 OCL功率放大器电路原理图33 功率放大电路经过前置放大的信号经过音调调节后输入功率放大中，进行放大后输入到扬声器中，给扬声器提供足够的输出功率。采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组装、调试方便，成本低廉，所以本设计选用TAD2030集成功放来实现功率放大。该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单，可以作OTL使用，也可作OCL使用。TDA2030A是典型的音频功率放大电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。根据引脚的形状可分为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。TAD2030主要性能参数： TDA2030 是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， TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，并且保护性能以较完善。同时TDA 2030的输出功率却能达18W。在TDA2030集成电路中，有较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动的减流或截止，使元件得到保护。TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。，它的管脚总共才5端，外型如同塑料大功率管，这就给使用带来不少方便。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。表1 TDA2030具体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+、- 6+- 18静态电流IccmA4060Vcc=+-18,RL=4输出功率PoW1214RL=4,THD=0.5%W89RL=8,THD=0.5%频响BWHz10140kPo=12w,RL=4,输入阻抗RiM0.55开环，f=1kHz谐波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W,RL=4第4章 整体电路及工作原理整体电路图见附录一 音频功率放大电路原理图，其工作原理为：通过变压器把220V的交流市电转换为12V的交流电，并通过桥式整流电容滤波电路让电压信号变得平滑，波纹显著减小。从而更好地为电路中的集成运放提供良好的直流电压源。音频信号是非常微弱的一种信号，它通过通过前置放大器进行前置放大后输出。前置放大器一是使音源的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。经过前置放大的音频信号，输入到音调调节电路中对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而使音色，音调得到调节。（我们采用的是一块LM324N集成运放同时作为前置放大和音调调节电路中的放大器。能有效的减少电路的复杂程度）经过调节的音频信号最终输入功率放大器中，（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10Hz140KHz，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）经过功率放大后的音频信号输出驱动扬声器。第5章 调试与检测调试器材 音频线一根；变压器；音箱把经过220V交流市电，经过变压器转换为12V直流电，并接入音频放大电路电源输入端。把音频线接到音频功放的音频输入端，把音频功率放大电路的音频输出端接到扬声器上。通电进行检查。在检查过程中发现当接通电源的时