数控音量调节集成音频功率放大器设计报告.doc

数控音量调节集成音频功率放大器 第 15 页 共 15 页数控音量调节集成音频功率放大器设计报告1 前言集成音频功率放大器电路是一种可以采用数控方式产生计数脉冲实现音量调节的装置， 从原理上讲是一种典型的数字电路和模拟集成电路的组合和综合运用，因此，我们此次设计就是为了了解数控电路和功率放大电路的原理，从而学会制作数字控制电路而且通过制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。2 数控音量调节集成音频功率放大器的原理其原理框图1如下：音频信号数控音量调节集成功率放大器等效负载电阻稳 压 电 源RL=8220V 50Hz 图1 数控音量集成音频功率放大器原理框图3 电路设计3.1 技术指标 1、在音频信号处输入正弦波输入电压幅度800mV，等效负载电阻RL为8情况下，功率放大器应满足：（1）额定功率输出功率：POR10W；（2）频率响应：BW20Hz 100kHz（3dB）（3）在POR和BW内非线性失真系数：1 (10W,30Hz20kHz）；（4）在POR下的效率55%；（5）输出阻抗0.16；2、数控音量调节部分尽量能多档位，并且有LED音量档位指示。3、电源稳压部分不要自制，但要求必须有整流滤波电路。2电路工作原理3.2.1集成音频功率放大器我们熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外围电路较复杂，且容易自激。LM1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，但是高频特性较差（BW70KHz）。TDA2030A上升速率高、瞬态互调失真小；输出功率大，而保护性能以较完善；外围电路简单，使用方便；频带宽BW（10140KHz），缺点是低频特性欠缺。综合题目要求，选用TDA2030A作功放。1、TDA2030简介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。 本设计功率放大器选用集成功放TDA2030A，采用典型应用电路，原理图如图1所示。图2 双电源OCL电路原理图功率放大器的计算C1为信号耦合电容，R3为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声。R1、R2组成反馈网络，C2为直流负反馈电容，以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。D1、D2为保护二极管。R4和C3组成输出退耦电路，防止功放产生高频自激。C4、C5、C6、C7是电源退耦电容。4个1N4004组成全桥整理电路，防止正负电源误接。RW电位器可以实现输入衰减，可作音量调节用。TDA2030A开环增益为90dB，即放大倍数A=32000。因为要求输出到8电阻负载上的功率POR10W，而加上功率管管压降2V，则 V= +2=12.65+2=14.65V取电源电压为15V。 所以计算效率为 输出最大不失真电压=12.65V，故 =32则功率电压增益取30dB 3.2.2数控音量调节电路本电路采用数控方式产生计数脉冲，由NE555接成一单稳态电路，由此可利用一按钮开关产生稳定的脉冲，作为计算器的输入。CD4516(CD4510）为一单时钟可逆十六进制（十进制）计数器，计数器的低三位输出控制八路模拟开关CD4051，选择不同的衰减倍数，达到对信号电平的控制。同时计数器输出经3-8译码后直接驱动LED作点式音量显示。音 频 信 号LED点式音量显示74LS138三八线译码器8路模拟开关CD4051电阻衰减网络计数脉冲555单稳态电路可加减计数器CD4516或4510集成功放8通道控制输入图3 数控音量调节电路(1) NE555的单稳态电路，Td时间计算 图 4 NE555的单稳态电路若VCC采用15V的电压，Td应150us，若VCC采用5V的电压，则Td应300us，根据公式Td=1.1RC，取适当的R和C的值。 (2)CD4516（16进制）或4510（10进制）的八进制设计 图 5 CD4516管脚排列图表1 CD4516功能表图 6 CD4516时序波形P0、P1、P2、P3预置输入端，在PE上升沿有效。U/D加减设置端，1位加，0位减。CLK时钟端，上升沿有效；RST复位端，高电平复位 ；Q0、Q1、Q2、Q3十六进制输出端；CIN低端进位；COUT加减到输出端。（3）74LS138驱动二极管 图 7 74LS138管脚排列图表2 74LS138功能表 图8 74LS138驱动二极管电路图3.2.3散热设计功率管是电路中最容易受到损坏的器件。损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值。那么他的额定功耗是怎么确定的，还有没有潜力可挖呢？让我们来分析一下。晶体管耗散功率的大小取决于管子内部结温Tj。当Tj超过允许值后，电流将急剧增大而是晶体管烧毁。硅管允许结温一般是125200oC，锗管为85oC左右（具体标准在产品手册中给出）。耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许知识的电流与电压乘积。管子消耗的功率越大，结温越高。要保证管子结温不超过允许值，就必须将产生的热散发出去。散热条件越好，则对于相同结温允许的管好越大，输出功率也就越大。因此功率管的散热问题是至关重要的。为了描述器件的散热情况，引入热阻的概念。与用电子表示对电流的阻力类似，热阻表示热传输时所受的阻力。即由U1-U2=IR可有类似的关系 T1-T2=PRT (10B-1)其中T1-T2为两点稳定之差，P为传输的热功率，RT是传输单位功率时温度变化度数，单位是oC/W。RT越大表明相同温度下散发的热能越小。于是结温Tj，环境温度Ta，管耗PCM及管子的等效热阻RT之间有以下的关系 Tj-Ta=PCMRT （10B-1）若环境温度一定（常以25oC为基准），Tj已定，则管子等效热阻越小，管耗PCM就越可以提高。下面我们来看看管子的散热途径及等效热阻的情况。 以晶体管为例。图9是晶体管散热的示意图。从管芯（J）到环境（A）之间有几条散热途径：管芯（J）到外壳（C），通过外壳直接向环境（A）散热；或通过散热器（S）（中间有界面）向环境散热。不同的管芯（指材料、工艺不同）本身的散热情况不同，或者说热阻不同。外壳、散热器等的热阻也各不相同。我们可用一个等效电路来模拟这个散热情况，如图10所示。散发的热能PC表示电流的形式；两点的温度分别为结温Tj和环境温度Ta；结到外壳的热阻用RTj表示，外壳到环境用Rca表示，外壳到散热器用Rcs（RTC），散热器到环境用Rsa（RTf）表示。加散热器后有两条并存的散热途径。图9 晶体管散热的示意图图10 几种散热器示意图对于小功率管，一般不用散热器，则管子的等效热阻为 RT=RTj+Rca而对于大功率管加散热器后，一般总有Rcs+RsaRca，则 RT=RTj+Rcs（RTC）+ Rsa（RTf）不同的管子RTj不同。比如3AD30的RTj =1oC/W，而3DG4的RTj 150oC/W。Rca与管壳的材料和几何尺寸有关。如3AD30的Rca =30oC/W，而小功率管3DG7的Rca =150oC/W。Rsa与散热器的材料（铝、铜等）及散热面积等有关。并且发现将它垂直放置比水平放置散热效果好，表面钝化涂黑又可改进热辐射，使热阻进一步减小等等。图10给出了几种形状的散热器，图11给出了两条散热面积与热阻的关系曲线。以机壳、底座为散热时，它的散热面积只能算一个面。图11两条散热面积与热阻的关系曲线Rcs是管壳与散热器界面的热阻。可分为接触热阻和绝缘层热阻。接触热阻取决于接触面的情况，如面积大小、压紧程度等。若在界面涂导热性能较好的硅脂可减小热阻。当需要与散热器绝缘时（如利用外壳、底座进行散热的情况），垫入绝缘层也会形成热阻。绝缘层可以是0.050.1mm厚的云母片或采用阳极氧化法在表面形成的绝缘层。若已知管子总热阻为RT，则在环境温度为TA时允许的最大耗散功率可由式（10B-2）得出。在产品手册上给出的管耗是指在特定散热器（材料、尺寸一定）及一定温度环境下的最大允许值。若散热条件发生变化，则允许的管耗也应随之变化。例如大功率管3DD50，手册上给出它的温度RTj=1.5 oC/W，TjM为175 oC。若加3003004mm3的铝散热器，在环境温度25 oC时允许的最大管耗为50W。可以则算出此时的等效热阻为（175-25）/50=3 oC/W。而不加散热器时，管子的热阻为100 oC/W，则同样的环境温度散热功率只可能是1.5W。当环境温度升高时，管耗也应下降。仍以此管（加散热器）为例，当环境温度升到75 oC时，允许的管耗PCM（75 oC）=PCM（25 oC）（Tj-75）/（Tj-25）=50（175-75）/（175-25）=33W.对于其他类型的器件（包括集成功放等），耗散功率和散热的关系均与此类似。4 电路制作与调试4.1电路元件的选取本电路采用TDA2030、CD4516、CD4051、74LS138、NE555等芯片，采用桥堆、电阻、电容、开关等普通品。电路板用铜板制作。4.2电路的焊接按照原理图用PROTEL画PCB板并制作PCB板，再按PCB图焊接元件，检查没有错误后，即可进行调试。设计要点:1、数控音量调节电路部分和集成功放部分要求分别做到2块独立的PCB板（大小为10cm10cm）上，注意留出它们之间的连接头。2、集成功放部分请注意：散热问题设计，PCB注意留出散热片安装位置；TDA2030的反面是和负电压连通的，可以不加绝缘片，但要注意不要碰到了“地”。此部分电流较大，请适当加粗铜线；3、为了制作和焊接时候方便，一般要求焊盘直径2mm，铜线1mm。 4、制作PCB时请注意元件封装要跟实际元器件相符合。4.3调试与参数设置1、通电时，用手摸住TDA2030，观察TDA2030，如芯片迅速发烫则立即关断电源，排除故障。2、连接音箱前先测量下TDA2030输出端的直流电压，正常应该很小（接近0）；如直流电压输出很大则不要接入音箱，排除故障后才能接。3、正负电源千万不能接反；4、TDA2030芯片引脚很容易断，安装时请注意。数控音量集成音频功率放大器的测试基本内容：注意：将数控音量调节调到最大输入的情况。1测量输出电压放大倍数Au，测试条件：直流电源电压15V，输入信号1KH800 mV，输出负载电阻8。2测量允许的最大输入信号（1KH）和最大不失真输出功率，测试条件：直流电源电压15V，负载电阻为8。直流电源电压10V，负载电阻为8。3测量上、下限截止频率fH和fL，测试条件：直流电源电压15V，输入信号800mV，改变输入信号频率、负载电阻为8。4效率，测试条件：直流电源电压15V，负载电