毕业设计(论文)音频功率放大

四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) I 目录 摘要.1 绪论.2 第 1 章 功放的分类.3 1.1 甲类功放.3 1.2 乙类功放.3 1.3 甲乙类功放.3 第 2 章 音频功率放大器的结构与方案选择.4 2.1 放大电路的选择.4 2.1.1 OTL 电路和 OCL 电路选择.4 2.1.2 OTL 组成及工作原理.5 2.1.3 OTL 的主要性能指标.6 2.2 电源电路的选择.6 2.3 芯片选择.8 第 3 章 各电路原理及其构成框图.9 3.1 电源电路的设计与工作原理.9 3.1.1 电源电路的设计.9 3.1.2 电源电路的工作原理.10 3.2 音频控制电路工作原理.10 3.3 TDA2004 引脚功能及工作原理.11 3.3.1 TDA2004 功放主要参数及实用电路图.11 3.3.2 TDA2004 引脚功能的电压资料参数. 12 3.4 整机工作原理.13 第 4 章 直流稳压电路仿真.14 4.1 用 EWB 电源部分仿真.14 4.2 电源电压进行验证.14 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) II 第 5 章 实物制作.15 5.1 用 Protel 99 SE 制作 PCB 板.15 5.1.1 原理图的绘制.15 5.1.2 PCB 板的制作.16 5.2 PCB 板的腐蚀.17 5.3 元器件的检测.17 5.4 元器件的焊接.18 第 6 章 电路性能的检测.19 6.1 电源电路检测.19 6.2 整体电路调试.19 总结.20 参 考 文 献.22 附录一.23 附录二.24 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 1 摘要 本设计用芯片 TDA2004 设计一种 OTL 功放电路，具有音量控制、高音控制、左 右声道均衡控制双声道音频功率放大器，带整流器，可以直接输入交流电，也可以直 接输入直流电。输入输出可采用和电子实验套件相兼容的插针，扩展方便。使用方便 简单，接上音箱、CD、VCD、DVD、MP3、电脑和电源即可工作。在日常生活中应 用前景广阔。 关键字 OTL 功放电路、TDA2004、电源 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 2 绪论 在模拟电子线路中，电信号经过放大之后，往往要去推动执行机构完成人们所预期 的功能，例如推动喇叭发声，推动继电器实现控制等。执行机构要正常工作都需要从电 路中获取较大的电能。因此，放大电路的末级均由功率放大器组成。 音响技术领域是集成功率放大器的主要应用天地，利用集成功放可以方便的构成 OTL、OCL 和 BTL 电路程式，这不仅使电路结构简单、易于组装和调试，而且电路性 能指标也有很大的提高，谐波失真小，工作稳定、安全、可靠。尽管与分立元件的 DC、 CL 电路程式相比，转换速率还比较低，不同程度的存在瞬态互调失真，使音质变硬、 变脆，给人以金属声的感觉，然而随着人类工程学的发展和集成电路工艺的发展，集成 功放的瞬态指标必将有重大的突破。OTL 电路输出极与扬声器之间采用电容耦合，OTL 电路具有便于集成化，频率性好等优点。在收音机、汽车功放中常见。 随着人们物质和文化生活水平的不断提高，单声道功率放大器一般只用于普通收音 机或低档音响设备中。随着双重集成功放产品的增多及性能指标的提高，人们越来越多 的采用双集成功放来构成双声道立体声放大器。而 TDA2004 芯片是 OTL 电路即能实现 单声道又能实现双声道。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 3 第 1 章 功放的分类 按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称 A 类） 、乙类功放（又 称 B 类） 、甲乙类功放（又称 AB 类）和丁类功放（又称 D 类） 。 1.1 甲类功放 甲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。 1.2 乙类功放 乙类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗 功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波 放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。在讯号非常低 时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙，所以使用纯 B 类功放较少。 1.3 甲乙类功放 甲乙类功放介于甲类和乙类功率放大器之间，它的静态工作点选在靠近截止区，即 晶体管发射结处于正向运用的时间超过半个周期， 但小于一个周期。 它通常有两个偏压， 在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。 它在讯号小时用 A 类工作模式， 获得最佳线 性，当讯号提高到某一电平时自动转为 B 类工作模式以获得较高的效率。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 4 第 2 章 音频功率放大器的结构与方案选择 2.1 放大电路的选择 2.1.1 OTL 电路和 OCL 电路选择 OCL 是英文 Output Condeser Less 一词的缩写，是无输出耦合电容器的功放电路。 与 OTL 相比只是在功放与负载之间去掉了输出耦合电容器，使两者直接进行相连。由 于省去了隔直流电容器， 故功放级的上、 下功放管的中点必须保持为直流电压的零电位。 OTL 是英文 Output Transformer Less 的缩写，它是一种无输出变压器式推挽功放电 路。 是采用 NPN 和 PNP 型三极管构成， 并能自动完成倒相作用的互补对称式 OTL 电路。 输出极与扬声器之间采用电容耦合，在收音机、汽车功放中常见。OTL 电路具有便于集 成化，频率性好等优点。 根据电路设计的要求，选择 OTL 功放电路。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 5 2.1.2 OTL 组成及工作原理 图 2-1 OTL 电路图 输入信号经 C1 耦合，VT1 放大后从集成电极输出，分别加至 VT2VT3 管的基极。 VT1 是一种甲类放大电路，R1R4 是 VT1 管的偏置电阻。当信号为正半周期时， VT2 导通 VT3 管截止， VT2 集电极电流流过负载 （扬声器） ， 并对 C3 电容器进行充电。 当信号为负半周期时， VT2 截止， VT3 导通。 电容器 C3 上的电压仍可维持 VT3 的供电， 使其正常工作，由于放大器是射极输出方式，故从交流通道来看，VT2、VT3 又是并联 的，所以输出阻抗很小，可以直接与底阻抗的负载相连。 为了清除交越失真， VT3、 VT2 的基极偏压 是利用二极管 VD 的压降 （约 0.60.7V） 及 R7 电阻提供的。如图所示 B 点与 C4 电容器负急电是等电位，目的是使 B 点电压反 馈到 VT1 基极，以使功放电路静态工作点稳定。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 6 C4 是自举电容器，当有信号输入时，VT3 基极电位升高，B 点电位也同时升高。 由于 C4 的容量值较大，故在很短的时间内，两端的电压几乎保持不变，使得正端略高 于电源电压，相当于在 R5 两端加了一个正电源，从而保证了 VT2 在大信号情况下，真 正趋于饱和导通状态。 2.1.3 OTL 的主要性能指标 1、最大不失真输出功率 OM P 理想情况下， OM P= CC U2/8 L R，在实验中可通过测量 L R两端的电压有效值，来求得 实际的 OM P= O U2/ L R。 2、效率= OM P/ E P100% PE直流电源供给的平均功率 理想情况下，功率 Max=78.5%。在实验中，可测量电源供给的平均电流 Idc，从而 求得 E P= CC U dc I，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率 了。 3、频率响应 当声音功率比正常功率低 3dB 时， 这个功率点称为频率响应的高频截止点和低频截 止点。高频截止点与低频截止点之间的频率，即为该设备的频率响应。 4、输入灵敏度 输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号 i U之值。 2.2 电源电路的选择 1.指示电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 7 显示电路的作用是给电路正常工作时起一个指示作用，本设计采用 12V单电源供 电，所以需加一个发光二极管作通电指示。发光二极管的压降为 1.52.8（2V）V，其 工作电流一般取 1020mA为宜。发光二极管的反向击穿电压约 5 伏。它的正向伏安 特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻 R1 可 用下式计算： Ir UrE R )( 1 式中 E 为电源电压，Ur 为 LED 的正向压降，Ir 为 LED 的一般工作电流。当 发光二极管压降为 2.0V，工作电压为 20mA 时。由公式(4-1)可知： 600 02. 0 )212( 1 R 由电阻 E24 系列可知 R1 取 1K。 2.滤波电路 路的输出电压波纹太大，必须经过滤波，使其平滑接近直流。一般桥式整流电容越 大越好，但考虑实际情况应满足： 2 )53( T CRL 式中 RL 为负载电阻，T 为电源周期，其中电源周期为 0.02 设喇叭电阻为 4，可 故算出： 5 . 4 4 18 L cc R V I 所以负载电阻8 5 . 4 36 I E RL 则FC3750 82 02. 03 所以本设计选择 4 个 1000F 的电容作为电源滤波电容。 3.电源滤干扰电路 滤干扰电容，它的作用是滤除电源中的干扰信号，参考功放的相关书籍，滤干扰电 容一般选择容量较小的无极性电容，本设计选用 104 的瓷片电容。 4.整流电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 8 由于本设计中最大电路为 4A，通过每个整流二极管的电流为 2A，所以整流二极管 承受的最高反向电压为2 2 U=2V18V5 .25。经查表选择型号为 1N5408 的整流二 极管，主要参数为：择耐压为 1000V，最大整流 3A。 5.变压器 设计的输出功率为： 5 .40 8 182 2 L CC O R V P（W） 变压器的初级与次级功率之比： i O P P =0.8 Pi=W50 所以选择VV 12/220、W50选取电源变压器。 2.3 芯片选择 根据电路设计的需要，经查找资料最终确定选择单电源供电的双声道芯片 TDA2004。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 9 第 3 章 各电路原理及其构成框图 3.1 电源电路的设计与工作原理 3.1.1 电源电路的设计 桥式整流比半波整流有很大的优势。所以选择桥式整流如电路原理如图 2.1.2 所示。 有四只二极管 V1 、V2、V3 、V4 构成桥形电路。 原理分析： u2 正半周时，其导通途径为：， 其 V2 、V4 反向截止。忽略管压降则输出电压为 O U 2 U。 u2 负半周时，其导通途径为：， 其 v1 、V3 截止。输出电压 O U=- 2 U。其电流电压波形如图 3.2。其计算关系为： 输出电压 二极管的通态平均电流 二极管最高反向工作电压 图 3-1 电源电路原理图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 10 图 3-2 桥式整流电路的电流电压波形 如图 3.1 所示电源电路由变压器、桥式整流堆、滤波电容、显示电路构成。 3.1.2 电源电路的工作原理 220V交流电经过变压器降压为V12的交流电，V12的交流电经过四只二极管（D1、D2、D3、 D4）经过桥式整流输出V12的脉动直流电，再经过四只电容（C1、C2、C3、C4）滤波输出V12左 右的直流电。 电阻和发光二极管组成显示电路，确定电源正常输出。 3.2 音频控制电路工作原理 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 11 图 3-3 音频控制电路 音频信号从 IN PUT1 里输入经过 C26、 C27 滤波到 L-主音量和 R-主音量， 经过调节 来控制主音量的大小。电路中的电容起滤波作用，电阻起分压作用。电信号从 R5、R4 输出，分别输入到芯片的、脚。 3.3 TDA2004 引脚功能及工作原理 3.3.1 TDA2004 功放主要参数及实用电路图 TDA2004，音频双功放，单列 11 脚封装，输出电流大，负载阻抗低。电源电压 8-18V。当 CC V=14.4V， 1 R=1.6时，输出功率 Po=11W2， 1 R=4 O P=6.5W2。 典型应用图如下： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 12 图 3-4 TDA2004 外围电路 3.3.2 TDA2004 引脚功能的电压资料参数 表 3-1 引脚号功能说明电压值引脚号功能说明电压值 1输入 20.797自举 114.1 2负反馈 20.648输出 18 3滤波8.529电源15 4负反馈 10.6410输出 28 5输入 10.7911自举 214.1 6地0 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 13 3.4 整机工作原理 电源变压器 12v整 流 滤 波 音频 信号 输 入 音频控制电路 高 音 控 制 指示电路 TDA 2004 均 衡 控 制 低 音 控 制 主 音 控 制 图 3-5 整机工作电路图 整机工作原理如图所示。由电源输入到变压器，变压为V12，经过整流、滤波为 TDA2004 芯片提供电源。音频信号输入经过音频控制电路，具有调节均衡、高音、低音、 主音音量的功能。再输入芯片 TDA2004 经过放大输出声音信号。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 14 第 4 章 直流稳压电路仿真 4.1 用 EWB 电源部分仿真 图 4-1 电源仿真图 变压器经过变压后输出V12电压。经过整流、滤波后输出电压为VV188。 4.2 电源电压进行验证 电源电压验证：由于 TDA2004 芯片的工作电压为V8-V18的直流电。电源仿真输出 的电压为V559. 9，实物所测的电压为V2 .10。所以该电源电压满足芯片的供电要求。也 符号电路电源标准。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 15 第 5 章 实物制作 5.1 用 Protel 99 SE 制作 PCB 板 5.1.1 原理图的绘制 1. 启动“Protel 99 SE”新建工程项目。新建数据库“Documents” ，创建原理图文 件“Gongfang.Sch” ，启动原理图设计编辑器。 2. 单击浏览中的库，添加库文件。元件库文件一般放在“Protel 99 SE LibrarySch” 文件中。一般来说，设计原理图时常用的元件库有 Miscellaneous Devices、 Protel DOS Schematic Libraries、Intel Databooks、TI Databooks。将这四个常用的元件库添加到库的 列表中。 3. 如果库中没有的可以在工程中新建元器件库。 在设计中我有两个元器件找不到添 加了两个元器件库。两个库分别是电位器的元器件库 Schlib1.Lib 如图 5-1 所示和导线 的元器件库 daixian.Lib 如图 5-2。 图 5-1 电位器封装图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 16 图 5-2 导线封装图 4. 在库中找到相应的元器件绘制电路图。 5. 每个元器件的封装正确填写。 在设计中有五个元器件找不到元器件库文件。 我们 需要新建一个封装库 PCBLIB1.LIB。在这个封装库中新建五个元器件的封装，分别是 TDA2004、BY、DK、DX 、 6. 进行电气规则检查。 看电路的电气规则连接有无错误。 如有错误可以根据提示进 行改正，再进行电气规则检查。正确后生成网络表。 5.1.2 PCB 板的制作 规划电路板：主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置 固定孔的地方放上适当大小的焊盘。元器件用 3mm 的外径和 1mm 内径的焊盘。 绘制 电路版地边框前，将当前层设置成 Keep Out 层，即禁止布线层。 零件布局：Protel99 可以进行自动布局,也可以进行手动布局。自动布局时，运行 Tools下面的Auto Place,用这个命令，但多数是采用手动布局。用鼠标选中一个元件， 按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。 自动布线：元件布局调整好完成后，先进行布线参数规则设置。方法是：在设计菜 单下，执行菜单命令“Design/All” （或单击鼠标右键，选择规则菜单命令） ，出现布线 规则参数设置对话框。 在对话框中，设置安全间距为 10mils、转弯模式选择为 45。 、 布线拓扑结构选最短树、板层选底层任意方向布线，布线宽度设置：一般线宽选 40mils, 地线选 60mils,焊盘外径 80、内径选 40mils，其余各项默认设置。然后，在自动布线菜 单下，执行菜单命令“Auto Route All” ，出现自动布线设置对话框。保持对话框中的默 认设置，单击“RouteAll”按钮，出现布线信息对话框。单击“OK”按钮，即得到所 需要的 PCB 板线路图样，若要修改焊盘参数，可任选一个焊盘，进入全局属性编辑窗 口，一次性修改完成。如图 5-3： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 17 图 5-3 PCB 板的布线 5.2 PCB 板的腐蚀 1. 在检查无误的情况下可以进行打印， 打印设置为底层打印。 用热转印纸进行打印， 打印如图所示。 2. 将基材上的铜箔，用砂纸砂光。再用热转印机将热转印纸上的图转印到铜箔上。 如果没有转印上的部分，可以用油性笔将其画好。 3. 将基材放入三氯化铁勾兑的热水中经行腐蚀。可以将基材上不需要的部分腐蚀 掉，保留需要的铜箔。 4. 将腐蚀好的基材按电气边框的尺寸用锯子锯好，用台转打孔。打孔完成后 PCB 板制作完成。 5.3 元器件的检测 为了保证元器件的质量，在元件安装之前，必须对所有已经逐个进行检测，以免将 已损坏的或有质量问题的元件安装到电路中， 增加查找故障元件的难度。 实施的方法有： 1、简单测试，只了解有无损坏的元件； 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 18 2、对元件的进行筛选，用相关设备对各元件的主要性能指标进行全面测试，剔除 劣质元件。 并完成元件明细表（附表一） 。 5.4 元器件的焊接 对元件进行焊接前，先需要根据元件的大小确定元件是卧装还是立装，然后根据元 件的先小后大，先轻后重，先内后外的原则，采用手工烙铁锡焊。为了便于焊接，应将 要焊接的元器件进行刮脚，焊盘应用砂纸砂光滑以便于焊接。 焊接步骤： 1、插入元器件，将烙铁头放在被焊件的焊盘上，使焊点温度升高（有利于焊接） 。 如果烙铁头上有锡，则会使烙铁头上温度很快传递到焊接点上。4用焊锡丝接触到焊 接处，熔化适量的焊料。焊锡丝应从烙铁头侧面加入，而不是直接加在烙铁头上。 2、从焊锡丝开始熔化数 3 秒后，先移开焊锡丝，再移开电烙铁。 3、焊点冷却后，用斜口钳子将元器件的管脚剪掉，剪去管脚的长度应尽可能的要 短。 4、焊接完成后检查看是否有错焊、漏焊；线路的走线下、是否正确。 注事事项： 移开烙铁头的时间、方向和速度，决定着焊接点的焊接质量，正确的 方法是先慢后快，烙铁头移开沿 45角方向移动，及时清理烙铁头。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 19 第 6 章 电路性能的检测 6.1 电源电路检测 将电源电路与功放电路断开，通如HZV 50/220的交流电，用万用表检测变压器输 出为V5 .12。经整流、滤波输出电压为V5 .10,满足功放电路供电要求所以电源电路正常， 可接入功放电路。 6.2 整体电路调试 在调试过程中需要的器材主要有：万用表、电烙铁、焊锡、助焊剂和导线等若干。 调试的基本原则是：先静态，后动态，先局部，后整体，动态技术指标的调试，从末级 开始，逐级向前反复进行，直到调准为止。 通电检查整机电路工作是否正常，在通电之前将每个电位器调到中间位置，以免损 坏其他元器件。将音频信号加到功放电路的输入端，电路能正常工作。喇叭有明显的杂 音，将音量加大杂音减小。检测电路，喇叭功率过小。在两个喇叭上各并联一个功率较 大的喇叭，杂音消除。再测试音响的声音是否清晰，无噪声。如果有噪声，检查喇叭是 否正常工作，所需电压是否与电路的输出电压一致，或更换部分电路电阻调节输出。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 20 总结 通过这次设计，我设计的实物所体现的功能是双声道功率放大器。随着毕业日子的 来临，我的毕业设计也接近了尾声。设计用的是 TDA2004 芯片实现一个双声道的 OTL 音频功率放大器。 这是一种用来推动功率较大的音响设备的装置。OTL 功率放大器的设 计不仅是对前面所学知识的复习，也是对所学知识的汇总。 功率放大器在我们日常生活中几乎都可以看到它的身影，最常见的是，音响设备中 的功放设备。而 OTL 功率放大器是一种无输出变压器式推挽功放电放大器。TDA2004 芯片需 8V-18V的电源供电，则必须采用输出变压器来进行阻抗变换。由于输出变压器 是个电感元件，通过变压器的信号频率不同，线圈所呈现的阻抗也不同。为了延伸低频 响应。线圈的电感量就要大，圈数也就越多，于是，匝间，层间的分布电容也就相应增 大，使高频端的频率扩展受到限制。此外，还会造成非线性失真，不便引入深度负反馈 等弊病。为了消除这些不良的影响，各种不同形式的无输出变压器的 OTL 功率放大器 应运而生。相当于采用输出变压器的推挽功率放大器而言，OTL 电路具有便于集成化， 频率性好等优点。采用集成电路设计具有电路结构简单，调试方便，工作性能稳定的特 点，因此选择集成电路作为设计方案。于是我采用了 TDA2004 芯片来实现 OTL 电路。 确定设计方向后，就要进行实际的电路设计了。TDA2004 OTL 功率放大器共由三 个部分组成：音频控制电路、功放电路、电源电路。要实现整个电路的设计可以分开设 计这三个部分， 再把它们组合在一起。 电源电路为功放电路提供工作电压， 应为 TDA2004 芯片的工作电压范围大，因此可以直接将HZV 50/220的电压经过整流滤波提供给功放 电路。完成电路的设计草图后就是要选择适合的元件，使得电路能达到设计指标。合理 的选择元件是整个设计任务的关键。电路中各个元件的大小都可以由设计指标算出来。 一个性能优越的功率放大器一定要达到以下三个要求： （1）输出功率要足够大（2）效率要高。 （3）非线性失真小。 针对以上三个要求，在电路的设计当中。 首先要求功放电路散热好，因为功放电 路工作在大电流的情况下，温度非常高。其