音频功率放大器实训报告 文档.doc

南京工业职业技术学院项目技术报告电子产品初步设计与制作工艺综合实训音频功率放大器的设计与制作姓 名：汪练，张龙，汤庆玉组 号：10班 级：电子0913班指导教师：吴清提交日期： 2010.12.03电气与电子工程学院前 言通过几个星期的实训，使我对音频功率放大器的设计与制作、分析、调试有一定的感性和理性认识，对芯片TDA2003的引脚分布以及 引脚功能、芯片的应用、工作原理、典型电路有一定的了解；为日后的学习打下了深一层基础。实习使我掌握基本电路的设计与制作方法和技巧，能够独立的分析解决一般性质的问题，在设计与制作过程中能够从经济性和环保性等方面去考虑，在设计与制作中能大胆的实践，开拓创新，能够将自己的想法体现到实际电路当中去；又培养了我与其他同学的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。本次实习我有以下收获： 1、进一步熟悉稳压源、示波器使用、调试。 2、了解了芯片TDA2003的引脚分布以及引脚功能、芯片的应用、工作原理、典型电路及部分元器件的封装。3、学会了protel99se绘图工具的使用。4、基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接。熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。 目 录前言.2概要.4一、项目设计要求.51.1 音频功率放大器.5二、芯片介绍.12 2.1 芯片TDA2003.12 三、Protel99se软件的介绍.163.1 Protel99se的发展史.17 3.2 Protel99se的主要功能.18 四、项目的制作与调试.174.1 音频功放的原理图.174.2 焊接工艺 .17结论.20致谢.21参考文献.22 概 要 本次实训通过老师的指导让我们进一步掌握音频电源的设计与制作；电路参数的测试、分析与调试。了解了protel99se绘图工具的使用，并掌握了由原理图到PCB板的制作以及其中的一些主要步骤和相关命令的操作；认识了部分元器件的封装。认识了芯片TDA2003的引脚分布以及 引脚功能、芯片的应用、工作原理、典型电路。学会测量元器件的参数并且掌握判别元器件的好坏，能熟练使用常用测试仪器万用表、示波器、稳压电源和LCR测试仪；掌握常见故障的处理方案与维修的基本技巧；掌握焊接、调试、故障排除到整机装配整个过程；能按照IPC工艺安装调试印制电路板。通过本次实习加强了我们理论联系实际的能力，提高了我们的动手操作能力；通过每次的实习也培养了我们沟通交流、团结协作和刻苦耐劳精神。 一、项目设计要求1.音频功率放大器1.1 音频功率放大器音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声，所以经常采用反馈。 音频放大器类别长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类(甲类)和AB类 (甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。 随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)，而出现了更多类别的放大器。为了使读者对此有所了解，这里仅就笔者所知的各种类别 的放大器简介如下。不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着 半导体放大器的绝大多数。 一、A类(甲类)放大器 A类(甲类)放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。 A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。 二、B类(乙类)放大器 B类(乙类)放大器，是指器件导通时间为50的一种工作类别。这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99 是属于这一类。由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。 三、AB类甲乙类)放大器 AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50100之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)。 AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过笔者认为，它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。 四、C类(丙类)放大器 C类(丙类)放大器，是指器件导通时间小于50的工作类别。这类放 大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。 五、D类(丁类)放大器 这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)，其效率在理论上来说是很高的。但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声 器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感(考虑立体声)， 成本自然不会低。此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。 六、E类(戊类)放大器 这类放大器，是一个极端聪明的半导体技术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。 七、F类(己类)放大器 这类放大器，就笔者目前所知并不存在，似乎是需要补充的空缺。 八、G类(庚类)放大器 这类放大器，似乎与B类(乙类)或AB(甲乙类)的放大器有些类似。 对于小的输出信号，它的供电电流来自低电压源；而对于大信号，供电将转换到较高的电压源。这样，一定比B类(乙类)的效率更高。但是，这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点，以致使其使用不适合某些高功率的专业设备。此外，G类(庚类)放大器所产生的失真，大概要比相应的B类(乙类)更大，但也有资料显示，对转换细节进行精心设计，将会使其差别较小。 九、H类辛类)放大器 这类放大器，也似乎与B类(乙类)相似，其特点在于动态地提升单供 电电压(不用转换到另一个电压源)，以提高效率，所采用的电路结构是自举电路。 十、S类放大器 S类放大器，是由桑德曼博士命名的一种放大器。这类放大器，采用一个A类(甲类)放大电路，其电流能力非常有限，加上B类(乙类)放大电路作后备，在连接上使负载呈现为一较高的电阻。Tech-nicsSE-1000所采用的方法与此极为相似。功率放大器的性能指标无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。 （一）、输出功率 输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时注意。 1、额定功率（RMS） 它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。 2、最大输出功率 当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率 3、音乐输出功率（MPO） 音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写,它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。 音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。 4、峰值音乐输出功率（PMPO） 它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。 通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。 （二）、频率响应 频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16 kHz1.5dB。 （三）、失真 失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。 （四）、动态范围 放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 dB。 自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。 （五）、信噪比 信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。 （六）、输出阻抗和阻尼系数 1、输出阻抗 功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。 2、阻尼系数 阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。 二、芯片介绍TDA2003电流输出能力强,谐波失真和交越失真小,各引脚都有交,直流短路保护,使用安全,负载上电压可冲至40V. TDA2003的引脚功能和管脚定义最大额定值 Tamb=25 电源峰值电压(50mS) Vccp 40 V 直流电源电压 Vcc 28 V 工作电源电压 Vcc 18 V 输出重复峰值电压 Io 3.5 A 输出不重复峰值电压 Io 4.5 A 功耗 T=90 PD 20 W 储存温度 Tstg -40 +150度 焊接温度 Tj -40 +150 度 电特性参数V=16.5V f=1kHz Tamb=25 电源电压 Vcc 8 18 V 静态输出端电压 Vo 6.1 6.9 7.7 V 静态电流 Iccq 44 50 mA 输出功率 Po THD=10% RL=4 5.5 6 WTHD=10% RL =2 9 10THD=10% RL =3.2 7.5THD=10% RL =1.6 12 输出灵敏度 Vi Po=0.5W RL =4 14 mV Po=6W RL =4 55Po=0.5W RL =2 10Po=10W RL =2 50最大输入电压 Vim 300 mV 频响 BW Po=1W, RL =4 40 15000 Hz 失 真度 THD Po=0.05 4.5W, RL =4 0.15 %Po=0.05 7.5W, RL =2 0.15 % 输入阻抗 Zi 开环 70 150 k 输入噪声电压 VNI 1 5 V 输入噪声电流 INI 60 200 pA 开环增益 Gvo f=1kHz 80 dBf=10kHz 60 dB 闭环增益 Gv RL =4 39.3 40 40.3 dB 效率 Po=6W RL =4 69 %Po=10W RL =2 65 % 电源纹波抑制比 RRf=100Hz Vr=0.5V Rg=10k RL =4 30 36 dB那个输入端就相当电源的正极，那个下面的一根线的一个横杠是地线，也就是相当电源负极。参数名称 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 直流特性（参考直流测试电路） 电源电压 Vcc 8 18 V 静态输出电压 6.1 6.9 7.7 V 静态电流 44 50 mA 交流特性（参考交流测试电路，Gv=40dB） 输出功率 PO THD=10% f=1KHz RL=4 5.5 6 W RL=2 9 10 RL=3.2 7.5 RL=1.6 12 输入饱和电压 Visat 300 mVrms 输入灵敏度 VIS f=1KHz Po=0.5W，RL=4 14 mV Po=6W，RL=4 55 Po=0.5W，RL=2 10 Po=10W，RL=2 50 频率响应 B Po=1W，RL=4 4015K Hz 谐波失真 THD f=1KHz，Po=0.05W4.5W，RL=4 - 0.15 - % f=1KHz，Po=0.05W7.5W，RL=2 - 0.15 - 输入阻抗（1脚） Ri f=1KHz 70 150 - K 开环电压增益 GVO f=1KHz - 80 - dB f=10KHz - 60 - 闭环电压增益 GVC f=1KHz RL=4 39.5 40 40.5 dB 输入噪声电压 VNI B=22Hz22KHz - 1 5 V 输入噪声电流 INI - 60 200 pA 效率 f=1KHz Po=6W，RL=4 - 69 - % Po=10W，RL=2 - 65 - 纹波抑制 RR f=100Hz，Urippte=0.5VRg=10K，RL=4 30 36 - dB 三、Protel99se软件的介绍3.1 protel99se的发展史 1988年，美国ACCEL Technologies公司：TANGO，随后Protel Technologies公司升级版本：Protel for DOS。1991年，Protel Technologies公司升级版本：Protel for Window1.0。1994年，Protel Technologies公司首创了EDA Client/Server体系结构；1996年底，Protel Technologies推出EDA Client的第三代Protel 3；1998年，Protel TechnologiesProtel 98，于1999年正式推出Protel 99。2000年，Protel Technologies公司兼并了美国著名的EDA公司ACCEL,随后推后Protel 99SE。3.2 Protel99se的主要功能 1、电路原理图设计Schematic 99SE2、印制板图设计PCB99SE3、元器件库编辑Schematic LibraryPCB Library4、信号完整性分析与电路逻辑仿真5、可编程逻辑设计四、音频功放电路的制作与调试4.1 绘制原理图 5.2 焊接焊接工艺要点预热预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。通常，35和45钢的预热温度为150250含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250400。若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各150200mm。焊条条件许可时优先选用碱性焊条。坡口形式将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。焊接工艺参数由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。焊后热处理焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下(动载荷或冲击载荷)工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600650。 若焊后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。焊接工艺基础知识 焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。 现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。对接接头焊缝的横截面形状，决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。 厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接。搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。焊接已成为现代工