实用高保真音响放大器的设计

第0页共31页摘要在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高效率音频功率放大器而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断的更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断的加以改进。本文介绍了家用功放的基本结构及工作原理，设计了一款具有音调控制、卡拉OK伴唱、音量显示功能的适用于家用的简易音响放大器，并介绍了主要性能参数的测试方法。关键词音响放大器；音调控制；卡拉OK伴唱；音量显示目录摘要.1第1章绪论.2第2章方案设计.42.1方案选择.42.1.1功放类型的选择.42.1.2实现电路的选择.52.2方案论证.6第3章单元电路设计.73.1话筒放大电路设计.73.1.1TD07简介.73.1.2话筒放大电路.83.2加法电路设计.83.2.1LM324简介.93.2.2加法电路.103.3前置放大电路设计.103.4音调控制电路设计.113.4.1RC衰减式音调控制电路.123.4.2音调控制特性分析.133.4.3响度控制电路.143.5功放电路设计.163.5.1TDA2030简介.163.5.2TDA2030应用电路.173.6级间耦合电容的选择.183.7音量显示电路设计.193.8电源电路设计.203.8.1电源电路的系统结构.20I3.8.2电源电路.21第4章电路调试.244.1单元电路调试.244.1.1话放级的调试.244.1.2前置放大级的调试.244.1.3音调控制级的测试.244.1.4功放级的调试.244.2整机调试.244.2.1级联调试.244.2.2电压放大倍数的测量.244.2.3话筒扩音.254.2.4音乐欣赏.254.2.5卡拉OK伴唱.254.2.6音量显示.25总结.26致谢.27参考文献.28附录1电源电路原理图.29附录2音量显示电路.30附录3音响放大器电路原理图.31第2页共31页第1章绪论音响放大器也叫功率放大器，其作用是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，产生足够大的电流驱动扬声器发声。早在60年代以前，真空管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用A类(甲类)或AB类(甲乙类)，并由变压器与负载偶合。这一趋势，随着半导体技术的发展，可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。随后，使用锗器件的设计首先出现，但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难，热逃逸这个词由此诞生。之后硅材料的NPN型半导体管出现，在一段时期里，绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖于输入和输出变压器进行偶合。显然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，再加上其低频和高频相移，严重地限制了可安全使用的负反馈量，从而增加了其伤害性。后来，人们已认识到在功率晶体管和8扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变压器了。于是出现了无变压器的Lin氏电路组合，从而构成了准互补输出级。因为当时已有相当不错的PNP激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成NPN型管，合适的互补功率器件，出现在60年代后期。这时，全互补输出级立刻证明了它比准互补电路具有失真较小的优点。大约定同一时期由于晶体管差分对已成为人们熟悉的电路单元，直流偶合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。根据现在人们消费和生活质量的提高，对音频功率放大器的要求也相对有了更高的基准，一个新型高效率音频功率放大器可以带来很高的效益，所以有很多的企业投入到了对高效率音频功率放大器的设计中。下面是一个有关D类放大器的高效率音频功率放大器。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。输出功率：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。峰值功率：是指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最第3页共31页大音乐功率。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。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20HZ20KHZ正负1dB.这个范围越宽越好。失真度：理想的功放应该是把输入的信号放大后，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。信噪比：是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比，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。输出阻抗：对扬声器所呈现的等效内阻。第4页共31页第2章方案设计按信号处理方式分类，音响放大器可以分为模拟功放和数字功放。本设计提供了基于D类数字功放和模拟功放TDA2030实现的两种方案。2.1方案选择2.1.1功放类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这几种放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中，它按输入音频信号的大小控制着输出信号，但自身也在消耗电能。A类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主，通常需要偏置电压才能工作，能量转换效率很低，输出功率一般较小并且理论效率只有50%，所以不行。B类功率放大器虽然不需要偏置电压，靠信号本身来导通放大管，理论效率可达78.5%，但电路在小信号时失真严重。通常，在电路中略加一点偏置形成AB类功率放大器，虽然效率略有下降，但保真度高、小信号时失真减弱。方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器基本构成框图如2-1所示，它是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率（理论上为100%，实际电路可以达到80%95%），但D类功放也有不足之处，就是保真度低、输出音质较差，所以一般应用于手持式设备（如手机、PDA等）。图2-1D类音频功率放大器基本构成图第5页共31页以上两个方案中，D类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等特点，但保真度不及传统功放。传统的模拟音频功放保真度高，但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备。本文选用第一种方案，以性价比较高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放TDA2030为核心设计相关硬件。2.1.2实现电路的选择首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前逐级计算。基于模拟功放TDA2030的音响放大器如图2-2所示，主要由话筒放大器，加法电路、前置放大器、音调控制器及功率放大器等几部分组成。图2-2基本组成框图各部分的基本功能如下：1.话筒放大器由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达10kHz)其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。2.加法电路用以将放大的话筒信号和来自随身听、收录机、影碟机等各种音源设备的音频信号合成。3.音调控制器音调控制器的作用是控制、调节音响放大器输出频率的高低，音调控制器只对中音频的增益进行提升或衰减，低音频或高音频的增益保持不变。第6页共31页4.功率放大器给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。5.音量显示电路音量显示电路通过多个发光二极管来直观指示音量的大小。2.2方案论证根据方案规划及任务指标设计基本组成框图，如图2-3所示。图2-3音响放大器的基本组成框图人对着话筒说话时，话筒产生大约5mV信号，经输入话筒放大器放大到15mV，通过话筒音量控制电路调整后输入到加法器，与来自其他音源设备的音频信号(15mV)相加，相加后的混合信号输入前置放大器放大，再送入音调控制控制电路对混合信号的幅度、频率适当调整，最后将该信号输入到功率放大器放大成输出幅度为4V的音频信号，驱动扬声器工作。第7页共31页第3章单元电路设计3.1话筒放大电路设计第一级话筒放大电路可由分立元件实现，也可由集成运放构成。集成运放是集成电路中一种，作为通用器件，它具有放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比大和失调小等优点，在双电源供电时满足零输入时零输出的要求。集成运放的应用十分广泛，包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性和非线性的处理。集成运放的种类很多，而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集成的运放的个数不同，有单片集成电路集成四个运放的，如LM324、TLC27M4、uPC324C、LF347N、LM2902N等，也有单片集成电路集成一个运放的，如uA741、uA709、LM301、LM308、TD07、LF356、OP07、OP37、MAX427等。由于话筒放大电路只限于放大话筒信号，且放大倍数也不高，因此采用单片集成电路集成一个运放集成运放TD07较为合适。3.1.1TD07简介TD07为低噪声高精度运算放大器，双列直插8脚封装。具有极低的输入失调电压10V，极低的失调电压温漂0.2V/，非常低的输入噪声电压幅度0.35VP-P(0.1Hz10Hz)，电源电压范围宽（3V22V），共模抑制比高（126dB），共模输入电压范围宽（14V）及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大。TD07低噪声高精度运算放大器，可替代725、108A、741、AD510等电路。其引脚如图3-1所示，其中1脚为调零端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端、4脚为负电源输入端，5脚为调零端，6脚为信号输出端，7脚为正电源输入端，8脚为空引脚。第8页共31页图3-1TD07的引脚图3.1.2话筒放大电路1电路原理图TD07具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，因此被广泛应用在各种电路中。可以作为反相交流放大器、同相交流放大器。本级话筒放大电路就用TD07作为同相交流放大器，具体电路如图3-2所示。C14.7uFC24.7uFR1100KR230KR3100KR45.1KR510KC3470uFTD07C422uFRP150KVCCOUT图3-2话筒放大电路及控制电路2参数计算及元件选择元件的选择:R1、R3取100K，R2取30K，R4取5.1K，由于该级的电压放大倍数为3倍，根据Av=1+R5/R4可知R5取10K。C4一般取几十微法，本文中取22F/25V电解电容。C2有助于滤掉起加入同相输入端的电源噪声，一般取几微法，本文中取4.7F/25V的电解电容。C1、C3为级间耦合电容。第9页共31页话筒音量控制采用单联电位器RP1，为保证有足够的调节裕量，本文中RP1采用0-50K的可调电位器。3.2加法电路设计集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路，例如比例、加减、积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。本文中选取集成运放LM324来实现音频信号和话筒信号的相加。3.2.1LM324简介LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，其引脚图和实物图如图3-3所示，引脚功能如表3-1。a)引脚图b)实物图图3-3LM324的引脚图和实物图表3-1LM324引脚功能表引脚功能引脚功能1输出18输出32反向输入19反向输入33正向输入110正向输入34电源11地5正向输入212正向输入46反向输入213反向输入47输出214输入4LM324内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源1.5V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号第10页共31页来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM124、LM224和LM324引脚功能及内部电路完全一致。LM124是军品，LM224为工业品，而LM324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。3.2.2加法电路1电路原理图集成运放构成的加法器电路可以反相相加，也可以是同相相加。反相相加时输入端的数量可根据需要增减，而调整某一路的输入端电阻不影响其它路输入电压与输出电压的比例关系，故调节方便。同相相加时共模输入电压较高，且输入端电阻不便调整，其中一个支路电阻变化会影响其它支路的净输入量，使运算结果发生变化，故很少采用，不如反相加法电路调节方便。因此本文中就选取双电源供电的反相加法电路作为加法器和前置放大器。反相加法电路如下图3-4所示。C14.7uFC24.7uFC3470uFR120KR220KRf20KLM324IN1OUTIN2Vcc-VccR36.66K图3-4反相加法电路2参数计算与元件选择输入电阻R1、R2一般取20K左右，由于只是实现信号的相加，不需要对信号的幅度进行处理，因此Rf也取20K。R3为平衡电阻，根据平衡电阻的概念R3=R1/R2/Rf=6.66K的电阻，R3取标称值6.8K的电阻。因此本文中第11页共31页R1=20K，R2=20K，R3=6.8K，Rf=20K。C1、C2、C3为级间耦合电容。级间耦合电容的参数的选取方法后文中的详细的介绍。3.3前置放大电路设计1电路原理图前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。本文中采用集成运放并采用双电源供电，电路原理图如下图3-5所示。2参数计算与元件选择放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R1、Rf决定：Av=-Rf/R1。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图2-3中所给数值，Av=-2。此电路输入电阻为R1。一般情况下先取R1与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定Rf。C1和C3为级间耦合电容。集成运放交流放大镜器只放大交流信号，输出信号受运放本身的失调影响较小，因此不需要调零。没有必要加接调零电路。元件的选择：R1取10K，由Av=-Rf/R1可知Rf取20K，R2为平衡电阻，根据平衡电阻的概念，R2=R1/Rf=6.8K的电阻，C2一般取几微法，本文中取4.7F/25V的电解电容。C14.7uFC24.7uFR110KR26.8KRf20KLM324INOUT+12V-12V图3-5反相放大电路综上所述，两个加法器和两个前置放的器都用运放来完成，因此可用一个单片集成电路集成四个运放的集成运放，这类型的常用四运放也很多，如uPC324C、TLC27M4、LF347N、LM324等，本文中就选取LM324作为加法器和前置放大器。3.4音调控制电路设计所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、第12页共31页渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音响不足。音调控制电路用以改变放大器的频率特性，补偿整个放音系统频率特性的偏差，也用来满足听从对音色的不同需要。音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。正是这些滤波器构成了音频电路中的音调控制器。音响器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡器，均由各种有源或无源滤波器组成。利用这些滤波电路，可以组成各种高通、低通滤波器和带通滤波器，以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。滤波器可以分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器主要是由RC元件组成的衰减式的音调控制电路，衰减式的音调控制电路接入放大器的反馈回路内，就构成了有源（负反馈式）音调控制器。有源（负反馈式）音调控制器的许多的优点，由于负反馈的作用，频率失真明显减小，由于放大器的作用，由衰减式的音调控制电器带来的中频率衰减，可以得到补偿，虽然这种电路有许多优点，但电路和放大器设计不当，极易在放大器的两端产生过大的相移从而引起自激，产生高频失真或噪声，影响实际听音效果。因此本全例中就选用由无源滤波器组成的RC衰减式音调控制电路3.4.1RC衰减式音调控制电路音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音响系统各环节的频率失真，或满足听者对音色的爱好和需求。音调控制时指调节反馈网络的频率特性，使它对音频信号的高、低频率成分产生不同程度的反馈或衰减网络的频率特性，从而达到改变电路频率响应特性之目的。常用的音调控制电路只有高音和低音频段两个控制电路，可以对高、低频成分进行提升或衰减的控制。RC衰减式音调控制电路比较简单，如图3-6所示。图中只画出了一个声道的电路。第13页共31页R1110KR1210KR210KR310KC110.015uFC120.015uFC211500pFC221500pFRP150KRP250KUiUo图3-6RC衰减式音调控制电路衰减式的音调控制电路主要是是利用改变特性曲线的转折斜率的方法来分别提升和衰减高音与低音，而不改变曲线的转折频率。这类电路分为简易型和高低音分别控制的通用型音调控制电路。简易型音调控制电路一般情况下只能使受控的音频段的音量范围在6dB左右，控制效果并不显著，用一只电位器控制的音调调节电路很难满足实用的需要，而且达不到本文中的12dB的要求，因此本文中就选取采用两只调节电位器的高低音分别控制的音调控制电路。3.4.2音调控制特性分析高低音的等效电路、音调网络的频响曲线如下图3-7、3-8所示：R11R12RP1POT2C11C12R2INOUTC21C22RP2R3OUTINa)低音控制等效电路b)高音控制等效电路图3-7高低音调控制电路等效电路第14页共31页表3-2不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值音调频率F/(Hz)C1=0.015F时的XC1C2=1500pF时的XC2低音100Hz106K1600K中音1kHz10.6K106K高音10kKHz1.06K10.6K图3-7为电路原理图，图3-7a)为高频等效电路，b)为低频等效电路，这种电路具有良好的控制特性，也是一种比较流行的音调控制器之一。由于各电容的容抗的大小在低音、中音和高音时不同，因此调节RP1和RP2时，从电位器上分压输出的音频信号的高低音的效果就会不同。RP1是低音控制电位器，调节RP1对中音和高音的影响不大，而对低音信号的影响较显著；RP2时高音控制电位器，调节RP2对中音和低音的影响不大，而对高音信号的影响较显著。Ui是输入音频信号，Uo时经过高音和低音控制的音质输出信号。1低音控制电路的工作原理低音控制电路由R11、RP1、R12、C11、C12和R2构成。RP1输出的信号由RP1动片上端阻值/C11+R11，即Z上与RP1动片下端阻值/C12+R12，即Z下分压所得。对低频信号而言，当RP1动片在最上端时，信号通路的阻抗值最小（Z上=10K）,而信号到地的分流衰减阻抗最大（Z下约为10K+50/106K），所以对低音信号呈最大提升状态；当RP1动片在最下端时，信号通路的阻抗值最大（Z上约为10K+50/106K）,而信号到地的分流衰减阻抗最大（Z下=10K），所以对低音信号呈最大衰减状态。电路设计中使RP1动片在中间位置时，对低音信号呈不提升、不衰减的状态。另外，对中频和高频信号而言，由于C11和C12所呈现的容抗值较小，因此调节RP1时（阻值从0-50K变化），对信号通路的阻抗和信号衰减的阻抗的相对变化量不是十分明显，使得RP1的变化对中、高频的影响不大。2高音控制电路的工作原理高音控制电路由R3、RP2、C21和C22构成。当RP2动片在最上端时，C21对输入信号Ui的高频段信号呈现很小的容抗（-j10.6K），对高频段信号呈现最大提升状态；当RP2动片在最下端时，输入信号Ui中的高频段信号经C21和RP2的全部阻值（-j10.6K+50K）才能传输到后级电路中，同时下部的衰减电容C22对高频段信号第15页共31页的容抗较小（-j10.6K），此时对高频段信号正处于最大衰减状态；当RP2的动片从最上端开始向下滑动，滑到中间位置时，由于RP2动片以上的电阻串联在C21的回路中，对高频段信号有些衰减，同时由于RP2动片一下的电阻值在减小，通过C22对高频段信号开始对地分流衰减，这样随着RP2动片向下滑动，对高频段信号的提升量从最大状态开始逐渐减小，电路设计中当RP2动片滑到中间位置时对高频段信号既不提升也不衰减。另外，对另外，对中频和高频信号而言，由于C11和C12所呈现的容抗值较大，因此调节RP2时（阻值从0-50K变化），对信号通路的阻抗和信号衰减的阻抗的相对变化量不是十分明显，使得RP1的变化对中、高频的影响不大。3.4.3响度控制电路音响系统在小音量放送音乐的时候，听者会感觉到低音和高音的不足，这是由等响曲线反映的人耳听觉特性说造成的。为此，在扩音机中通常要设置响度控制电路，在小音量放送音乐时利用频率补偿网络适当提升低音和高音分量，以弥补人耳听觉缺陷，达到较好的听觉效果。RP151KR124KC21200pFC10.068uFUiUoACBa）抽头电位器响度控制电路C1R1R2R3UoUiR1R2R3C2UiUo第16页共31页b）低频等效电路c）高频等效电路图3-9抽头电位器响度控制电路抽头电位器响度控制电路原理如图3-9a)所示。R1，C1，C2和抽头电位器组成频率补偿网络。电位器滑动触点既能控制输出音量，又能实现响度控制。对于输入信号中的低音分量，C2可视为开路，得到低频等效电路如图3-9b)所示。对于输入信号中的高音分量，C1可视为短路，得到高频等效电路如图3-9c)所示。从低频等效电路可知，由于C1的容抗随着信号频率降低而增大，因而该电路有利于低频分量的传输，相当于提升了低音；从高频等效电路可知，由于C2的容抗随着信号频率升高而减小，因而该电路有利于高频分量的传输，相当于提升了高音。当电位器抽头从B点向下移动时，输出音量减小，但低音和高音的对提升量保持不变；当电位器抽头从B点向上移动时，输出音量增大，但低音和高音的对提升量会减小；当电位器抽头从B点移到A点时，输出音量大，而低音和高音相对提升量为0。3.5功放电路设计功率放大器是音响系统中一个不可缺少的重要部分，其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载如扬声器、音箱等。不同于前置放大器不仅对音频电压信号进行放大，而且放大了音频电流信号，以满足外接负载的功率需求。音频功率放大器的类型很多，根据使用的器件不同，为纯电子管、晶体管、集成电路、场效应管功率放大器。一般认为电子管功率放大器（俗称胆机）的音色优于晶体管功率放大器音色。晶体管放大器的频响宽，低频可延伸至直流，是目前输出功率最大的功率放大器。场效应管功率放大器的音色是晶体管机中音色最好的一种。集成电路功率放大器则以其制作简单、性能稳定、功能齐全、价格低廉而使其成为数量最多的一种。TDA2030集成音频功率放大器就是其中的一种。本文中就选取TDA2030集成音频功率放大器做为功放电路。3.5.1TDA2030简介1引脚排列(如图3-10所示)第17页共31页图3-10TDA2030引脚图图中，1脚是正相输入端，2脚是反向输入端，3脚是负电源输入端，4脚是功率输出端，5脚是正电源输入端。TDA2030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。瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，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TDA2030在内的几种该集成功放。TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。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，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。2主要参数表3-3TDA2030主要参数参数名称符号单位参数最小典型最大测试条件电源电压VccV61418静态电流IccmA4060Vcc=18V，RL=4欧W1214RL=4，THD=0.5%输出功率PoW89RL=8，THD=0.5%第18页共31页频响BWHz10140KPo=12w，RL=4，输入阻抗RiM0.55开环，=1KHz谐波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W，RL=43.5.2TDA2030应用电路根据设计任务本次TDA2030采用正负双电源供电，画出相应的电路图，如图3-11所示。R133KR2300KR312KRf47KC222uFC30.1uFC12.2uFC42.2uFTDA2030-VCCVCCINSPEAKER图3-11功放电路基本原理由设计的框图可知，本级的放大倍数为4V/25mv=160倍，相应的电压增益为44dB。为了提高电路的稳定性，电路的反馈采用电压串联负反馈。负回馈之所以能够改善放大电路的多方面性能，归根结底是由将电路的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对输出量进行调整。反馈愈深，即1+AF的值愈大，这种作用愈强，对电路性能的改善愈为有益。但是1+AF的值愈大，增益下降愈多。由此可见，负反馈对放大电路性能的改善是以牺牲增益为代价的。该电路闭环增益可由下式估算：Au=1+Rf/R2由上式可知：Au=1+RF/R2=160R2一般取几百欧到几千欧，本次R2取标称值为300，则Rf为48K，取标称值为47K的电阻。C2的作用使电路的直流工作状态采用100%的负反馈，即直流增益为1，所以工第19页共31页作点非常稳定。C2一般取几十微法，本文中取为22F、耐压为50v的铝电解电容。R3和C3组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管，同时具有改善扬声响应，消除自激振荡的功效。R3一般取几欧到几十欧，本次取12的碳膜电容。C3一般取零点零几微法到零点几微法本次取容量为0.1F耐压63V的涤纶电容。C1和C4为耦合电容，取容量为2.2F耐压50V的铝电解电容。R1为芯片输入级偏置电阻，为输入端提供直流通路，一般取几十千欧，本次取阻值为33K的碳膜电阻。为了使运放电路更稳定的工作，还需要在运放的正负电源端与地之间分别接几十到上百微法的电解电容和0.01-0.1F的电容用来旁路非直流信号。但由于在后面要设计的电源电路中有了这样的旁路电容，所以在集成运放的电源输入端就不需要这类的电容了。3.6级间耦合电容的选择考虑到功放电路通常设有前置放大电路，且常用阻容耦合方式，在选取这类电容时应留有裕量。本次设计除了功放电路外前面还有二级前置放大电路和一级加法电路。因此多级电路下限截止频率通常由下式计算：L=1.1(L1L1+L2L2+L3L3+LnLn)设每级下限截止频率相同，则二级前置放大电路和一级加法电路、功放电路的各级下限频率为：L=L/(1.1)18.18HZ4忽略前一级输出电阻，则C=(310)/(2RiL)=(310)/(210100018.18)=(310)0.8758F=2.627F8.758F其中Ri为后级的输入电阻。本文中C取标称值为4.7F，耐压为50V的铝电解电容，C11为输出电容，一般取几百微法。本文取470F，两端的电压为VCC，本文中选取耐压为50V的铝电解第20页共31页电容。3.7音量显示电路设计功率测量及显示电路由真有效值转换电路和显示电路组成。本设计采用专用集成块TA7666P实现，通过多个发光二极管来直观指示音量的大小，电路如图3-12所示。R643R510kR210kR710kR410kR310kR110kC11uFC20.47uFD1D2D3D4D5Vref-8db+3db0db-3db-12dbINVCCGNDTA7666P入入入入入入+12V图3-12音量显示电路3.8电源电路设计3.8.1电源电路的系统结构很多常见的电子设备中都需要直流电源供电，小功率不间断时可以用电池供电，而在很多很多场合电池就无法满足供电需求，此时就要用直流电源来供电。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路等构成，其结构框图如下图3-13所示。图3-13电源电路组成框图第21页共31页本文中设计的电源为12V双电源输出，最大输出电流为1.5A。滤波电路通常由电容、电感等电抗性元件组成。利用电容两端不能突变和流过电感的电流不能突变的特点，把电容和负载并联或电感和负载串联都可以实现滤波，使输出的电压纹波变得平滑。电容组成的滤波器电路简单、输出直流电压较高、纹波较小，作为小功率直流电源。电感带负载能力强，但成本高、易引起电磁干扰等，适用于低电压、大电流场合。因此本文中选用电容作为电源滤波器。整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流电路等几类。整流电路是根据二极管的意向导电性来实现的。本文中就选取桥式整流电路作为电源的整流电路。稳压电路：经降压、滤波后的直流电压易受到电网电压波动、负载和环境温度等的变化而出现波动，从而影响后级电路的正常工作，因此必需经过稳压电路以获得稳定的直流电压。稳压电路可以分为并联稳压、串联稳压、三端集成稳压器等几种。最简单的稳压电路二极管并联稳压电路，缺点是稳压精度不高，只适用于小电流、电网电压波动不大的场合。在要求较高时就要用串联稳压电路或由三端集成稳压器组成的稳压电路。三端集成稳压器按输出电压是否可调分为固定式和可调式两种，按输出电压的正负分为7800的正电压输出和7900的负电压两个系列，每个系列按输出电压的不同又有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等档次。按照最大输出电流大小的不同，7800系列又可分为CW78H00系列，最大输出电流为5A，CW7800系列，最大输出电流为1.5A，CW78M00系列，最大输出电流为0.5A和CW78L00系列，最大输出电流为0.1A，对应的7900系列又可分为CW79H00系列，最大输出电流为5A，CW7900系列，最大输出电流为1.5A，CW79M00系列，最大输出电流为0.5A和CW79L00系列，最大输出电流为0.1A。3.8.2电源电路根据要求本次选用的为CW7812和CW7912，输出的电压值为12V，电流值为最大1.5A，其参数为Uo=11.5V12.5V，Iomax=1.5A，CW7812或CW7912的电压范围是Uz=14V35V，整流电路选取两两并联的二极管桥式整流电路，取IN4007，其参数为耐压为1000V，整流电路为1A，电路如下3-14图所示。第22页共31页D1D2D3D4D5D6D7D8图3-14整流电路变压器的选取：估算由于滤波后的电压为滤波前的1.2倍，因此变压器的输出范围应为14/1.235/1.2V=1230V，不忽略整流二极管的管压降时，输入电压约为1331V，在这个范围内CW7812和CW7912都能正常工作并输出相应的电压。由于三端固定式集成稳压器的输入电压不能低于输出电压2V，因此输入电压最低为14V，又由于电容滤波后的电压为滤波前的确1.2倍，加上整流管的压降，综合上述考滤，输入集成稳压器的电压约为：14/1.2+0.735/1.2+0.7=1331V故本文中选取的电源变压器为中间带有抽头的变压器。如图3-15所示。图3-15电源变压器其参数为输入电压为220V/50HZ，两端的任何一端和中间抽头之间的电压为15V，两端的端电压为15V/1.5A，功率为151.5=22.5W的变压器。若效率为70%，则功率应这32W的铁芯变压器。滤波电容的选取：滤波电容可由下式估算C(35)T/(2RL)式中，T为市电周期，T=0.02s。电容耐压值的估算：UCN=（1.52）U2，U2为变压器的二次电压。第23页共31页根据公式UCN(1.52)U2本文中选取1000F由于变压器的输出电压为30V，每个电容两端的电压约为15V，则C1，C2的耐压应为（1.52）U2，UCN=22.530V，故本文中的C1，C2应选取容量为1000F，耐压为35V的铝电解电容。C7，C8的选取原则：通常按C1，C2的（0.250.5）倍来选取，因而可选标称值为330F，耐压为35V的铝电解电容。C3，C4为抗干扰电容，用以旁路因导线过长而窜入的高频干扰脉冲，C5，C6具有发送输出瞬变和防止电路产生自激振荡作用。C3，C4，C5，C6，一般用高频特性教好的磁介电容，C3，C4一般取0.33F，C5，C6一般0.1F。保护电路的选取：VD5、VD6，VD7、VD8均为保护二极管.假如三端集成稳压器的任何一个输入断开，在无VD7或VD8的情况下，未断开的输出端的电压加至断开的另一个三端集成稳压器的输出端，使断开的另一个三端集成稳压器的输出端承受反向电压而损坏.加入硅二极管VD7或VD8后，二极管导通使输出端电位钳制在0.7V左右，起到保护作用。VD5、VD6是用来防止输入短路时C2上电荷对稳压器内部放电使内部输出管击穿而损坏。由于该电源电路的最大输出电流为1.5A，因此VD7、VD8、最大整流电流IF应选取1.5A的整流二极管，即IF=Iomax为留有裕量，VD7、VD8最高反向电压URM应按下式选取:URMUO2常见的整流二极管的IN4001IN4007系列，其最大整流电流均为1A，最高整流电压从50V到1000V不等，本文中就选取IN4007作为保护电路的二极管。最大整流电流均为1A，最高整流电压为1000V，由于该电源电路的最大输出电流为1.5A，因此可在VD7、VD8上再各并联一个二极管，使其扩展为2A。第24页共31页第4章电路调试4.1单元电路调试4.1.1话放级的调试1.电压放大倍数的测量：在输入端加上=1kHz、有效值U=100mV的正弦交流信号。用电子毫伏表测量输出电压的有效值U。，求出Au并与理论值进行比较，看是否满足要求；同时用示波器观察UI、U。的波形，看是否发生失真。2.测量输入电阻Ri：输入电阻的测试方法与放大器输入电阻的测试方法相同。4.1.2前置放大级的调试1.测量静态值UP、UN、UO的值(30mv左右)2.电压放大倍数的测量：分别在两输入端加上=1kHZ、有效值U=250mV的正弦交流信号，测出U0。计算Au并与理论值进行比较，同时用示波器观察U0的波形。4.1.3音调控制级的测试测量音调控制级的特性，计算Au并与理论值进行比较，同时用示波器观察输入输出的波形。4.1.4功放级的调试1.测量静态值UI、Uo的值，计算Au并与理论值进行比较，同时用示波器观察U0的波形。4.2整机调试4.2.1级联调试把话放级的输出加到混合级的输入端，在话放级端加入=1kHz、UI=50mV的正弦交流信号，测量加法器和前置放大器的输出Uo，计算Au并与理论值相比较，同时用示波器观察Uo的波形，看是否失真。4.2.2电压放大倍数的测量分别在输入端加上=1kHz、有效值UI=20mV的正弦交流信号，测出UO。计第25页共31页算Au并与理论值进行比较。注意用示波器观察的波形，看是否失真。若产生失真，可适当减小输人信号的幅值。4.2.3话筒扩音将低阻话筒接话筒放大器的输入端，应注意，扬声器的方向与话筒方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输入后，形成正反馈产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音量电位器，可控制声音大小。4.2.4音乐欣赏将录音机输出的音乐信号，接如混合前置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调发生明显变化。4.2.5卡拉OK伴唱调整话筒放大器和录音机输出端的音量电位器，可以控制声音音量和质量。录音机输出卡拉OK磁带歌曲，手握话筒随歌曲歌唱，适当控制话筒放大器与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱声音量与音乐声音量之间的比例，调节音音调电路可修饰、改善唱歌的声音。4.2.6音量显示调整输出端的音量电位器和响度控制电位器，可以控制声音音量，同时音量显示电路的发光二极管串会显示当前音量大小。第26页共31页总结时光飞逝，三年的大学生活很快就要过去了，在这即将离开大学生活踏上社会的时刻。在此，我有必要对自己三年的大学生活做一下小小的总结。大学三年里，在提高自己的思想道德素质的同时，也努力提高自己科学文化素质，在这三年里，我严格要求自己，不仅以优异的成绩通过各门学科考试，而且作为职校生的我在动手能力方面有了很大的提高，视野也得到了很大的拓展，总的来说，我度过了一个快乐而又充实的大学生涯。在这毕业的钟声敲响之时，我也进入了毕业设计阶段，并且此时该设计也已接近尾声，以上对本次设计也做一总结。本次毕业设计对于我来说，还是具有一定的挑战性的。通过这段时间做毕业设计，发现了自己的很多不足之处，毕业设计是在校大学生最后一次知识的全面检验，是对学生基本知识、基本理论、基本技能掌握与提高程度的总测试。在学习期间，已经按照教学计划的规定，学完了公共课、基础课、专业课以及选修课等，每门课程也都经过了考试或考查。但毕业设计不是单一地对学生进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。通过做毕业设计，可以初步了解科学研究的过程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何观察、如何调查、作样本分析；如何利用图书馆，检索文献资料等方法。把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既印证学过的书本知识