模拟电子技术基础课程设计——功率放大器.doc

10 电子技术课程设计 题 目： 功 率 放 大 器 的 设 计 系 别： xxx工 程 系 专 业： xxx 班 级： xx 班 学生姓名： xxx 指导老师： xxx 完成日期： 2011-6-29 山西大同大学煤炭工程学院 一、 设计任务与要求 山西大同大学煤炭工程学院模拟电子技术课程设计任务书班级自动化二班学生姓名杨树旺指导教师范子荣课程设计题目功率放大器（甲类，乙类，甲乙类）主要设计内容 1.功率放大电路工作状态的选择 2.功率放大电路的设计 3.功率放大电路的故障与排除主要技术指标和设计要求1设计指标 输出功率尽可能的大； 失真尽可能的小； 效率要高； 要有散热措施；2设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）； 元器件及参数选择； 电路仿真与调试； PCB文件生成与打印输出。3编写设计报告 写出设计全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 1、技术指标 设计一款额定输出功率为10 20W的低失真集成电路功率放大器，要求电路简洁，制作方便、性能可靠。性能主要指标：输出功率：10 20W（额定功率）；频率响应：20Hz 100kHz（3dB）谐波失真：3 (10W,30Hz20kHz）；输出阻抗：0.16;输入灵敏度：200mV（1000Hz，额定输出时）2、设计要求 A、设计简易直流电源、音调控制级、功率放大级； B、选定元器件和参数，并设计好电路原理图； C、在万能板或面包板上进行电路安装调测； D、测试输出功率； E、测试输入阻抗； F、写出设计报告。状态一个信号周期内导通时间工作特点图示甲类整个周期内导通失真小，静态电流大，管耗大，效率低。乙类半个周期内导通失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。甲乙类半个多周期内导通 失真大， 静态电流小 ，管耗小，效率较高。二、方案设计与论证由上可知，电源要采用双电源供电，故可以用无输出电容的功率放大电路即OCL电源，电源可以双12V的交流变压器经整流滤波得到，主要考虑功率放大部分。主要有分离器件和集成器件两大类，各有优缺点。经过调试基本上能达到要求。 方案一、采用分离器件的OCL电路原理图如右，静态时，从+VCC经过R1、R2、D1、D2、R3到-VCC有一个直流电流，它在T1和T2管两个基极之间产生的电压为，略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，从而使两只管子均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电波，分别为IB1和IB2。静态时应调节R2，使发射极UE电位为0，即输出电压uo为0。输入信号的正半周是T1管发射极驱动负载，而负半周是T2管发射极驱动负载，在信号电压很小时，两只管子同时导通，因而它们工作在甲乙类状态，消除了交越失真。若静态工作点失调，例如R2、D1、D2中任意一个元件虚焊，则从+VCC经过R1、T1管发射结、T2管发射结、R3到-VCC形成一个通路，有较大的基极电流IB1和IB2流过，从而导致T1和T2管有很大的集电极直流电流，以至于T1和T2管可能因功耗过大而损坏。因此，常在输出回路中接入熔断器以保护功放管和负载。该电路的特点： 优点： 只要调整元器件的参数，既可改变放大倍数和功率 ，元件选用灵活 缺点： 元件较多，调试复杂，计算繁多，难以达到设计指标要求方案二、采用集成器件的OCL电路TDA系列IC为引进的国外集成器件，可以装载散热片，采用8根引出脚的单列直插塑封形式。由于管脚数量少，所以外围元件也少，工作可靠，只要连接无误，一般无须调整就能投入正常使用，此外，内部具有较完善的过载、过热保护环节，所以不易损坏，即使RL短路也能自动地限制电流，使内部功放输出管工作与安全区。还有LM系列功放集成电路也是一种比较常用的功率放大器件。可以说集成功放是近年来日趋广泛应用的一种功率放大器。在本电路中选用TDA2030作为核心功放器件，由于它的内部已经集成了反馈电路，所以外部不需要在加反馈电路，外部只需加两只音频输入耦合电容和输出RC消振电路即可，不需要其它复杂的计算。如右图所示，该集成块电源电压范围为1030V，当电源电压为14V，RL=8时，每声道连续输出12W左右，总谐波失真度为0.01%，足已满足设计要求。该电路的特点：优点：外围元件少，调试方便，布局方便 缺点：内部集成反馈，放大倍数难以改变改变功率只有提高电源电压和负载三、单元电路设计与参数计算1、电源部分直流电压不宜取得过高，否则不仅集成块发热严重，而且音质劣化，还可能引发过压保护电路的误动作。优先使用厂家推荐电压，也可用极限电压得到直流电压，再以直流电压除以得交流电压。电源变压器采用双12V变压器，通过桥式整流后即可得到正负电源。考虑到负载的功率，在选用变压器时要功率匹配，约25W。功放无需使用稳压电源，但电源的功率容量一定要足够。变压器的功率可取总输出功率的两倍，并作好屏蔽。整流管选低内阻的。整流电路中二极管的选择，考虑到电网电压的波动范围为10%，在实际选用二极管时，至少有10%的余量，选择最大整流电流 Imax和最高反向工作电压U RM由分别为Imax1.1 IO(AV) =1.1*1.5=1.65A U RM1.56U2 19V考虑到整流桥使用方便，故电路选用整流桥，用4A/600V已经能够满足本功放电路并大有余量或者用4个IN4001组成桥式整流也行，电路如原理图所示。滤波电容容量适可而止，不能要盲目求大，C的取值应满足： RLC(35)T/2 故 RL=UO(AV)/IL(AV)=15/1.5=10 C=(35)T/2RL=(35)*1000uF故电容的容量选取约4700。变压器副边电压有效值为12V , 电容的耐压值为U1.11.4112V19V综合上述，故电容选取4700/25V。电源指示直接从变压器次级取交流12V,但要加一个限流电阻R1,R1的取值：发光二极管的工作电流在320mA之间，正向导通压降（视型号不同而不同）约为1.52.5。在这里取电流为5mA，正向导通压降为2V,则R1=（ERMSUF）/ 2IF =1k 2、功放部分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。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。 6.TDA2030A能在最低6V最高22V的电压下工作在19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。引脚情况：1、脚是正相输入端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。1脚,2脚正负音频信号输入,100K欧,4脚输出4欧或8欧，电源接5正12伏，3负12伏注意事项：1.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。2.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。3.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。4.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。5.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。6.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。元件参数的确定：同轴双联电位器用作左右声道音量的同步调节，可选47K,这里我用的是高质量电位器只有10K的，用上也可以。高频退耦电容C5、C6一般取100nF。耦合电容一般选用110f / 25V。消振移相电路由该集成快的数据手册可知，电阻选用10，电容选用100nF.关于散热片的大小：有此功放的转换效率，可的功放块的热功率为4.5W,故查TDA2030数据手册，得散热片的规格应不小于40mm30mm15mm四、总原理图及元器件清单1原理图电源部分原理图 功放部分原理图 总组装图 2所需元件清单实验电路板： 1块 2200U/25V滤波电容 2个进口0.1u CBB电容： 4个 进口1u CBB电容： 2个680欧金属膜电阻：2个22K金属膜电阻：4个1欧金属膜电阻 2个小容积22u电容 2个IN4001二极管 4个TDA2030A 2个4A/600V整流桥堆 1个正负12V交流变压器 1个五、安装与调试安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有5引脚，看准后，可直接焊在电路板上。按照布局图或PCB图把元件逐一焊接在电路板上，对于二极管或电解电容等有极性器件要用仪器判断好后在焊接。元件全部焊接完成后，在仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。 TDA2030的一些参数1测量输出电压放大倍数Au 测试条件：直流电源电压12v，输入信号1KH 70 mv（振幅值100mv），输出负载电阻分别为4和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12v，负载电阻分别为4和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12v，输入信号70mv（振幅值100mv），改变输入信号频率负载电阻为8。六、性能测试与分析1在实验室里，选用低频信号发生器做信号源，用示波器观察波形，并测量出输出电压的有效值。测试取输入信号频率f=1khz Vi=200mV RL=8/25W，经测量和计算的如下参数：输出电压（有效值）10.2V输出功率Po=15W电压放大倍35电源平均供给功率15.9V1.13A18W转换效率 %2频率响应测试在保证输入信号Ui大小不变的条件下，改变低频信号发生器的频率。用交流毫伏表测出Uo=0.707Uom时，所对应的放大器上限截止频率fH和下限截止频率fL,算出频带宽度B:fL25HzfH28KHzB=fHfL28KHz 3失真测量由于条件的限制，无法测量失真度七、结论与心得通过这次对功率放大电路的设计，让我了解设计电路的程序，也让我了解了关于功率放大电路的设计理念。以前老师在课堂上讲一些，课下做一些习题，对此问题了解甚少，但经过此次的设计就完全不同了。课程设计都需要刻苦耐劳，努力钻研的精神。对