高保真音频功率放大器设计报告书.doc

江西蓝天学院模拟电子系统课程设计模拟系统课程设计题 目高保真音频功率放大器设计电子信息工程系专 业电子信息工程（楼宇）班 级10 电信本（1）班姓 名 刘 其 海指导教师周 玉 林2011年11月9日课程设计任务书学生姓名：刘其海 专业班级： 电信本（1）班 指导教师： 周玉林 工作单位： 电子信息工程系 题 目: 高保真音频功率放大器的设计 一、设计目的根据设计要求，完成对高保真音频功率放大器的设计。进一步加强对Protel（或Multisim ）软件的应用和对模拟电子技术知识的理解。二、设计内容和要求根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL或BTL电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或Multisim 软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。三、初始条件可选元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TDA2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源12V，或自备电源。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表四、时间安排1、2011年3月14日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、2011年3月14日至2011年3月15日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。3、2011年3月16日至2011年3月17日，电路装配与调试。4、2011年3月18日撰写课程设计报告书。指导教师签名：周玉林 2011年11月9日目 录摘 要11设计内容及要求2 1.1 设计目的及主要任务2 1.1.1 设计目的 2 1.1.2 设计任务及主要技术指标2 1.2 设计思想22 方案论证及整体电路工作原理3 2.1方案确定与论证3 2.2整体电路工作原理33电路单元模块设计4 3.1 电源电路的设计4 3.2 音频输入的设计4 3.3 集成功放的设计4 3.3.1 TDA2030的OTL电路44器件选择及参数计算5 4.1 输入电容的选取5 4.2自举电容的选取5 4.3反馈电阻电容的选取5 4.4输出电容的计算6 4.5音频输出器的选取65电路安装与调试6 5.1 电路的安装6 5.2 电路的调试与数据测定6 5.2.1 输出电压的测定7 5.2.2 输出功率的计算75.2.3 电源供电功率的测定75.2.4 效率的计算75.2.5 输出电压波形图 86 电路主要参数测定8 6.1 极限使用条件8 6.2典型工作点主要电参数9 6.3 波形参数10 6.4 实物图127设计电路的特点及改进意见13 7.1 设计电路的特点13 7.2 电路改进意见138 元件列表139 心得体会14参考文献16摘要 本文介绍了采用集成功放芯片TDA2030设计高保真音频功率放大器的原理与方法，阐述了集成芯片的比较选取，重点分析了TDA2030功放电路的结构，记录了其各项性能指标。该功放的设计避免了单立元件组合电路布线复杂，输出信号失真大的缺点，TDA2030双声道功率放大集成电路，该电路具有声道分离度高、电源接通时冲击噪声小、外接元件少，最大电压增益可由外接电阻调节等特点。关键词：TDA2030；高保真；失真小；效率高Abstract This paper introduces an integrated power amplifier chip TDA2030 high-fidelity audio power amplifier design principle and method of chip on the comparative selection, focused on analyzing the structure of TDA2030 amplifier circuit record of its performance indicators. The amplifier design to avoid a single element circuit wiring complexity, the output signal distortion major shortcomings, TDA2030 dual channel power amplifier integrated circuits, the circuit has a high channel separation, the impact of noise when connected to power a small external components less, the biggest gain by external resistor voltage regulator and so on.Key words: TDA2030; fidelity;small distortion ; efficient1 设计内容及要求1.1设计目的及主要任务1.1.1设计目的要求了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。要求掌握音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。 1.1.2 设计任务及主要技术指标根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL或BTL电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或Multisim 软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。1.2设计思想本次设计首先在众多集成功率放大器中选出符合设计要求且工作性能最佳的集成芯片。而整个设计的核心部分就在功放模块电路的设计，该模块完成的功能主要包括放大输入音频以及调节输出音频。随后运用Multisim 软件中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。待所有模块的功能正确之后，运用原理图搭建顶层电路并进行整体仿真直至达到最初的设计要求，最后再在实验箱上检验设计的正确与否。2 方案论证及整体电路工作原理2.1 方案确定与论证功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路和正负双电源供电的OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。根据设计指标及要求，选择TDA2030功放芯片的OTL典型电路，该芯片具有音色甜美动听、性能优良，工作可靠，外围元件少以及安装方便等特点，电源电压从2.2V到16.8V均可以正常工作，对电源电压的适应范围很宽，静态电流小，电源电压增高时，输出功率增大。另有一种方案为集成功放芯片的OCL电路，这种电路采用正负双电源供电，该电路全部是直流耦合的，当某一级电路某一点出现故障时，多数情况下都将造成其余放大级电路静态工作点的牵连变化，出现声音失真甚至烧机。2.2 整体电路工作原理 CK插头 电 源 输 入KBP206G 稳压电路音 频 输 入 TDA2030 集 成 功 放 电 路 音 频 输 出由两片TDA2030接成OTL功率放大器，电路书要分为电源电路（由电源输入、电源稳压电路组成）、音频输入、TDA2030功放主体电路和音频输出。电路拟采用两种电源输入形式，CK插头输入，适用于不同场合使用，USB主要用于电脑随放，CK 插头可接自制直流稳压电源亦可接一般随身听电源，非常方便。下图为设计电路整体框图：3 电路单元模块设计3.1电源电路的设计考虑到电源获取的方便性，选取家用电（220V）电源作为本电源的供电模块。但如果上述电源直接输入，噪音太大，影响音质。故选取了噪声较低的集成稳压块KBP206G作稳压作用，交流220V输入，直流12V输出。经验证明，此电压经TDA2030输出可以驱动8/3W喇叭发声。下面是KBP206G整流桥堆电路图： 图3-1 KBP206G整流桥堆电路3.2音频输入的设计音频输入用一般的耳机输出线改装而成。去掉耳机头，刮掉信号线表面胶漆，直接到集成功放输入端。3.3集成功放的设计3.3.1 TDA2030的OTL电路TDA2030集成电路的输出功率由电源电压和负载阻抗大小决定。既可以构成双声道OTL功放，又可以组成BTL功放。本次课程设计采用其OTL典型电路，应用电路如下图所示：4 器件选择及参数计算4.1输入电容的选取该电路要加一输入耦合电容，以减小噪声输入选取一小电容足矣，故取0.22F瓷片电容。4.2自举电容的选取自举电容使输出幅值增加。建议值为100uF。自举电容器避免减少输出信号。此外，在低频和低电源电压时，有较好的减小失真的作用。4.3反馈电阻电容的计算图4-6 TDA2030反馈电路输出电压由电阻人R1、R2、C1决定，其增益由下式决定： 当Rf=0，C1=100F，f=32Hz时，增益为46dB。4.4输出电容的计算最低输出频率由输出电容决定根据以下式子给出：当FL=100Hz,RL=8时，C=198.9 F，为留有余地，选取470F铝电解电容。4.5音频输出器的选择本设计选取了8/3W大纸盆喇叭。5 电路安装与调试5.1电路的安装按照电路设计图，在线路板上合理布局后，将元件焊接在线路板上，安装过程中，注意将电容尽量焊得离主芯片近些， TDA2030要加散热片；另外要避免虚焊。这样制作出的TDA2030双声道OTL电路。其音效好，音质高，失真小；功率达标；响应频带宽；效率高。5.2电路的调试与数据测定要想功放各项指标都达到要求，有三大关键：1.要求电源品质高。最初的设计中并未使用1117稳压电路，电流噪声大，几乎完全压倒音频信号的输出。加1117稳压电路后，电源性能好，对音频信号干扰小。2. 要求输入、输出滤波好。滤波不好，会输出很大噪音或者产生严重失真。音频信号输入端串接了0.22F瓷片电容，输出端串接470F电解电容，并联0.15F瓷片电容，起到了很好的滤波作用。 3.要求喇叭性能好。经试音比较，选取了大纸盆喇叭，音质更好。5.2.1 输出电压的测定用函数发生器给安装好的电路提供频率为1KHz，峰峰值为300mV的正弦交流电压，用示波器观察输出端的波形，记录此时输出波电压的有效值，并记录下此时的波形图。实际调试过程中，测得输出电压的值为176.8mV。5.2.2 输出功率的计算在加8负载的情况下，根据功率计算公式求得输出功率为=4mW。5.2.3 电源供电功率的测定用开关电源给所设计的电路提供+5V的直流电压，将电路输入端断开，用万用表测得输入电流=20mA。应注意经KBP206G稳压后，提供给TDA2030电路的电压只有3.3V，故根据功率计算公式可得电源供电功率=66mW。5.2.4 效率的计算根据上面测量计算出的输出功率和电源供电功率，可根据公式=，可计算出实际测试的效率只有6.06%。5.2.5 输出电压波形图根据5.2.1节的条件，示波器上显示的输出电压的波形图如下：图5-2-5 输出电压波形6 电路主要参数测定6.1极限使用条件在T=25 -C时，电源电压Vcc=15 V.输出峰值电流10=1.5A。6.2典型工作点主要电参数TDA2030的中文资料 如右图 一，极限参数参量符号参数数值单位VS最大供电电压22V Vi输入VS Vi差分输入15VIO最大输出电流3.5A PTOT最大功耗20WTSTG ，TJ存储和结点的温度-40 to +150 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.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%。6.3波形参数 TDA2030输入电压-输出电压关系曲线。图6-3 参数曲线图6.4 实物图7 设计电路的特点及改进意见7.1设计电路的特点本次课程设计所用的电路具有性能优良，工作可靠，外围元件少以及安装方便等特点，电源电压从2.2V到16.8V均可以正常工作，对电源电压的适应范围很宽，静态电流小，电源电压增高时，输出功率增大。7.2电路改进意见因在调试电路过程中发现输出功率及效率都不够指标的要求，分析电路可知，TDA2030所构成的电路本身提供的输出功率就小，为了满足设计指标，可考虑添加电路中TDA2030芯片的数量，也可扩展其外围电路，使得输出功率及效率满足设计要求。8元件列表元 件 列 表元件名称与规格数量元件名称与规格数量TDA20302个KBP206G1个2200F铝电解电容2个104电容2个10F铝电解电容3个223电容4个TDA2030电路板1个224电容4个100电位器3个222电容2个散热片2个CK插头1个自制音频输出线2根导线若干8、3W喇叭2个电阻若干螺丝2个9心得体会本次课程设计至此已经接近尾声，我在这次实践中学到了很多，首先是帮同学安装了Multisim仿真软件，其次是我用这个软件做仿真基本上都熟悉了，不过由于我的英语不是太好，还是有些选项不懂。最后是制作，它带给我许多实际经验，比如制作工艺和焊接等等。我们这次用Multisim来仿真自己制作的电路。给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有扎实的基础，要熟练的掌握课本知识，这样才能对实验中出现的问题进行分析和解决。我通过翻阅资料、上网搜索，对各电路器件（如TDA203、KBP206G芯片等等）以及原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力，又使我能更好的运用所学的知识，并且还考察了我的动手能力，从而使学过的知识得到了巩固与复习。有一次我在仿真的时候出现了错误，弹出来的框框全是英文，这时我用有道翻译和请同学帮忙解决，但都没有得到我所想要的答案，最后只有请教指导老师来协助我更改错误，具体操作我就不在这次的体会中细说了。但通过这个事让我想起了我们中国式的教育，总是从理论联系实际，都没有人反过来想用实际来联系理论，在当代大学生中出现了极多的理论天才，但当他们走向社会时却总是被社会所淘汰，从而产生了如此多的无业游民（且都是高学历的）。所以我要说的是我们应该这样教育应用型本科、专科和自考：要在实际中联系理论，使学习变成了乐趣、使知识形象具体的被掌握，这样对老师的要求就非常高。让那些不爱学习的人也变得特爱学习，让一本新书不是从头翻到尾，也不是从中间翻到两头，更不是从最后翻到开头，而是要根据自己所实践的内容学习书上的知识。比如今天实训做一个很普通的零件（之前自己从没有接触过），现在在老师的指导下制作，我相信是人都不会是完美的，不是吗？因此会有很多问题，甚至有些问题连老师也回答不是上来（从而不会产生老师这个职业无聊的严重现象，若老师不进修的话），在这个情况下，在自己特别想知道答案的情况下，在自己试了很多次且无结果的情况下，在自己无法理解且又特别想知道原理的情况下，在自己再在指导老师的协助下，学习某个知识点不是更好吗？！我相信至少比在课堂上干讲要实际得多，也要好理解得多，更重要的是被动学习变成了主动学习，也就是说要我学习，变成了我要学习