高保真音频功率放大器设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 音频功率放大器的设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：集成功放，电容、电阻、电位器若干；或自选元器件。直流电源12V，或自选电源。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表等。要求完成的主要任务: （1）设计任务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。完成对音频功率放大器的设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。（2）设计要求 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。 利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、 前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。 2、 后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 目录 摘要11.功率放大器简介22.设计方案32.1设计思路32.2 单元电路选取32.2.1 直流电源32.2.2 功率放大电路43 仿真63.1 Multisim简介63.2 低频功率放大器电路仿真83.2.1仿真增益及功率93.2.2 频率响应124焊接与调试134.1 焊接134.2测试条件134.3测试与调试134.3.1数据计算134.3.2输出电压144.3.3频率响应145. 参考文献156. 心得与体会16附录 元件清单17 摘要 本此低频功率放大器设计采用TDA2030A的OCL(双电源互补对称功率放大电路)，正负12v直流稳定电压源提供放大能量，接入电压负反馈电路稳定电压，大电容滤去低频纹波，小电容滤去高频纹波，保证音频信号不失真。 关键词：低频功率放大器 OCL TDA2030A 1.功率放大器简介音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。（1）早期的晶体管功放 半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步，自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器，早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高。（2）晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL电路或 OTL电路，最初的大功率 PNP管是锗管,而 NPN管是硅管,两者的特性差别非常显著,电路的对称性很差,人们更多采用的是准互补电路,通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管 Q2复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。（3）功放输入级差动与共射-共基对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一。音乐讲究各声部之间的乎衡与统一,美术以色彩搭配均衡、和谐为美,在服装设计中,常常采取看似不对称的设计,其实质也是为了取得视觉上的均衡.上面所说的都是艺术,对称和平衡给人一种安定、完美的感觉。有意思的是,在功率放大器中,对称和平衡也有类似的效果。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。音频放大电路是典型应用电路， 由一块TDA 2030和较少元件组成的音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等突出的优点。特别是集成块内部设计有完整的保护电路，能自我保护。TDA 2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。TDA2030A功率放大管利用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。 2.设计方案 2.1设计思路通过功率放大电路这一章学习，我了解到了功率放大器的类型，各类功放的工作原理、参数计算及其功放电路的与元件选择，还有各类功放电路的分析方法，依据这些知识我设计了如下方案的OCL音频功率放大电路。通过查阅资料与学习，我们采用12V直流稳压电源提供输入，用芯片TDA2030A作为运放，放大音频信号输出，加入二极管实现过流保护，在直流电压与地之间分别加入一大一小电容实现对直流电源的滤波作用。2.2 单元电路选取 2.2.1 直流电源 直流电压给TDA2030提供能量，将能量转换为放大信号输出。电压值不宜取得过高，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。因为TDA2030的额定输入电压为6V18V，为了达到输出为10W的额定值，并且减少TDA2030的散热，我们采用12V供电。最后我们小组直接采用实验室的直流稳压电源12V。 图2直流稳压电源 2.2.2 功率放大电路（1）TDA2030A相关参数: TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，在焊接电路板的时候TDA2030A的管脚的分布对于焊接的时候很重要的，如果管脚的区分有错，直接会导致的功率放大器烧掉。通过查阅资料知道他的管脚分布为：汉字对着人，从左往右数为1 2 3 4 5 其中 1为同相输入端，2为反相输入端，3为功率放大器的接地端，4为功率放大器额的输出端，5为功率放大器的电源线的接入端 图3 TDA2030A实物图注意事项： 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所需的元件少，但所选的元件必须是品质。 经过大家讨论分析后得总电路图如下： 图4 TDA2030A的OCL电路 3.仿真 3.1Multism 简介 Multisim本是加拿大图像交互技术公司Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具,被美国NI公司收购后更名为NI Multisim .而V10.0是其(即NINational Instruments)最新推出的Multisim最新版本。目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分,能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立,可以分别使用Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版(Power Professional)、专业版(Professional)、个人版(Personal)、教育版(Education)、学生版(Student)和演示版(Demo)等多个版本,各版本的功能和价格有着明显的差异。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。 NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件,虚拟电子与电工仪器和仪表,实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源,而且还有一般实验室少有或没有的仪器,如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim 10具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法,以帮助设计人员分析电路的性能。 NI Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时,软件还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 NI Multisim 10有丰富的Help功能,其Help系统不仅包括软件本身的操作指南,更要的是包含有元器件的功能解说.Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外NI Multisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口,也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验,与传统的电子电路设计与实验方法相比,具有如下特点,设计与实验可以同步进行,可以边设计边实验,修改调试方便,设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全,可以完成各种类型的电路设计与实验,可方便地对电路参数进行测试和分析，可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图,实验中不消耗实际的元器件。实验所需元器件的种类和数量不受限制实验成本低实验速度快。NI操作界面优点：直观的图形界面 整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的； 丰富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。 强大的仿真能力 以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。 图5 Multism 操作界面 3.2 低频功率放大器电路仿真 根据设计方案确定的原理图画出的仿真图如下： 图6 低频功率放大器仿真图3.2.1仿真增益及功率 仿真条件： （1）输入信号1KHz,最大值300mv,观察输出波形，测试放大倍数Av，功率。 图7输入信号设置 图8 输出功率 图9 1kHz时的输入输出波形 分析：输入信号1KHz,最大值300mv时，输入输出同相，最大幅值为19.961/2=9.9805V,则放大倍数Av=9.9805/0.3=33.268。功率为6.235w。我通过调试端电阻、耦合电容值，输出功率也在7w以内波动，。（2）输入信号10KHz,最大值300mv,观察输出波形，测试放大倍数Av，功率。 图10 10KHz时的功率 图11 10kHz时的输入输出波形 分析：输入信号10KHz,最大值300mv时，不同相也不反相，最大幅值13.751/2=6.8755V,则放大倍数Av=6.8755/0.3=22.918。功率为2.535w,与所要求甚远。看来此电路在高频区输出幅值偏小，功率偏低。（3）输入信号20KHz,最大值300mv,观察输出波形，测试放大倍数Av，功率。 图 12 20kHz时的功率 图13 20kHz时的输入输出波形 分析：输入信号10KHz,最大值300mv时，输入输出相位差约为90度，最大幅值7.143/2=3.5715V,则放大倍数Av=3.5715/0.3=11.905。功率为251.752mw,与所要求甚远.果不其然，此电路在高频区输出幅值偏小，功率偏低。3.2.2 频率响应 图14 最大增益 图15 下限频率 图16 上限频率 分析：从仿真的波特图知，最大增益为30.457db,下降3dB时，带宽BW为15Hz-18kHz ,基本符合要求20Hz20kHz。4焊接与调试 4.1 焊接 由另一个同学负责，因为电路结构简单，没什么飞线，不过需注意电解电容极性。4.2测试条件（1）测量输出电压放大倍数Av 测试条件：直流电源电压12v，输入信号1KH Vi峰峰值600 mv，输出负载电阻为8。（2）测量频率在20Hz-20 KHz范围内，输出电压是否会失真 测试条件：直流电源电压12v，输入信号Vi峰峰值50mv，改变输入信号频率，负载电阻为8。下图为调试电路 图18 调试电路图（1） 图19 调试电路图（2）4.3测试与调试 4.3.1数据计算在实验室里，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峰峰值600mV，RL=8/10W，经测量和计算的如下参数：输出电压（有效值）U0=19.2/2/1.4=6.788V输出功率Po=6.788*6.788/8=5.76W电压放大倍19.2/2/0.3=32电源平均供给功率2*12.0*9.6/89.16W转换效率 5.76/9.16=62.89% 4.3.2输出电压根据的条件输入信号Uiom=300mv，示波器上显示的输出电压的波形图如图5所示 图20 输出电压波形 4.3.3频率响应在保证输入信号Uiom=50mv大小不变的条件下，改变低频信号发生器的频率。当频率为20Hz时，用示波器观察输出波形未失真，当频率为20kHz时，用示波器观察输出波形未失真，在20Hz-20kHz取几个值，用示波器观察亦未失真。20Hz 20kHz 1.07kHz图22 不失真频率范围内的波形5. 参考文献【1】童诗白，华成英. 模拟电子技术基础.北京: 高等教育出版社, 1989 【2】吴文波. 高保真音响设计制作.北京: 电子工业出版社,2000,3【3】范志庆，操建华.高品质前级放大器的设计与制作. 无线电，2002，5：4547【4】郝宏安、徐红媛编555集成电路实用大全上海科学普及出版社 2003.9【5】陈光梦编著 模拟电子学基础 复旦大学出版社 2005