基于TDA2030A超低音功放电路的设计

摘摘 要要 功放 可以说是各类音响器材中最大的一个家族了 其作用主要是将音源器 材输入的较微弱信号进行放大后 产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重 放 特别的 TDA2030A 功率放大电路所需的元件很少 制作简单 效果良好 用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或 MP4 等小型功放再合适不过 本设计主要由电源部分 音调控制级 功率放大级三部分组成 它的作用主 要是放大音频信号 为了保证功放效果 电路采用 TDA2030A 作为功放 IC 因 为它具有失真小 功率大 外围元件少 开机冲击极小 内含各种保护电路 保 真度高等优点 信号流程 音频信号输入经音量电位器 再由电容耦合 进入 TDA2030A 的 1 脚 由集成电路放大后从 4 脚输出 经输出耦合电容到达扬声器 关键字 TDA2030A 功放电路 放大音频信号 ABSTRACT ABSTRACT The power amplifier can be regarded as the biggest family among various types of audio equipments the main function of which is to amplify the weak signal that audio equipment inputs thus producing a large enough current to drive the sound reproduction of speakers In particular the power amplification circuit of TDA2030A contains a small number of components and is easy to make but has a good effect It would be very suitable if it is used as the power amplifier of the active speaker of computer or the minitype amplifier of MP4 This project mainly consists of three parts the power source the tone control level and the power amplified level It is mainly used to amplify the audio signal In order to ensure the effect of power amplifier the TDA2030A is used as the IC of power amplifier in the electric circuit as it has a series of advantages low distortion big power less peripheral elements extremely small starting impact containing various kinds of protection circuits high fidelity etc The signal flow First the audio signal is input by the volume potentiometer and then coupled by capacitor Second after flowing into the line 1 of TDA2030A it is amplified by the IC Finally the audio signal is output from line 4 and then reaches speaker through the coupling capacitor of output Keywords TDA2030A The circuit of Power amplifying Amplification of audio signal 目 录 目 录 第一章第一章 概述概述 1 1 1 系统开发背景及研究现状 1 1 2 人们使用超低音的理由 1 1 3 课题的主要内容 3 第二章第二章 集成功放的设计集成功放的设计 5 第三章第三章 设计任务内容及要求设计任务内容及要求 9 3 1 设计目的 9 3 2 设计任务及主要技术指标 9 3 3 工作原理分析 9 第四章第四章 方法设计与论证方法设计与论证 13 4 1 方案一 TDA2030A 的 BTL 电路 14 4 2 方案二 TDA2030A 的 OCL 电路 15 4 3 方案三 TDA2030A 的 OTL 电路 15 4 4 系统电路设计 16 第五章第五章 单元电路设计单元电路设计 23 5 1 电源部分 23 5 2 功放部分 23 第六章第六章 安装与焊接及软件介绍安装与焊接及软件介绍 27 6 1 电路的安装与焊接 27 6 2 Protel 99se 简介 31 第七章第七章 结束语结束语 33 致致 谢谢 35 目 录i 参考文献参考文献 37 附录附录 A A 硬件设计原理图 硬件设计原理图 39 附录附录 B B 所用元器件 所用元器件 41 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计0 第一章 概述 1 1 系统开发背景及研究现状 功率放大器简称功放 俗称 扩音机 是音响系统中最基本的设备 它的任 务是把来自信号源 专业音响系统中则是来自调音台 的微弱电信号进行放大以 驱动扬声器发出声音 SubWoofer 在商业或民用上通常被称为 超低音音箱 其实 超 这个形容词是不对的 它重放的频率带通常是由上限的 150Hz 或 100Hz 至最低的 25Hz 左右 这只是低音而不是超低音 因为 20Hz 以下的频率才是超过 人耳聆听的音乐范围的低音 从科学或专业的解释角度来看 也只有低于 20Hz 的频率才能称为 超 低音 但一般所说的超低音既是指重放频率下限在 20Hz 以上 的低音 无论是重播大动态音乐抑或电影音效时 超低音音箱的重要性甚至更胜 于传统落地式的立体声音箱 这是因为包含于许多音乐 交响乐或弦琴鼓乐 以及 许多电影内的特殊声音效果都是极为雄壮且动态感十足的低音 这种声音效果并 不单只是要让聆听者 听 到 而更是要让他们 感受 到此情此景的氛围 1 2 人们使用超低音的理由 超低音主要分为两大类 它们是无源式 PASSIVE 及有源式 ACTIVE 两种 目 前在市面上有很多三件头的带超低音和两个小型主音箱的 3D 卫星系统 Subwoofer Satellite System 在这种系统中只用一个超低音箱 因此超低音 是单声道 L R 信号 在分音点以上才有立体声效果 这种系统是利用前级的音 量控制旋扭来决定所有音箱的音量 如果超低音的灵敏度或音量跟主音箱不平均 会引发声场混乱 频响不均衡 声象定位出不来等情况 而此时当超低音的摆位 上又不能解决这问题时 这些问题就难以改善 这种 Subwoofer 通常只在低级低 价系统 low Fi System 出现 还有一种无源式超低音 左右主音箱是全音域 而超低音是在其频率上限截 止点以下的低音出现时才发声 这种系统叫接驳式的超低音系统 如主音箱重放 的频率是在 65Hz 以下衰减 超低音的分音点就是在 65Hz 左右 它的目的就是把 主音箱接驳顺畅 这种系统的问题就是虽然主音箱在 65Hz 之下衰减 但并 说 第一章 概述1 它的低频在 65Hz 之下就开始截止降低 这些降低的程度是要看每个音箱在设计 上的要求而定 所以在 65Hz 之下以超低音音箱重播 仍然会跟主音箱发生冲突 重要的理由就是超低音的喇叭单元跟主音箱的单元是不同产品 当两个不同的音 箱喇叭单元时收到信号之后 如超低音大口径单元的振动质量肯定大于主音箱的 喇叭单元 故发声速度要慢一些 它们一定不会同时发声的 所以有很多玩这种超低音的发烧友觉得加了超低音之后 效果是比不加时更 乱 这种超低音的设计者通常是尽可能把超低音的分音点校到最低 就是要避免 跟主音箱有冲突 这种系统的超低音分音点应该只可以为某一对主音箱而设计 当要换左右主音箱时 超低音音箱的分音点一定要再校 尽管有些主音箱虽然是 65Hz 以下就衰减 但到 20Hz 时还有声音 当这些音箱加上驳接式的超低音时 效果可能会觉得更差 低音不够结实 没有质感 也可能觉得低音很乱 生产这 种超低音的厂家通常是把主音箱一起设计的 否则在分音点及它们的频率截止点 上的衰减 dB octave 上会有 问题 这些也是低价系统 low Fi System 的玩意 有源式 ACTIVE 双放大器 超低音系统 信号直入带有源分频的前级 100Hz 以下的频率由低音放大器放大后送至超低音音箱播出 100Hz 以上的频率经分频 后送至主音箱的后级 放大后由主音箱播 出 此时要有一个音量控制用来控制 超低音音量跟主音箱在音量上的比例 除此之外 还要有一个相位调节钮 可以 把低音放大器的相位 Phase 由 0 180 任意调校 因为超低音放大器跟主音箱的 功率放大器可能是不同设计 它们在大多数情况下都不会同一相位的 不同相位 的聆听效果会使聆听者觉得有不一样的感觉 这个相位调节钮就是用来使超低音 跟主音箱达到同一相位的效果 当由不同相位调校到同一相位的时候 音量是会 觉得大声一点 低音会比较 Solid 丰富 一点 相位相反到 180 度时声音的效果 会稍为慢一些 玩超低音的读者大多数认为是因为小型音箱的低音不够 才用超低音 至于 大喇叭落地箱就没有用超低音的必要 其实玩超低音并不是用来辅助低音这样简 单 在市场上只有极少数传统型式的扬声器能够忠实地再生出电影声音内的低音 音效 而绝大部分的就算是中高价 AV 环绕放大器 也没有足够的功率能量去驱 动超低音扬声器 若是采用了有源主动式超低音扬声器 那么以上两个问题便可 以迎刃而解了 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计2 1 3 课题的主要内容 设计一种超低音功放电路 该电路具有超低音和功放功能两部分 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 功放的主要性能指标有输出功率 频率响应 失真度 信噪比 输出阻抗 阻尼系数等 1 输出功率 单位为 W 由于各厂家的测量方法不一样 所以出现了一些名 目不同的叫法 例如额定输出功率 最大输出功率 音乐输出功率 峰值音乐输 出功率 1 音乐功率 是指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 2 峰值功率 是指在不失真条件下 将功放音量调至最大时 功放所能输出 的最大音乐功率 3 额定输出功率 当谐波失真度为 10 时的平均输出功率 也称做最大有用 功率 通常来说 峰值功率大于音乐功率 音乐功率大于额定功率 一般的讲峰 值功率是额定功率的 5 8 倍 2 频率响应 表示功放的频率范围 和频率范围内的不均匀度 频响曲线的 平直与否一般用分贝 db 表示 家用 HI FI 功放的频响一般为 20Hz 20KHZ 正负 1db 这个范围越宽越好 一些极品功放的频响已经做到 0 100KHZ 3 失真度 理想的功放应该是把输入的讯号放大后 毫无改变的忠实还原出 来 但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较 往往产生了不同 程度的畸变 这个畸变就是失真 用百分比表示 其数值越小越好 HI FI 功放 第一章 概述3 的总失真在 0 03 0 05 之间 功放的失真有谐波失真 互调失真 交叉失真 削波失真 瞬态失真 瞬态互调失真等 4 信噪比 是指信号电平与功放输出的各种噪声电平之比 用 db 表示 这 个数值越大越好 一般家用 HI FI 功放的信噪比在 60db 以上 5 输出阻抗 对扬声器所呈现的等效内阻 称做输出阻抗 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计4 第二章 集成功放的设计 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 TDA2030A 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 TDA2030A 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 TDA2030A 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 根据掌握的资料 在各国生产的单片集成电路中 输出功率最大的不过 20W 而 TDA2030A 的输出功率却能达 18W 若使用两块电路组成 BTL 电路 输出 功率可增至 35W 另一方面 大功率集成块由于所用电源电压高 输出电流大 在使用中稍有不慎往往致使损坏 然而在 TDA2030A 集成电路中 设计了较为完 善的保护电路 一旦输出电流过大或管壳过热 集成块能自动地减流或截止 使 自己得到保护 当然这保护是有条件的 我们决不能因为有保护功能而不适当地 进行使用 电路特点 1 外接元件非常少 第二章 集成功放的设计5 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 THD 0 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 TDA2030A 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 2 1 TDA2030A 外形 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计6 图 2 2 功能框图 表 2 1 引脚说明 引脚符号功能引脚符号功能 1IN 信号输入 4OUT 输出 2NF 负反馈 5Vcc 正电源 3VEE GND 负电源 地 注意事项 1 TDA2030A 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 第二章 集成功放的设计7 6 虽然 TDA2030A 所需的元件很少 但所选的元件必须是品质有保障的元件 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计8 第三章 设计任务内容及要求 3 1 设计目的 1 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 2 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 3 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 完成对超低音功放电路的设计 装配与调试 3 3 工作原理分析 音频功率放大器的效果是让输入信号的音量和功率在输出端上高功率低失真 的音频信号 要求电源的使用效率高 尽可能的减小线性失真 第三章 设计任务内容及要求9 功放的几个重要参数 1 输入灵敏度 是指功放所需最小输入信号电平 它是要求将音源信号放 大到足够推动后级功放所需要的必要条件 2 谐波失真度 这是功放一项极重要的指标 谐波失真是非线性失真的一 种 它是放大器在工作时的非线性特征所引起的 失真结果是产生了新的谐波分 量 使声音失去原有的音色 严重时声音发破 刺耳 谐波失真还有奇次和偶次 之分 奇次谐波会使人烦躁 反感 容易被人感知 有些功放听起来让人感到烦 躁 感觉疲劳 就是失真较大所引起的 对功放影响最大的就是失真度 一般高 保真要求谐波失真在 0 05 以下 越低越好 除了谐波失真外 还有互调失真 交叉失真 削波失真 瞬态失真 相位失真等 它们是影响功放质量的罪魁祸首 考核功效的优劣 首先要看它的失真度 像意大利 Sinfoni 诗芬尼 功放的总的 谐波失真就在 0 01 以下 3 输出功率 1 额定输出功率 称为 RMS 指放大器输出的音频信号在总谐波失真范 围内 所能输出的最大功率 它一般是交流信号峰值的 0 707 倍 2 平均功率 平均功率一般是指各个频率点的平均消耗功率 它与额定输 出功率有点类似 但是它一般要参考时间 3 峰值输出功率 功放所能输出的最大音乐功率称为峰值输出功率 它不 考虑失真 通常为 RMS 功率的 1 414 倍左右 4 峰值 峰值功率 它是指正电压峰值到负电压的峰值的功率 它是峰值 输出功率的四倍 它的出现是厂家出于商业目的 并无实际意义 4 信噪比 数值越大越好 一般用 S N 表示 用信号功率 Ps 与噪声功 率 Pn 的比值的分贝数表示 即 S N 10lgPs Pn 20lgVs Vn db 式 3 1 式中 Vs Vn 分别为信号电压与噪声电压 信噪比与输入信号电平的增加 信噪比也逐渐加大 但当输入信号电平达到某一数值后 信噪比基本保持不变 按目前高保真要求 信噪比应达 90dB 以上为好 进口高档的功放机往往可达 110 120dB 其性能可想而知了 有的信噪比后面有 A 计权字样 A 计权是指将 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计10 噪声信号通过加权网络后测得的结果 由于人们对于高 低频段的噪声相对来说 不太灵敏 所以出现了这样的计权方式 计权噪声更加直观地代表人们实际感受 到的噪声信号状况 总之 信噪比越大 表明混在信号里的噪声越小 放音质量 越好 便重放音乐清晰 干净而有层次 5 频率响应 早期俗称功率带宽 指谐波失真不超过规定值时 功放的 1 2 额定功率频带宽度 即有高低端下跌 3dB 的两个频率点之间所包括的频带 称之 为功率带宽 6 阻尼系数 主要是对低频而言 是直接影响低音音质的极重要的技术参 数 众所周知 喇叭的口径越大 低音相对就越好 但音盆越大其运动惯性也随 之加大 此惯性使它很难与音频信号同步运动 往往表现出的声音混浊不清 尤 其在 100 400Hz 低频 容易造成声染色 使人听起来模糊不清 很不自然 有些 改装车的低音喇叭 低频信号强时颤振不止 低音拖尾严重 这就是音盆惯性所 引起的 在功放设计时 工程师对功放采取一些技术措施 如选择多管并 联 低内阻 毫欧级 大功率管 提高工作电压 选择优质线材等 极力提高阻 尼系数 使它能够针对喇叭惯性运动 产生 电阻尼 作用 使音盆的运动与音 频信号同步运动 尽可能使音盆在驱动信号结束后很快恢复到零位 即中心位置 这种阻止效果就是阻尼系数 Damp Factor D Rs Ri Rs 喇叭阻抗 Ri 功 放输出内阻 D 越大 音盆与信号同步效果就越好 低音就越纯越干净 重放效 果就越好 7 转换速率 Slew rate 功放的转换速率极大地影响着高音重放质量与性 能 转换速率越快 高音音质就越佳 越能准确地捕捉到稍纵即逝的高频信息 高档功放可做到十几至几十 V us 低中档功放都一般不标出 这种转换速率的数 值高低 与设计 用料有密切关系 但也不宜太高 太高会产生人耳听不见的 20KHz 以上超音信号 不但对改善音质无作用 反而容易烧坏高音喇叭 第三章 设计任务内容及要求11 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计12 第四章 方法设计与论证 一个实用的放大器通常有 3 个部分 输入级 中间级及输出级 起任务各不 相同 一般地说 输入级与信号源相连 因此 要求输入级的电阻大 噪声低 共模抑制能力强 阻抗匹配等 中间级主要完成电压放大任务 以输出足够大的 电压 输出级主要向负载提供足够大的功率 以便推动如扬声器 电动机之类的 功率负载 功率放大电路的主要任务是放大信号功率 音频功率放大器的效果是让输入信号的音量和功率在输出端上高功率低失真 的音频信号 要求电源的使用效率高 尽可能的减小线性失真 初步画出原理框图如下 直流电源直流电源 15V 电电 源源 输输 入入 TDA2030 集集 成成 功功 放放 电电 路路 音音 频频 输输 出出 第四章 方法设计与论证13 音音 频频 输输 入入 4 1 方案一 TDA2030A 的 BTL 电路 TDA2030A 的 BTL 电路的特点是在相同的电源供电条件下可以得到较普通 功放两倍以上的功率 在 12V 供电时输出功率可达到 20W 以上 想获得更大的 输出功率克提高输入电压 最大不超过 22V 其内部电路包括输入电路 中间 级 输出电路 BTL 电路介绍 Bridge Tied load 意为桥接式负载 负载的两端分别接在两个放大器的输 出端 其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出 也就是说加在负载 两端的信号仅在相位上相差 180 负载上将得到原来单端输出的 2 倍电压 从 理论上来讲电路的输出功率将增加 4 倍 BTL 电路能充分利用系统电压 因此 BTL 结构常应用于低电压系统或电池供电系统中 在汽车音响中当每声道功率超 过 10w 时 大多采用 BTL 形式 BTL 形式不同于推挽形式 BTL 的每一个放大器 放大的信号都是完整的信号 只是两个放大器的输出信号反相而已 用集成功放 块构成一个 BTL 放大器需要一个双声道或两个单声道的功放块 但是并不是所有 的功放块都适用于 BTL 形式 BTL 形式的几种接法也各有优劣 典型的功放集成 块有 TDA2030A LM1875 LM4766 LM3886 TDA1514 等 图 4 1 初步电路原理框图 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计14 BTL Balanced Transformer Less 电路 称为平衡桥式功放电路 它由两 组对称的 OTL 或 OCL 电路组成 扬声器接在两组 OTL 或 OCL 电路输出端之间 即 扬声器两端都不接地 BTL 电路的主要特点有 可采用单电源供电 两个输出端 直流电位相等 无直流电流通过扬声器 与 OTL OCL 电路相比 在相同电源电 压 相同负载情况下 BTL 电路输出电压可增大一倍 输出功率可增大四倍 这 意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率 但是 扬声器没有接地端 给检修工作带来不便 BTL 电路的优点有只需要单电源供电 但还是有用双电源 且不用变压器和 大电容 输出功率高 缺点是所用管子数量多 很难做到管子特性理想对称 且 管子总损耗大 转换效率低 4 2 方案二 TDA2030A 的 OCL 电路 OCL 是英文 Output Capacitor Less 的缩写 意为无输出电容 采用两组电 源供电 使用了正负电源 在电压不太高的情况下 也能获得比较大的输出功率 省去了输出端的耦合电容 使放大器低频特性得到扩展 OCL 功放电路也是定压 式输出电路 为钏电路由于性能比较好 所以广泛地应用在高保真扩音设备中 OCL 电路的主要特点有 采用双电源供电方式 输出端直流电位为零 由于 没有输出电容 低频特性很好 扬声器一端接地 一端直接与放大器输出端连接 因此须设置保护电路 具有恒压输出特性 允许选择 4 8 或 16 负载 最 大输出电压振幅为正负电源值 额定输出功率约为 2RL 需要指出 若正负 电源值取 OTL 电路单电源值的一半 则两种电路的额定输出功率相同 都是 8RL 因为我最终选择的是 OCL 电路 所以后文会有详细介绍 4 3 方案三 TDA2030A 的 OTL 电路 TDA2030A 的 OTL 电路为单电源供电 在相关参数计算中电源均由 V 的一半 第四章 方法设计与论证15 代替 OTL 电路介绍 省去输出变压器的功率放大电路通常称为 OTL 电路 其中 OTL 为 Output TransformerLess 的缩写 OTL 电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路 通常采用电源供电 从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号 OTL Output transformerless 电路是一种没有输出变压器的功率放大电路 过去大功率的 功率放大器多采用变压器耦合方式 以解决阻抗变换问题 使电路得到最佳负载 值 但是 这种电路有体积大 笨重 频率特性不好等缺点 目前已较少使用 OTL 电路不再用输出变压器 而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电 路 使电路轻便 适于电路的集成化 只要输出电容的容量足够大 电路的频率 特性也能保证 是目前常见的一种功率放大电路 它的特点是 采用互补对称电路 NPN PNP 参数一致 互补对称 均为射随 组态 串联 中间两管子的射极作为输出 有输出电容 单电源供电 电路轻 便可靠 两组串联的输出中点 可理解为采用互补对称电路 NPN PNP 参数一致 互补对称 均为射随组态 串联 中间两管子的射极作为输出 OTL 电路的优点是只需要一组电源供电 缺点是需要能把一组电源变成了两 组对称正 负电源的大电容 低频特性差 TDA2030A 使用方便 外围元件少 一般不需要调试即可成功 比较三种方 案 都有很多优缺点 OTL 无变压器功放电路 优点是可以使用单电源供电 是电池供电的首选 电路 缺点是需要通过体积较大的电解电容作为输出耦合 OCL 无输出电容功放电路 优点是省去体积较大的输出电容 频率特性好 缺点是需要双电源供电 对电源的要求稍高 BTL 由两个相同的 OCL 电路组成一个功率更大的功放电路 无论使用单 电源还是双电源供电都不需要输出电容 理想输出功率是单个 OCL 电路的 4 倍 优点是功率做得更大 缺点是电路比较复杂 相比之下方案一一般用于功率较大的功率放大器中 且由两个芯片组成 电 路图理解方面较复杂 方案三为单电源 对电源利用率较低 功率较低 另一方 面 由于时间和已有元件的限制 我选择了方案二 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计16 4 4 系统电路设计 Protel 画图的具体步骤 1 打开 protel 建立项目 选择 Schematic Document 来创建一个电路原理 图设计文件 sheet ddb 双击 sheet ddb 进入原理图设计主界面 2 1 熟悉工具条 2 熟悉快捷键的利用 3 选择元器件 元件库里没有的元件自己编辑后放入原理图界面 编辑元 件是从书上学的 下面是一些自己编辑的一些新元件 4 摆放元件 Space 键 让元件作 90 的旋转 X 键 元件左右对调 Y 键 元件上下对换 5 元件连线 当预拉线的指针移动到元件的引脚或其他电器特性线时 指针的中心将会出 现一个黑点 她提示我们在当前状态下单击鼠标左键就会形成一个有效的电气连 接 6 加入输入 输出端口 7 更改元件属性 更改元件属性要注意元器件的封装号及 footprint 设置元件的序号 设置 元件的有效数值 8 ERC 电气规则检查 如果有错误要检查原理图并改正其错误 第一步 在 protel 中新建图纸 第四章 方法设计与论证17 图 4 2 新建图纸 第二步 加入 TDA2030A 的最小系 图 4 3 TDA2030A 最小系 第三步 加入第二个 TDA2030A 并完整系统 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计18 图 4 4 完整系统 第四步 电气化规则检查 图 4 5 电气化规则检查 经检查 无错误 下图是用 protel 绘制的原理图 第四章 方法设计与论证19 图 4 6 protel 绘制的原理图 Protel 制 PCB 板 一个完整的 PCB 电路板设计必需满足以下基本原则 电气连接正确 符合电路设计者意图 符合电路板安装的要求 元器件布局合理 电路板布线合理 便于安装和调试 1 创建 PCB 设计文件 设置图纸区域的工作参数 2 先载入元器件封装库 再载入网络连接与元器件封装 在原理图编辑器中 执行菜单命令 Design Update PCB 在 PCB 编辑器中 执行菜单命令 Design Load Nets 3 元器件布局 关键元器件预布局分成以下 3 个步骤 1 对所有的元器件进行分类筛选 找出电路板上的关键元器件 2 放置关键元器件 3 锁定关键元器件 元器件自动布局包括以下两个基本步骤 1 设置元器件布局有关的设计规则 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计20 2 选择自动布局的方式 并进行自动布局的操作 设置元器件布局有关的设计规则 1 设置元器件安全间距限制设计规则 2 设置元器件方向位置限制设计规则 元器件自动布局 4 布线 设计布线规则 1 设置安全间距限制设计规则 2 设置短路限制设计规则 3 设置布线宽度限制设计规则 预布线主要包括两个步骤 1 对重要的网络进行预布线 2 锁定预布线 在进行布线的过程中 有时候可能需 要事先布置一些 走线 如电源线和地线 以满足一些特殊要求 并有利于改善随后的自动布线 结果 选取菜单命令 Auto Route Setup 打开 Autorouter Setup 对 话框 单击 OK 结果如图 再进行设计规则检验 下图为用 protel 绘制的 PCB 板 第四章 方法设计与论证21 图 4 7 protel 绘制的 PCB 板 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计22 第五章 单元电路设计 5 1 电源部分 第五章 单元电路设计23 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 因为 TDA2030A 的额定输入电压为 6V 18V 为了达到输出为 10W 的额定 值 并且减少 TDA2030A 的散热 我们采用 15V 供电 为了输出稳定的 15V 的电源采用单向干式变压器 干式变压器介绍 干式变压器 依靠空气对流进行冷却 一般用于局部照明 电子线路 机械设备等变压器 在电力系统中 一般汽机变压器 锅炉变压器 除灰变压器 除尘变压器 脱硫变压器等都是干式变压器 变比为 6000V 400V 和 10KV 400V 用于带额定电压 380V 的负载 简单的说干式变压器就是指铁芯和 绕组不浸渍在绝缘油中的变压器 5 2 功放部分 1 电源输入端电容的选取 由于电源本身并不是完全直流的 里面含有纹波 会影响输出结果 因而需 要在电源输入端对电源进行虑纹波 为了达到好的滤波效果 我在输入端加上 2200uF 的电容 本设计采用在电源输入端并联两个大电容 电解电容 2200uF 电容和一个 小电容 陶瓷电容 10uF 大电容虑低频 小电容率高频 可有效的滤掉电源的 纹波 为了达到好的滤波效果 我在输入端加上 2200uF 的电容 2 音频输入端电容 同相输入端的电阻是用在直流平衡电阻 一般取数十千欧 跟负载反馈的网 络有关 C3 C10 分别为左 右两路的输入端耦合电容 用以去掉音频信号中的 低频信号 与电阻构成高通低频响应 耦合电容 又称电场耦合或静电耦合 是由于分布电容的存在而产生的一种 耦合方式 耦合电容器是使得强电和弱电两个系统通过电容器耦合并隔离 提供 高频信号通路 阻止工频电流进入弱电系统 保证人身安全 带有电压抽取装置 的耦合电容器除以上作用外 还可抽取工频电压供保护及重合闸使用 起到电压 互感器的作用 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计24 3 反馈电阻电容 输出电压由电阻 R7 R8 R9 C6 C7 决定 它可以让电路工作稳定 以 提升音质 反馈电路在各种电子电路中都获得普遍的应用 反馈是将放大器输出信号 电 压或电流 的一部分或全部 回收到放大器输入端与输入信号进行比较 相加或相减 并 用比较所得的有效输入信号去控制输出 这就是放大器的反馈过程 凡是回收到放 大器输入端的反馈信号起加强输入原输入信号的 使输入信号增加的称正反馈 反 之则为负反馈 4 输出电容电阻的选取 由于输出接的是喇叭 为感性 为防止其发生自己振荡 同时更好的滤波 保证输出信号更好 在输出端接上一个电容和一个电阻串联接地 5 两个保险的作用 两个保险可在电流过大的时候保护电路 保险丝 fuse 也被称为电流保险丝 IEC127 标准将它定义为 熔断体 fuse link 由电阻率比较大而熔点较低的银铜合金制成的导线叫做保险丝 最初用铅锑合金做的保险丝已因安全原因被淘汰 当电路发生故障或异常时 伴 随着电流不断升高 并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器 件 也有可能烧毁电路甚至造成火灾 若电路中正确地安置了保险丝 那么 保 险丝就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候 自身熔断切断电流 从而 起到保护电路安全运行的作用 6 散热片的作用 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置 多由铝合金 黄铜或 青铜做成板状 片状 多片状等 如电脑中 CPU 中央处理器要使用相当大的散热 片 电视机中电源管 行管 功放器中的功放管都要使用散热片 一般散热片在 使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂 使元器件发出的热量更 有效的传导到散热片上 在经散热片散发到周围空气中去 因为 TDA2030A 的输 出功率大 如果散热不够很容易烧坏 第五章 单元电路设计25 本功放有左右两个声道 电路由三个部分组成 即电源电路 左右声道的功 率放大器及输入信号处理 电源变压器将 220V 交流电降为双 l5 V 低压交流电 经桥式整流后变为 l 5 V 的直流电 作为功放及运放的供电电源 LED R1 9 组 成电源指示电路 以指示电源是否正常 开关 K 为电源开关 RP2 C1 C2 C4 C5 R2 R3 R4 R5 RP3 以左声道为例 右声道同理 组成高 低音控制电路及音频输入信号的处理电路 RP3 是两路低音控制电位 器 RP2 是两路高音控制电位器 两路功率放大器用的集成电路是 TDA2030A 其 1 脚为正相输入端 2 脚为反相输入端 C3 C10 分别为左 右两路的输入端 耦合电容 R7 R8 R9 C6 C7 以左声道为例 右声道同理 组成负反馈电路 它可以让电路工作稳定 以提升音质 其 5 脚 3 脚分别接正 负电源 4 脚为 输出端 TDA2030A 工作于双电源 OCL 状态 音频信号由 TDA2030A 的 1 脚 同向输入端 输入 经功率放大后的信号从 4 脚输出 负载接扬声器时 其有 效功率可达 20W RP1 是两路音量电位器 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计26 第六章 安装与焊接及软件介绍 6 1 电路的安装与焊接 电路的安装 第六章 安装与焊接及软件介绍27 图 6 1 电路图 安装电路板 由于本电路采用功放集成电路 TDA2030A 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 电路的焊接 焊接工具 电烙铁 所需元器件 导线 焊锡丝 松香 万用表 万能板 主体思想 由于该电路直接为 PCB 板 有人也许认为手工焊接非常容易 没 有技术含量 其实不然 正确手工焊接的方法 需要深入理解焊接要素和通过长 期的练习 才能保证焊接的质量 正确的焊接方法 焊接时利用烙铁头的对元件 引线和焊盘预热 烙铁头与焊盘的平面最好成 45 夹角 等待焊金属上升至焊接 温度时 再加焊锡丝 被焊金属未经预热 而将焊锡直接加在烙铁头上 使焊锡 直接滴在焊接部位 这种焊接方法常常会导致虚焊 插件元件焊接的步骤 1 插入 将插件元件插入电路板标示位置过孔中 与电路板紧贴至无缝为止 如未与电路板贴紧 在重复焊接时焊盘高温易使焊盘损伤或脱落 物流过程中 也可导致焊盘损伤或脱落 2 预热 烙铁与元件引脚 焊盘接触 同时预热焊盘与元件引脚 而不是仅 仅预热元件 此过程约需 1 秒钟时间 3 加焊锡 焊锡加焊盘上 而不是仅仅加在元件引脚上 待焊盘温度上升 到使焊锡丝熔化的温度 焊锡就自动熔化 不能将焊锡直接加在烙铁 上使其熔 化 这样会造成冷焊 4 加适量的焊锡 然后先拿开焊锡丝 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计28 5 焊后加热 拿开焊锡丝后 不要立即拿走烙铁 继续加热使焊锡完成润湿 和扩散两个过程 直到是焊点最明亮时再拿开烙铁 不应有毛刺和空隙 6 冷却 在冷却过程中不要移动插件元件 焊接要素 1 焊接温度和时间 焊锡的最佳温度为 350 C 温度太低易形成冷焊点 高 于 400 C 易使焊点质量变差 且容易导致焊盘 铜皮 变形或脱落 焊接时间 完成润湿和扩散两个过程需 2 3S 1S 仅完成润湿和扩散两个过程的 35 一般 IC 三极管焊接时间小于 3S 其他元件焊接 时间为 4 5S 2 焊锡量适当 焊点上焊锡过少 机械强度低 焊锡过多 会容易造成绝缘 距离减小 焊点相碰或跳锡等现象 电烙铁使用注意事项 电烙铁温度升高后 首先应将烙铁尖点上薄薄的一层焊锡 避免烙铁尖因氧 化而不沾锡 使用过程中 烙铁尖表面应一直保持有薄薄 的焊锡层 多余的焊 锡可轻轻甩在烙铁架上 或用一块湿布 湿海绵 擦拭一下 暂时不用时 应将 电烙铁温度调至最低 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 硬件测试 1 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 一旦焊反即有烧毁 元器件的风险 应特 别注意 2 接上变压器 先检测 TDA2030 是否有电源供给 就是测 TDA2030 的 第 5 个引脚是否为正电压 第 3 个引脚是否为负电压 要注意电路是否有 短路的情 况 3 为防止烧掉扬声器 放大器的输出端先不接扬声器 而是接万用表 测输出端 的直流电压 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 上音箱 输入音乐信号 上电视机 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 本次设计调试结果如下 1 经过仔细检查没有焊接错误或者焊反 第六章 安装与焊接及软件介绍29 2 经过测量 TDA2030A 的 5 端为正 20MV 3 经过测量输出端 GND OUT 端电压为 15MV 30MV 根据测量结果知 本次设计的芯片正常 下面为本设计实物图 图 6 2 设计实物图 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计30 图 6 3 设计实物图 图 6 4 设计实物图 第六章 安装与焊接及软件介绍31 6 2 Protel 99se 简介 Protel 99SE 是一款功能十分强大的 EDA 软件 在电子电路设计领域占有极 其重要的地位 Protel99SE 是应用于 Windows9X 2000 NT 操作系统下的 EDA 设计 软件 采用设计库管理模式 可以进行联网设计 具有很强的数据交换能力和开 放性及 3D 模拟功能 是一个 32 位的设计软件 可以完成电路原理图设计 印制 电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作 可以设计 32 个信号层 16 个电源 地层和 16 个机加工层 Protel 99se 采用全新的管理方式 即数据库的管理方式 Protel 99se 是 在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板 设计系统 所有 Protel99se 设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中 并 显示在唯一的综合设计编辑窗口 Protel 99se 软件沿袭了 Protel 以前版本方便 易学的特点 内部界面与 Protel 98 大体相同 新增加了一些功能模块 Protel 公司引进了德国 INCASES 公司的先进技术 在 Protel99se 中集成了信号完整性 工具 精确的模型和板分析 帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一 次性成功和消除盲目性 Protel99se 容易使用的特性就是新的 这是什么 帮 助 按下任何对话框右上角的小问号 然后选择你所要的信息 现在可以很快地 看到 特性的功能 然后用到设计中 按下状态栏末端的按钮 使用自然语言帮 助顾问 按照系统功能来划分 Protel99se 主要包含以下俩大部分和 6 个功能模块 1 电路工程设计部分 1 电路原理设计部分 Advanced Schematic 99se 电路原理图设计部分包括电路图编辑器 简称 SCH 编辑器 电路图零件库编 辑器 简称 Schlib 编辑器 和各种文本编辑器 本系统的主要功能是 绘制 修改和编辑电路原理图 更新和修改电路图零件库 查看和编辑有关电路图和零 件库的各种报表 基于 TDA2030A 超低音功放电路的设计32 2 印刷电路板设计系统 Advanced PCB 99se 印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器 简称 PCB 编辑器 零件封装编 辑器 简称 PCBLib 编辑器 和电路板组件管理器 本系统的主要功能是