音调可调的音频功率放大器的设计.doc

模拟电子线路 课程设计报告题 目: 音调可调的音频功率放大器的设计 班 级: 学 号: 姓 名: 同组人员: 指导教师: 2014年6月26日目 录 1 课程设计目的及任务12 系统设计12.1 方案设计12.2 功放芯片TDA2030参数13 单元电路设计及仿真33.1 前置放大电路33.1.1 工作原理33.1.2 电路结构及参数设计33.1.3 电路仿真43.2 带通滤波器53.2.1 工作原理53.2.2 电路结构及参数设计83.2.3 电路仿真83.3 音调控制电路93.3.1负反馈式音调控制器的工作原理93.3.2 电路结构及参数设计143.3.3 电路仿真143.4 功率放大电路163.4.1 工作原理163.4.2 电路图分析164 整机测试175 电路安装、调试与设计感想175.1 电路安装调试175.2 设计感想176 指导老师意见18参考书目18附录18音调可调的音频功率放大器的设计1 课程设计目的及任务设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度5mV，负载电阻等于8的条件下，音频功率放大器满足如下要求：(1) 最大输出不失真功率POM8W。(2) 功率放大器的频带宽度BW50Hz18KHz。(3) 在最大输出功率下非线性失真系数3%。 (4) 输入阻抗Ri100k。(5) 具有音调控制功能：低音100Hz处有12dB的调节范围，高音10kHz处有12dB的调节范围。2 系统设计2.1 方案设计根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图 所示框图实现。下面主要介绍各部分电路的特点及要求。功率放大音调调节前置放大带通滤波 扬声器话筒 图2-1 系统框图2.2 功放芯片TDA2030参数TDA2030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。3.2.2 译码显示模块。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。TDA2030极限参数表2-1 TDA2030极限参数参数名称极限值单位电源电压(Vs)18V输入电压(Vin)VsV差分输入电压(Vdi)15V峰值输出电流(Io)3.5A耗散功率(Ptot)(Vdi)20W工作结温(Tj)-40-+150存储结温(Tstg)-40-+150引脚介绍图2-2 TDA2030实物图1脚是正向输入端 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。 TDA2030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，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。 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。 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。 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。 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。虽然TDA2030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 单元电路设计及仿真3.1 前置放大电路3.1.1 工作原理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。声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，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。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些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；假如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。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，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。前置放大器的选择是十分重要，直接会影响整机的噪声大小和信号保真。因此需选择高精度、低噪声、高保真、宽带宽的运放，如OP07、NE5532A,其中OP07是精度较高的单运放，本设计因是手工焊锡，考虑到电路简单化以减小干扰，选择大s原装拆机的双运放NE5532A.3.1.2 电路结构及参数设计图3-1 前置级放大器电路图 NE5532上有两组运算放大器，本级设计放大15倍，为了减少噪声输入，在直流电源输入端加耦合电容，可以滤除高频和低频干扰信号。 3.1.3 电路仿真（1）波形放大仿真图前级放大倍数为15倍图3-2 波形图 （2）频率响应仿真图 图3-3 20HZ频率响应 图3-4 1KHZ频率响应 图3-5 20KHZ频率响应 如上图20hz为23.69分贝，1000hz为23.69分贝，20KHZ为23.69分贝分贝。人的听觉范围20HZ-20KHZ在本级设计通频带的范围基本无衰减。3.2 带通滤波器3.2.1 工作原理低通滤波器容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。典型的一阶有源低通滤波器如图3-6：图3-6(a) 反相输入低通滤波器 图3-6(b) 同相输入低通滤波器设计中采用集成运放低通滤波器的同相输入接法。则输出电压 Uo= (3-1)而 U+= (3-2)所以传递函数 A= (3-3)其中输出电压Uo与其输入电压U+的比值为Aup ；0为电压放大倍数下降到时对应的角频率。所以其特性为 Aup= (3-4) (3-5)若设计一个放大倍数为3倍的低通滤波器，则设计中负反馈选择200电阻，为了达到3倍的放大倍数，电阻R1和R选择100电阻。因为人可以听到的声音范围为20Hz20kHz,则 （3-6） rad/s (3-7)由于R选择100电阻，则C0.08uF。设计中电容采用0.082uF的电容。高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。它有时被称为低频剪切滤波器；在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。高通滤波器与低通滤波器特性恰恰相反。典型的一阶有源高通滤波器如图3-7：图3-7(a)反相输入高通滤波器 图3-7(b)同相输入高通滤波器设计中采用集成运放高通滤波器的同相输入接法，其中：传递函数 (3-8)在理想特性下通带电压放大倍数 (3-9)通带截止角频率 (3-10)若设计一个放大倍数为3倍的高通滤波器，则设计中负反馈选择20k电阻，为了达到3倍的放大倍数，电阻R1和R选择10k电阻。因为人可以听到的声音范围为20Hz20kHz,则 （3-11） rad/s (3-12)由于R选择10k电阻，则C0.8uF。设计中电容采用0.75uF的电容。设计出电路图如图3-8。 3.2.2 电路结构及参数设计 图3-8 带通滤波器 本级设计电路不仅可以滤除小于20HZ,大于20KHZ的干扰信号，还以作为二级放大电路，按照参数设置，本级放大9倍。3.2.3 电路仿真图3-9 20hz频率响应图3-10 1khz频率响应 图3-11 20KHZ频率响应 可见20Hz为19分贝，1khz分贝，20KHz为15.9分贝，通频带基本在20HZ-20KHZ以内。3.3 音调控制电路音调控制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。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。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，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。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。3.3.1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所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C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C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。图3-12 负反馈式音调控制电路图(1) 低音调节在电路图3-12中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图3-13(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3-13(a)电路的频率响应分析如下：图3-13(a)低音提升等效电路图 图3-13(b)低音提升等效电路幅频响应波特图 图a所示的电压放大倍数表达式为： 。化简后得：，所以该电路的转折频率为： ， 。可见当频率时，；当频率时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3-13(b)所示。同样当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图4(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3-13(a)电路的频率响应分析如下：图3-14(a)低音衰减等效电路图 图3-14(b)低音衰减等效电路幅频响应波特图图中电压放大倍数表达式为，其转折频率为： ， 。可见当频率时，；当频率时，。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图3-14(b)所示。在电路给定的参数下， 。(2) 高音调节同理，图3-12电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图3-15(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3-15(b)。其中，。在假设条件R1=R2=R3的条件下，Ra=Rb=Rc=3R1。 图3-15(a)高音提升电路图 图3-15(b)高音提升等效电路幅频响应波特图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3-16(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：，其转折频率为：，。当频率时，；当频率时，。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。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图3-16(b)所示。 图3-16(a)高音提升电路图 图3-16(b)高音提升等效电路幅频响应波特图 当Rp1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3-17（a）所示。 图3-17(a)高音衰减电路图 图3-17(b)高音衰减等效电路幅频响应波特图该电路的电压放大倍数表达式：。其转折频率为： ，。当频率时，；当频率时，。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3-17(b)所示。在电路给定的参数下， 。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8所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。图3-18 音调控制器的幅频特性曲线3.3.2 电路结构及参数设计 图3-19 音调调节电路3.3.3 电路仿真 本级放大倍数为1。图3-20 100HZ频率响应图3-21 100HZ衰减频率响应图3-22 100HZ提升频率响应图3-23 10KHZ频率响应图3-24 10KHZ衰减频率响应图3-25 10KHZ提升频率响应 可见本级设计在100HZ时有100HZ-12HZ,100HZ+12HZ的频率响应10kHZ时有10kHZ-12HZ,10kHZ+12HZ的频率响应3.4 功率放大电路3.4.1 工作原理功率放大电路种类繁多，有配合晶体管使用的OCL,OTL功放电路，这里我采用功放集成电路TDA2030,此款芯片，就有高驱动能力，在双电源的模式能直接输出20W 的高功率，可驱动一般的扬声器，TDA2030具有线性失真度小，谐波分量低等优点。并且外围电路较为简单，可避免复杂的连接元件，TDA2030被普遍用于中低档的功放中，本设计为了尽量减小线性失真度，选择TDA2030A。3.4.2 电路图分析 图中1欧姆串联0.22P的电容以破坏自激振荡的产生。本级放大10倍，入输入信号为5mv左右的音频信号时可直接驱动8W，8欧的扬声器。图3-26 功率放大电路4 整机测试 输入5MV，1KHZ理论放大1800倍，实际测量值1800倍，在100hz、10KHZ时有正负11分贝的调整，基本达到要求，但通频带因为带通滤波器的影响，只有20hz-18khz,但人耳对100hz以下，10KHZ以上的音频信号并不敏感，本设计达到音频放大器的要求。5电路安装、调试与设计感想5.1 电路安装调试利用15V电源进行调试，将电路板和电源箱正确接线，确保线没接反，首先看芯片有无发热、冒烟等现象，若出现上述状况应该立即断开电源检查电路，然后将输出端可与示波器相连进行调试。调试按每个小模块进行检测。若出现结果失真，依据理论知识调整参数即可；若连结果都不出现，则要按模块逐个检查电路：首先检查接线是否有误，再检查是否有短路或虚焊的地方，可用万用表进行检测。不断调试，直到成功为止。5.2 设计感想本次设计遇到自激振荡现象，静态电压接近电源电压，以致烧