模电音频功率放大器课程设计.doc

课 程 设 计 报 告学生姓名:张浩学学号：2011309030137学 院:电气工程学院班 级:电自1116(实验111）题 目:模电音频功率放大电路设计指导教师： 张光烈 职称: 2013 年 7月 4 日1、设计题目：音频功率放大电路2、设计任务目的与要求：要求：设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的音频功率放大电路，负载为扬声器，阻抗8。指标：频带宽50HZ20kHZ，输出波形基本不失真；电路输出功率大于8W；输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47K。 模电这门课程主要讲了二极管，三极管，几种放大电路，信号运算与处理电路，正弦信号产生电路，直流稳压电源。功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出频率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用继承运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。本实验设计的是一个OTL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用单电源供电。主要涉及了放大器的偏置电路克服交越失真，复合管的基本组合提高电路功率，交直流反馈电路，对称电路，并用multism软件对OTL功率放大器进行仿真实现。根据电路图和给定的原件参数，使用multism软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。3、整体电路设计：方案比较：利用运放芯片 LM1875和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源分别接+30v和-30v并且电源功率至少要50w，输出功率30w。利用运放芯片TDA2030和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源只需接+19v，另一端接地，负载是阻抗为8的扬声器，输出功率大于8w。通过比较，方案的输出功率有30w，但其输入要求比较苛刻，添加了实验难度。而方案的要求不高，并能满足设计要求，所以选取方案来进行设计。整体电路框图：TDA2030元器件和电源元器件和接地信号输入三极管信号输出单元电路设计及元器件选择：单元电路设计：功率放大器按输出级静态工作点的位置可分为甲类、乙类和甲乙类三种；若按照输出级与负载的耦合方式，甲乙类又可分为电容耦合 （OTL 耦合）、直接耦合（OCL 电路）和变压器耦合三种。变压器耦合容易实现阻抗匹配，但体积大， 较笨重。又OCL电路电源输入要求较高，所以采用OTL电路。采用单电源的OTL电路不需要变压器中间抽头，但需要在输出端接上大电容，且低频特性不如OCL好。根据“虚短”、“虚断”的原理，利用电阻的比值，可求得电路所需的放大倍数，其中可加入一个电位器替代反馈电阻，这样就能够实现电路放大倍数的调整。因为功率放大电路是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率，可以采取OTL电路来实现。为了提高转换功率，我们要对电路进行改善，这主要围绕功率放大电路频率响应的改善和消除非线性失真来改进电路，因此要用到若干个电阻电容来保护电路。OTL电路会产生交越失真，为了消除这种失真，应当设置合适的静态工作点，使电路中的两只放大管均工作在临界导通或微导通的状态，这可以通过加入两个二极管来实现，因为二极管具有单向导电性。或者将两个有一定对称性的NPN和PNP三极管的基极分别和TDA2030的两个电源输入端相连。最后在输出端，还要加一个大电容来保证电路的低频性良好。在接有感性负载扬声器时还要加入一个电阻和一个电容来减少电路的自激振荡，确保高频稳定性。元器件选择：如下面的系统原理图所示，C2为输入耦合电容，应选取较小的电解电容；R1、R、R3和C7的作用是组成运放TDA2030的输入偏置电路，取R1=R2=R3，可计算得TDA2030正向输入端的电压为0.5VCC，而电容C7的作用是可以稳定这个电位。另外，R3是为了防止输入信号被C7短接到地而设的。C6是高频退耦电容，应选用较小的陶瓷电容或独石电容；C3是滤波电容，应选用较大的电解电容。C4、R4、和R11构成交流负反馈，控制交流增益，对于音频信号，可以近似地认为C4短路，所以功放的增益为11+R11（有效部分）/R48w。也满足“电路输出功率大于8W”条件。测量输入灵敏度为100mV时的输入阻抗：在信号输入端接上两个万用表，分别测量输入端的电压和电流，得Ui70 .71mV，Ii716.48nA，所以输入阻抗为Ri=Ui/Ii=98.69K47K，明显也满足“输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47K”的条件。3参数分析与计算3.1音调调节电路集成运放选用LM32420Hz到20kHz中间频率低通滤波器截止频率根据公式选取R=10k，C=0.001。同理计算高通滤波器取R=68k，C=0.001。R1和是音调幅度调节，取R1=10k,Rf为50k的滑动变阻器。3.2功率放大电路3.2.1工作电压根据最大不失真平均功率公式设计功率3W，负载电阻8，可算得Vom(max)=7V因为otl电路充其量只能达到，为了保证波形不失真，电源适当取大，我们取电源18V。3.2.2其他元件参数i.静态工作点的设置及三极管选择。根据其参数范围，T1管选2SC2655,T2管选2SA1020。T3管为前置放大，选取低噪的9014.为了达到设计要求，T3管的静态工作点。所以设计静态工作点=8V，Ic=15mA。为了使电路正常工作，K点电位应达到。Ii电阻选择为了方便调节，R1取3.3k，R2取100k电位器。Rc3取360,R3取1k可调电阻。Iii电容及其他C1,Ce为耦合电容和旁路电容，为了提高低频响均取1000；C3为提拉电阻，取100。C2充当负电源应满足所以C2选取4.7mFD1取IN4001，R4和D1作用调节以消除交越失真，R4取2k电位器。4仿真与调试4.1音频调节电路频率特性曲线4.2音频放大电路输入三角波输入正弦波输入方波5设计体会及收获这个学期我们开设了模拟电路这么课程，这门课程属于电子电路范畴，与我们的专业有莫大的联系，给予我们以理论上的指导。“纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行”，在模电点课程一结束之后，紧接着就有了一场让我们学以致用，讲课上所学应用在实践中的课程设计。这次的课程设计是很及时的，因为我们学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，因此本次课程设计给予了我们一次机会来巩固理论，来更深刻地认识模拟电路。初次接受音频放大器这个课程设计的时候，首先面临的难题就是从理论上来构建音频放大器的雏形。首先想到的就是从书本上开始寻找各个部分的相应的电路图，终于在几天的研究之后将各个部分都一一找全。紧接着就是参数的计算问题，在于同组的其他成员一同奋战之后，参数最终确定下来。之后就是在计算机上进行仿真，可是几次的仿真之后都会出现较大的误差，重新计算了参数之后，方针终于可以成功地达到要求。经过这次课程设计，让我真的学到了很多，不仅体会到了团队合作的魅力，也对于自己的动手能力进一步提高了，更加深了对于理论知识的理解，同时也懂得了只要付出汗水，总会得到回报 。 同时，作品所用元器件较少，电源输入要求较低，频带宽6.41HZ127.481kHZ，输出波形基本不失真，电路输出功率大于8W，输入灵敏度为100mV，输入阻抗高于47K，能够基本实现设计的任务要求；电路中有TDA2030的保护电路，另外在输出部分能对扬声器的相位进行补偿，从而能够较少电路的自激振荡，确保高频稳定性，作品用了TIP31C和TIP32C组成的推挽放大电路，能够较少TDA2030的功耗，使TDA2030的发热量减少；电位器R11能够实现电路增益的调整。缺点有：功率不是很高，最大输出功率只有8.4W；TIP31C和TIP32C的功耗都比较大，集电极电流输出不是很大；2.2mf的电解电容存在电感，电路的低频特性不是很好；电路的电源输入由于没有保护电路，若在调试时正负电源接反可能会把芯片烧坏。针对4个缺点各自的改进方案：缺点1：采用双电源供电的OCL电路或者用LM1875或TDA2050等