音频功率放大器734012249.doc

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高保真音频功率放大器 目录一.前言二.功率放大器概述2.1名词解释2.2 原理2.3功率放大器的研究意义三.功率放大器的技术指标和类别特点3.1 功率放大器的技术指标及其说明3.2 功率放大器的类别及其特点3.2.1按所用的放大器件分3.2.2按输出极与扬声器的连接方式分 3.2.3按输出管的偏置和工作状态分四.总体电路设计4.1元件清单4.2总体电路图4.3总体电路分析五.单元电路设计 5.1直流稳压电源5.2散热设计5.3反馈放大电路5.4 TDA2030功率电路5.4.1 TDA2030简介5.4.2 TDA2030典型应用电路六焊接安装调试6.1焊接6.2安装调试七课程设计总结八参考文献 一. 前言高保真功率放大技术的发展，使整个音频功率放大技术领域发生了巨大的变化。现代人对听觉水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，高保真音频功率放大技术克服了这个缺点，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，同时对声音信号进行必要的修饰和加工，因此，我们这次的研究对象是高保真功率音质放大技术，本文主要介绍LM1875音频放大器的设计，它在音频应用场合提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有了高增益、快速转换速率、宽功率带宽、大输出电压摆幅、大电流能力和非常宽的电源范围等特性。系统采用大回环电压负反馈控制输出，配以普通双路桥式整流滤波电路，放大器采用内部补偿，增益控制在26dB左右。它可用与高品质音频系统、立体声唱机等等。二.功率放大器概述2.1名词解释高保真 高保真的英文原词是High Fidelity，简称HI-FI。高保真指声频录音及放音系统或设备具有如实反映声音信号本来面貌的能力，以及设备对声音信号进行特定修饰、加工处理和声场再现时声像位置及其移动的逼真程度。评价一个音响系统或设备是否符合高保真要求，一般应采用主观听音评价和客观指标测试相结合的方式来进行，并以客观测试指标为主要依据。因为采用仪器测试设备的性能指标，能得到很直观的可供参考比较的定量结果，无疑是最科学而值得信赖的。然而，随着技术的进步和人们对音响设备各种失真机制的进一步认识，传统的“静态”测试方法和频响、失真度、信噪比三大考核指标已不足以全面反映设备的音质，有时会出现测试指标与听音评价不一致的情况。如现代晶体管功效频响已可达(0一100)kHz以上，失真度也可达0.01以下，音质已相当好，但与频响约30Hz一18kHs，失真度1左右的电子管功放相比，许多人还是认为电子管功放的音质比晶体管功放好。而训练有素的专业人员通过听音评价就能直接对设备的音质作出比较切合实际的定性判断。故在测试手段尚未进一步完善时辅以主观听音来对设备进行音质评价很有必要。听音评价时，应按照通用的评价术语对设备的音质进行综合评价。但主观听音评价方式难免带点主观随意性，有时容易受参评人员的听音素养、听音心理、习惯、爱好以及听音环境和方式等因素的影响而得出有争议的结果。这时则应以客观测试结果为主要评价依据。 功率放大器利用放大芯片、三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。2.2原理 从电路结构来看，集成功放是由集成运放发展而来的，和集成运算放大器相似，包括前置级、驱动级和功率输出级，以及偏置电路、稳压、过流过压保护等附属电路。 除此以外，基于功率放大器输出功率大的特点，在内部电路的设计上还要满足一些特殊的要求。集成功率放大器品种繁多，输出功率从几十毫瓦至几百瓦的都有，有些集成功放既可以双电源供电，又可以单电源供电。如：典型音频功放电路TDA2030：TDA2030采用5脚单列直插式塑料封装结构，体积小巧，外围电路简单，输出功率较大。该集成电路内部有过热、过载和抑制反向电动势的保护电路。 可以组成OTL、OCL和BTL三种不同类型的功率放大电路，可在单、双电源下工作。 2.3功率放大器的研究意义(1) 加强掌握功率放大电路的原理和分析方法。(2) 学习掌握由集成运算放大器构成的功率放大器和由晶体管组成功率放大器的电路知识。(3) 掌握功率放大器的非线性失真的调节方法和分析方法，加深理解其在工程实践中的应用。(4) 掌握查阅和使用电子器件、集成芯片等说明书的方法。(5) 学习掌握互补对称功率放大电路的基本知识。 (6) 掌握和理解阻抗匹配的知识和意义。(7) 在学习掌握本研究性实验提示内容的基础上，设计满足任务要求的电路，并实现电路的仿真、制作和调试。三.功率放大器的技术指标和类别特点3.1 功率放大器的技术指标及其说明灵敏度对放大器来说，灵敏度一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小，因此也称为输入灵敏度；对音箱来说，灵敏度是指给音响施加1W的输入功率，在喇叭正前方1米远处能产生多少分贝的升压值。阻尼系数负载阻抗与放大器输出阻抗之比。使用负反馈的晶体管放大器输出阻抗极低，仅零点几欧姆甚至更小，所以阻尼系数可达数十到数百。反馈也称为回馈，一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路放大倍数的技术。负反馈导致放大倍数减小的反馈称为负反馈。负反馈虽然使放大倍数蒙受损失，但能够有效地拓宽频响，减小失真，因此应用极为广泛。正反馈使放大倍数增大的反馈称为正反馈。正反馈的作用与与负反馈刚好相反，因此使用时应当小心谨慎。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。对器材来说，动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力。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。响应频率响应简称频响，衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。功率放大器的频响范围应不低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。对器材频响的要求有两方面，一是范围尽量宽，即能够重播的频率下限尽量低，上限尽量高；二是频率范围内各点的响应尽量平坦，避免出现过大的波动。瞬态响应指器材对音乐中突发信号的跟随能力。瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就戛然而止，绝不拖泥带水。信噪比(SN)又称讯噪比，是指音频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。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。屏蔽在电子装置或导线的外面覆盖易于传导电磁波的材料，以防止外来电磁杂波对有用信号产生干扰的技术。阻抗匹配一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互联来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机选用与输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。 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 Output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。 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。3.2 功率放大器的类别及其特点3.2.1 按所用的放大器件分可分为集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器）、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和电子管式功率放大器，目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。(1)集成电路功率放大器由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高的水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。本设计就是采用这种电路来实现。(2)电子管功率放大器（俗称胆机）电子管功率放大器的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，仅是输出变压器、电源变压器的绕制动作稍有麻烦，其缺点是耗电大、体积大、电子管有一定的使用期限，因此在实际应用中有一定的局限性。 (3)晶体管功率放大器现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。但其电路的谐波失真较大，电路复杂，调谐繁琐。(4)场效应管功率放大器场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，若能把它离散性较大的确定加以克服将有更为强大的生命力。3.2.2按输出极与扬声器的连接方式分经常使用的功率放大器 有OTL电路、OCL电路、BTL电路等形式。OTL电路它是一种无输出变压器式推挽功能电路，输出极与扬声器之间采用电容耦合，在收音机中常见。OCL电路该电路是OTL电路的改进型，工作原理、电路结构与OTL电路相同。但它的输出极与扬声器之间采用直接耦合的方式，可进一步改善低频响应和失真度。本设计就是采用交流双1218V供电的双声道OTL电路。BTL电路它是两对互补对称桥式电路组成，功率大、失真小，工作状态发生变化时容易烧坏。3.2.3 按输出管的偏置和工作状态分A类放大器输出管总处在导通工作状态，其特点是失真小，但效率低、耗电大。B类放大器输出管仅导通半个周期，另外半个周期截止，其特点是输出功率大、效率高，但失真较大。AB类放大器晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。D类放大器管子导通时间小于半个周期，大部分时间处于截止状态。T类放大器又称为开关式工作状态，即输出管工作于饱和导通和完全截止两种工作状态。四.总体电路设计4.1元件清单元件数量元件数量TDA2030双面电路板一块2200u/25V电解电容 4个22K金属膜电阻4个1u/50V电解电容2个1欧金属膜电阻2个0.22u汤姆逊CBB电容2个680欧金属膜电阻2个22u/25V电解电容6个TDA20302个2位接线座4个4A/600V整流桥堆1个3位接线座1个散热片2片绝缘矽胶片、胶圈1套4.2总体电路图 图(1)总体电路原理图4.3总体电路分析本立体声双声道功率放大器所用的核心芯片是国际通用高保真音频功率放大集成电路TDA2030。本电路由两个部分组成，即电源电路、左右声道的功率放大器。电源变压器将220V交流电降为双12V低压交流电，经桥式整流后变为18V的直流电，作为功放及运放的供电电源。外围元件组成音频控制电路及音频输入信号的处理电路，C1、C12分别是两路信号的输入耦合电路，C9、C10是输出耦合电容。两路功率放大器用的集成电路是TDA2030，其1脚为正相输入端，2脚为反相输入端，C7、C8和C13、C14分别为左、右两路的输入端耦合电容，R3、R4、C6构成IC1的负反馈电路，R5、R6、C5构成IC2的负反馈电路，以提升音质。其5脚、3脚分别接正、负电源，4脚为输出端，负载接4的扬声器时，其有效功率可达20W。用两块TDA2030 组成如图（1）所示的OCL功放电路，TDA 2030为同相放大器，输入信号1和2分别通过交流耦合电容C1和 C2馈入同相输入端，交流闭环增益为KVC1R3 / R4=1R5/ R630dB。R3 ，R5同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。由上图可知，有效值为12V的交流电压源经D01全波整流电路，变为能够为TDA2030提供18V的直流偏执电压。音频信号经TDA2030音频功率放大器放大，最终由两个喇叭输出放大了的音频信号。此即双声道功率放大器电路。五.单元电路设计5.1直流稳压电源各种电子线路，如放大器，振荡器等等均需要直流电源来供电，而电网能提供给我们的却是交流的，所以就需要有一个转换电路把交流电压变成比较稳定的直流电压，能实现这种功能电路叫直流稳压电路，简称直流电源。直流电源是由电网的交流电转化过来的，一般我国的交流电为220V（平均电压）。下图是本次设计中所用的TDA2030功放电路的直流电源电路。为了保证功放板的音质，电源变压器的输出功率不得低于10W，输出电压为218V，滤波电容采用2个2200uF/25V电解电容并联，正负电源共用4个2200uF/25V的电容，两个224J的独石电容使高频滤波电容，有利于放大器的音质。图(2)直流电路图变压器型号是根据所设计的音频电路而选用的。如上图所示，输入端即交流电220V，然后经过变压器变压后，出来12V左右的交流电源，再经过整流桥整流，通过电容的滤波，成为18V的直流电源，供整个电路的使用。5.2散热设计TDA2030是大功率集成片，由于工作在大电流和高压状态下，会有较大的管耗，并转化为热量，使用时其表面将会在瞬间产生高热量，会对集成芯片造成损害。为了使其损害降低到最低的限度，在一些功率放大的音响电路中，常使用散热片。在使用散热片时，应该考虑到集成芯片与散热片之间的联合程度，并在实际的运用过程中，要在两者之间涂抹上一层导热油，如一些导热硅，这样就可以把这个管子上的热量传输到散热片当中，以使更好地发散热量。通过使用散热片就可以起到及时散热的作用，起到了保护的效果。散热装置如下图标注所示。选用的散热片的大小为：长：23mm 宽:11mm 高：25mm5.3反馈放大电路在集成电路放大中，运用了正比例运算放大电路，即输入信号从同相输入端加入，又叫同相放大器，反馈电阻R3跨接在输出端与反相输入端之间，使电路工作在闭环状态。集成运算放大器是一个高增益的放大器，其内部在寄生电容，使用时若引用深度负反馈，则容易引起自激振荡是电路无法正常工作，因此，往往采用适当的频率补偿和相位补偿以防止自激，确保运放稳定工作。TDA2030的参数会随温度的变化将导致放大电路产生非线性失真，放大电路的放大倍数或输出电压的幅度也随着负载电阻的不同而改变面貌，这不同程度地影响了放大电路的性能。为了稳定放大电路的性能，往往在实际的电子电路中引入一些“反馈”环节来改善放大电路性能。反馈，就是将系统的输出量通过一定信息系统又返回到输入端，对输入量产生的影响这样一个物理过程。就是将其输出电压或电流的一部分或全部通过一定电路形式（反馈网络）返回到输入回路，对输入电压或电流产生影响的过程。负反馈电路对放大电路性能的影响：(1)提高放大倍数的稳定性;(2)扩展通频带;(3)减少非线性失真;(4)抑制放大电路内部的干扰和噪声;(5)对输入电阻和输出电阻的影响 。以上是对负反馈的一些基本的作用简介，反馈放大电路如图（3）所示。 图（3）反馈放大电路5.4 TDA2030功率放大器5.4.1 TDA2030简介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。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。TDA2030是目前性价比最高的功放集成块之一，内部有完善的过载及过热保护，是入门级功放制作的绝佳选择。TDA2030的工作电压范围较广，从622V都可以正常工作，输出功率可达18W，而且外围线路简单，制作起来非常容易，可以说是一装就响。TDA2030各脚电压，5脚24V正常，4脚12V输出脚正常，2脚12V正常，1脚信号输入脚12V正常。电路特点： TDA2030引脚图1.开机冲击极小。2.外接元件非常少。3.TDA2030输出功率大，Pomax=25W。4.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。5.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.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：参数名称极限值电源电压(Vs)18V输入电压(Vin) Vs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-+1505.4.2 TDA2030典型应用电路 电路一 电路二 六焊接安装调试6.1焊接焊接工具准备：电烙铁一把，万用表一个，尖嘴钳一把、螺丝刀一把、焊锡丝和松香若干。焊接时先焊接耐热的电阻，再焊电容，再焊整流管，再焊电位器，最后焊TDA2030。焊接TDA2030前须先把TDA2030用螺丝固定在散热片上，否则在最后装散热片时罗斯很难打进去，焊接时注意焊接质量。下图即焊接完成的TDA2030双声道音频功率放大器实际电路图。实际电路： 6.2安装调试电路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无焊错的地方，特别要注意有极性的电子元件，如电解电容、桥式整流堆，一旦把极性焊反了，即有烧毁元器件的危险，所以要特别注意。整个系统在调试时，分部分调试。首先是电源的调试，其次是转换电路的调试然后是功率级本身的调试，最后将整个电路连接起来调试。电源调试时，把变压器接上，然后用数字万用表测量，先检测TDA2030是否有电源供给，即测试TDA2030的第五个引脚是否为正电压，第三个引脚是否为正电压，要注意电路是否有短路的情况。当数字显示在一定范围内跳动时（18V），即调试基本成功。在功率级本身调试中，首先得看看静态工作点是否正常，即把信号输入端、输出端和送到集成片中的直流电都断接起来，使整个回路成为静态工作，然后用万用表测量静态工作点是否正常。具体地操作如下：接上变压器，为防止扬声器烧坏，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用表，万用表置于DC*2V档。功放板上电注意观察万用表的读数，在正常情况下，读数应在30mV以内，否则应立即断电检查电路板。若电表的读数在正常的范围内，则表明该功放板功能基本正常，最后接上音频，输入音乐信号，上电试机，旋转音量电位器，音量大小应该有变化，旋转高低音旋钮，音箱的音调有变化。七课程设计总结随着信息系统的不断发展，音频放大是现代社会中不可或缺的一部分，人们生活逐渐趋向电子化。本次设计就是以音频功率放大器为主题，它主要由音频电路和电源电路两部分组成。实现了信号的超重低音放大功能。通过查考资料，不仅对模拟电子学习的提高，而且还学到了在课堂里所不能学到的，使得收获不少即在专业知识和动手能力上都有了一个台阶的提高。此次课程设计是我自认为收获最大的一次。从最初的选题，开题到写论文直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固。此次课程设计我收获很多，不仅学会了查找相关资料相关标准，分析数据，同时也提高了自己的制作能力。 但是课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。由于时间有限，未能完成全部安装与调试工作，对设计结果没有作出最后的检验，也感到遗憾。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很不全面，还需要以后在工作实践中不断学习。本设计是在张睿老师的精心指导和鼓励下完成的。张老师耐心细致的讲解和指导，使我在这次设计过程中收益匪浅。在此，谨向张睿老师表示衷心的感谢！同时也非常感谢所有支持和帮助过我的同学和老师！此外，我还要感谢在我的论文中所有被援引过的文献的作者们，他们是我的知识之源！八参考文献1 吴文波高保真音响设计制作 北京电子工业出版社，2003，第1版2 谢嘉奎电子线路北京：高等教育出版社，2009，第4版 蒂羇膁芀蒁蚇羄膆蒀蝿腿蒅葿袁羂莁蒈羄膈芇薇蚃羀膃薇螆膆聿薆袈罿蒇薅蚈芄莃薄螀肇艿薃袂芃膅薂羄肅蒄薁蚄袈莀蚁螆肄芆蚀衿袆膂虿薈肂肈蚈螁袅蒇蚇袃