基于运放放大器

模拟电子技术 课程设计 国际教育 学院 电气工程及其自动化 专业 题 目 功率放大器 姓 名 胡伟鹏 学 号 181413219 指导教师 周焱 时间 2015 年 1 月 5 日 2015 年 1 月 9 日 目录 一 设计目的 二 设计任务及要求 三 题目分析 四 单元电路设计 五 具体实现 安装与调试 六 各部分定型水明以及定量计算 七 用 CAD 画电路原理图 八 在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施 九 综合总结 十 参考文献 功率放大器的设计和制作 摘要 功率放大器简称功放 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 音频功率放大器 是使用 TDA2030A 做后级放大 uA741 做前级放大 关键字 音频放大器 功率放大 稳压 ua741 TDA2030a 一 设计目的 1 1 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验 掌握电路设计的 基本方法 设计步骤 培养综合设计与调试能力 1 2 培养实践技能 提高分析和解决实际问题的能力 二 设计任务及要求 利用集成运算放大器 uA741 做前级放大 利用 TDA2030A 做后级 放大 利用实验箱现成电源或自己在实验箱上设计电源 构成一个 完整的功率放大器 最后利用随身听作信号源 利用实验箱自带扬 声器 进行功能验证 指标 Pom 18W fL 50Hz fH 15KHz 中点电位 100mV 负载 4 输入电压 18V 三 题目分析 音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率 要求输出功率 尽可能大效率尽可能高 非线性失真尽可能小 输出功率指的是功放提供给负载级的功率 为达到这一要求 功放管的电压和电流变化范围应尽可能大 功率放大器的效率指的是负载上得到的功率与电源提供的直流 电源的功率之比 为达到这一要求必须选择合适的电路 下文中会 有描述 非线性失真要小 功率放大器是在大信号状态下工作的 电压 电流摆动幅度交大 很容易超出管子特性曲线的线性变化范围而进 入非线性区 造成输出信号波形的非线性失真 因此 功率放大器 比小信号的电压放大器的非线性失真严重 为了减小这种失真 本 设计选择下文所述方案 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 NE5532 功放芯片的双电源供电的 OCL 互补推挽对称功放电路 此推挽功率放大器工作在甲乙类状态 其目的是为了减小交越 失真 电路在工作时由于每管的工作点稍高于截止点 因此有一很 小的静态工作电流 CQI 这样便可克服管子的截止区电压 使两只 管子交替工作处的负载电流按标准正弦规律变化 从而克服了交越 失真 OCL 互补推挽对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级 前 者为后者提供一定的电压幅度 后者则向负载提供足够的信号 以 驱动负载的工作 四 单元电路设计 1 前置放大电路 前置放大电路主要是由集成运放 uA741 组成的 它具有输入阻 抗高而输出阻抗较低的特点 uA741 通用高增益运算放大器是早些 年最常见的运放之一 运用非常广泛 它具有零飘调整管脚 典型 电路如下图 1 所示 再调零端 2 7 之间接一个调整失调电压电位器 当接成比例运算 求和运算电路时 调零电位器用于闭环调零 前置放大电路中包括有源滤波电路 有源滤波电路是用有源器 件与 RC 网络组成的滤波电路 种类很多 按其带通的性能划分 可分为低通滤波器 高通滤波器和带通滤波器 根据本设计的要求 应该选用一带宽与实际输入有用信号相一致的有源带通滤波器 带 通滤波器的带宽越窄 选择性越好 也就是电路的品质因数 Q 值越 高 高 Q 值的滤波器有大的输出电压 反之 低 0 Q 值的滤波器带宽较宽 有较小的输出电压 我们所熟悉的 RC 桥式振荡电路其实就是一个选择性很好的有 源带通滤波器 该电路在满足 R1 R2 R C1 C2 C 的条件下 Q 值与中心频率 f 0 分别为 另外 也可以用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来组成一 带通滤波器 用该方法构成的带通滤波器通带较宽 截止频率易于 调整 多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器 如图 2 所示的带 通滤波器 频率范围 300Hz 3000Hz 整个通带增益为 8 dB 非常适 合语音放大 2 功率放大电路 功率放大电路主要是由集成运放 TDA2030A 组成 它具有输出 功率大 静态电流小 动态电流大 负载能力强等特点 音色中规 中矩 无明显个性 特别适合制作输出功率中等的高保真功放 TDA2030A 可以采用单电源或双电源工作 本设计采用的是双电源 电路图如图 3 所示 图 3 TDA2030A 内部电路 TDA2030A 的主要参数 工作电压 正负 15 22V 静态电流 50mA 输出功率 18W 当 V 正负 15 22V 时 谐波失真 0 05 当 f 15kHZ RL 8 时 闭环增益 26 dB 当 1kHZ 时 开环增 益 80dB 当 1kHZ 时 频响范围 40 14000HZ 五 具体实现 安装与调试 设计框图 基本 OCL 电路原理 电路分析与计算 一 合管准互补推挽电路的实现电路图如下图所示 由于大功率 的 NPN 和 PNP 管不容易做到良好的对称性 为了提高功放电路的性 能 在实际电路中广泛采用复合功率管 在图中 T2 T4 为同型的 NPN 大功率管 容易配对 可以输出较大的电流 T1 T3 采用异型 的 NPN 和 PNP 小功率管 也容易配对 这样既获得良好的对称性又 获得较大电流输出 在实际电路中 T1 T3 的发射极和集电极分别 接上一个电阻 使 2T 4T 能有一个合适的工作点 2R 的作用是调 整电路的整体对称性 减小因管子性能而引起的不对称性 二 整体电路原理图 按照设计好的电路原理图进行制板 完成后按顺序将所用元 器件依次焊接到做好的 PCB 板上 焊接的过程中要尽量避免虚 焊 整个电路焊接完成后进行测试 用万用表测得中点电位为 30mV 符合设计要求 其他各项指标参数需到实验室借助有关 仪器进行测试 六 各部分定性说明以及定量计算 1 电源的确定 设计要求为 PoM 5W 管子的 Uces 3V 由 可 知 若 Vcc 9V 则 PoM 2 25W5W 符合要求 综上可知 选择电源电压 Vcc 15V 为功放提供直流电源 2 运放的选择 由设计要求 fL 50Hz fH 15KHz 故同频带约为 fbw fH 15KHz 初步估计运放的放大倍数在 110 120 之间 故增益带宽 积为 fH 15 1000 110 1 65MHz 而 F007 的 GBW 为 1MHz 不 能满足要求 经查阅资料可知 运放 NE5532 的 GBW 为 10MHz 而且 其他方面的性能都能满足设计要求 故本设计选择 NE5532 作为前级 驱动运放 3 功率输出级的设计 输出功率管的选择 输出功率管 2T 4T 为同型的 NPN 大功率管 其承受的最大反 向电压为 Umax 2Vcc 30V 最大集电极电流为 最大集电极耗散功率为 因此在选择 T2 T4 时 除了应使每只管子的值尽量对称外 其极限参数满足下列关系 Uceo Ucemax 2Vcc Icm Icmmax 1 25A Pcm Pcmmax 3W TIP31NPN 型大功率管的参数为 Uceo 5 0A Icm 40V Pcm 40W 均能满足设计要求 电阻阻值估算 R6 R7 用来减小复合管的船头电流 太小会影响复合管的 稳定性 太大又会影响输出功率 一般取几百欧姆 在此取 R6 R7 5 10 Ri2 330 Ri2 为 T2 输入电阻 其大小为 Ri2 rbe2 1 2 Rs 输出管 T2 T4 的发射极和集电极所接电阻一般取 R8 R9 0 05 0 1 Rl 0 5 R4 R5 的阻值大小要根据输 出级输入信号的幅度和前级运放的最大输出电流来决定 电路 的静态工作点主要由 Io 决定 Io 过小会使晶体管工作在乙类 状态 产生交越失真 Io 过大会增大静态功耗而使功率放大 器的效率降低一般取 Io 1 5mA 由计算得 R4 R5 10K Rp2 取 1 k 用来调整电路的对称性 四 直流稳压电源 设计框图 电路原理图如下 图中 D1 D4 构成单相桥式整流电路 C1 C4 组成电容滤波 电路 这里需要大容量的电容 一般采用电解电容 为了确保安全 及输出电压的稳定性 选用容量为 2200F 的电解电容 LM317 和 LM337 分别为三端可调正稳压和负稳压器 输出范围分别为 1 2V 37V 和 1 2V 37V 整个电源的电压输出范围为 0 15V 和 0 15V 能够满足音频功放所需 七 用 CAD 画电路原理图 1 启动原理图设计服务器 装入所需的元件库 放置元件 根据实际电路的需要 到元件库中找出所需的元件 通过 Tab 键或 双击原件调出属性对话框 在 Attributes 页设置原件标号 参数 型 号等 其中的关键项为封装名称和原件序号 然后根据元件之间的 连接关系进行位置调整 使电路图的布局整齐美观 走线简洁合理 达到设计要求 2 原理图布线 由高保真音频功率放大器的总原理图 利用 Protel 99 SE 提供 的各种工具 指令进行布线 将工作平面上的器件用具有电气意义 的导线 符号连接起来 完成一个完整的电路原理图 3 检查原理图 使用 Protel 99 SE 的电气规则 即执行菜单命令 Tool ERC 对画好 的电路原理图进行电气规则检查 若有错误 根据错误报告进行改 正 4 生成网络表 网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁 执行菜单 命令 Design Create Netlist 可以生成具有元件名 元件封装 参数及 元件之间连接关系的网络表 Sheet1 erc 八 在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施 1 电源电压不允许超过极限值 不允许极性接反 否则集成块将 遭损 2 电路工作时绝对避免负载短路 否则将烧毁集成块 3 接通电源后 时刻注意集成块的温度 有时 未加输入信号集成 块就发热过甚 同时直流毫安表指示出较大电流及示波器显示出幅 度较大 频率较高的波形 说明电路有自激现象 应即关机 然后 进行故障分析 处理 待自激振荡消除后 才能重新进行实验 九 综合总结 本次课程设计至此已经接近尾声 设计的时间虽然不是很长 但 在整个设计过程中收获颇丰 整个课程设计过程中首先对模拟电路 这门课程有了更深的了解 因为课程设计本身要求将以前所学的理 论知识运用到实际的电路设计当中去 在电路的设计过程中 无形 中便加深了对模拟电路的了解及运用能力 对课本以及以前学过的 知识有了一个更好的总结与理解 以前的模电实验只是针对某一个 小的功能设计 而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更 严格 需