毕业设计音频功率放大.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目 录摘 要1绪 论2第1章 功放的分类31.1 甲类功放31.2 乙类功放31.3 甲乙类功放3第2章 音频功率放大器的结构与方案选择42.1 放大电路的选择42.1.1 OTL电路和OCL电路选择42.1.2 OTL组成及工作原理52.1.3 OTL的主要性能指标62.2 电源电路的选择62.3 芯片选择8第3章 各电路原理及其构成框图93.1 电源电路的设计与工作原理93.1.1 电源电路的设计93.1.2 电源电路的工作原理103.2 音频控制电路工作原理103.3 TDA2004引脚功能及工作原理113.3.1 TDA2004功放主要参数及实用电路图113.3.2 TDA2004引脚功能的电压资料参数123.4 整机工作原理13第4章 直流稳压电路仿真144.1 用EWB电源部分仿真144.2 电源电压进行验证14第5章 实物制作155.1 用Protel 99 SE制作PCB板155.1.1 原理图的绘制155.1.2 PCB板的制作165.2 PCB板的腐蚀175.3 元器件的检测175.4 元器件的焊接18第6章 电路性能的检测196.1 电源电路检测196.2 整体电路调试19总 结20参 考 文 献22附 录 一23附 录 二2421摘 要本设计用芯片TDA2004设计一种OTL功放电路，具有音量控制、高音控制、左右声道均衡控制双声道音频功率放大器，带整流器，可以直接输入交流电，也可以直接输入直流电。输入输出可采用和电子实验套件相兼容的插针，扩展方便。使用方便简单，接上音箱、CD、VCD、DVD、MP3、电脑和电源即可工作。在日常生活中应用前景广阔。关键字 OTL功放电路、TDA2004、电源绪 论在模拟电子线路中，电信号经过放大之后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例如推动喇叭发声，推动继电器实现控制等。执行机构要正常工作都需要从电路中获取较大的电能。因此，放大电路的末级均由功率放大器组成。音响技术领域是集成功率放大器的主要应用天地，利用集成功放可以方便的构成OTL、OCL和BTL电路程式，这不仅使电路结构简单、易于组装和调试，而且电路性能指标也有很大的提高，谐波失真小，工作稳定、安全、可靠。尽管与分立元件的DC、CL电路程式相比，转换速率还比较低，不同程度的存在瞬态互调失真，使音质变硬、变脆，给人以金属声的感觉，然而随着人类工程学的发展和集成电路工艺的发展，集成功放的瞬态指标必将有重大的突破。OTL电路输出极与扬声器之间采用电容耦合，OTL电路具有便于集成化，频率性好等优点。在收音机、汽车功放中常见。随着人们物质和文化生活水平的不断提高，单声道功率放大器一般只用于普通收音机或低档音响设备中。随着双重集成功放产品的增多及性能指标的提高，人们越来越多的采用双集成功放来构成双声道立体声放大器。而TDA2004芯片是OTL电路即能实现单声道又能实现双声道。第1章 功放的分类按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。 1.1 甲类功放甲类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。1.2 乙类功放 乙类功放放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙，所以使用纯B类功放较少。1.3 甲乙类功放甲乙类功放介于甲类和乙类功率放大器之间，它的静态工作点选在靠近截止区，即晶体管发射结处于正向运用的时间超过半个周期，但小于一个周期。它通常有两个偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。 第2章 音频功率放大器的结构与方案选择2.1 放大电路的选择2.1.1 OTL电路和OCL电路选择OCL是英文Output Condeser Less一词的缩写，是无输出耦合电容器的功放电路。与OTL相比只是在功放与负载之间去掉了输出耦合电容器，使两者直接进行相连。由于省去了隔直流电容器，故功放级的上、下功放管的中点必须保持为直流电压的零电位。OTL是英文Output Transformer Less的缩写，它是一种无输出变压器式推挽功放电路。是采用NPN和PNP型三极管构成，并能自动完成倒相作用的互补对称式OTL电路。输出极与扬声器之间采用电容耦合，在收音机、汽车功放中常见。OTL电路具有便于集成化，频率性好等优点。根据电路设计的要求，选择OTL功放电路。2.1.2 OTL组成及工作原理图2-1 OTL电路图输入信号经C1耦合，VT1放大后从集成电极输出，分别加至VT2VT3 管的基极。VT1是一种甲类放大电路，R1R4是VT1管的偏置电阻。当信号为正半周期时，VT2导通VT3管截止，VT2集电极电流流过负载（扬声器），并对C3电容器进行充电。当信号为负半周期时，VT2截止，VT3导通。电容器C3上的电压仍可维持VT3的供电，使其正常工作，由于放大器是射极输出方式，故从交流通道来看，VT2、VT3又是并联的，所以输出阻抗很小，可以直接与底阻抗的负载相连。为了清除交越失真，VT3、VT2的基极偏压 是利用二极管VD的压降（约0.60.7）及R7电阻提供的。如图所示B点与C4电容器负急电是等电位，目的是使B点电压反馈到VT1基极，以使功放电路静态工作点稳定。C4是自举电容器，当有信号输入时，VT3基极电位升高，B点电位也同时升高。由于C4的容量值较大，故在很短的时间内，两端的电压几乎保持不变，使得正端略高于电源电压，相当于在R5两端加了一个正电源，从而保证了VT2在大信号情况下，真正趋于饱和导通状态。2.1.3 OTL的主要性能指标1、最大不失真输出功率理想情况下，=2/8，在实验中可通过测量两端的电压有效值，来求得实际的=2/。2、效率=/100%PE直流电源供给的平均功率理想情况下，功率Max=78.5%。在实验中，可测量电源供给的平均电流Idc，从而求得=，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。3、频率响应当声音功率比正常功率低3dB时，这个功率点称为频率响应的高频截止点和低频截止点。高频截止点与低频截止点之间的频率，即为该设备的频率响应。4、输入灵敏度输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号之值。2.2 电源电路的选择1.指示电路显示电路的作用是给电路正常工作时起一个指示作用，本设计采用12单电源供电，所以需加一个发光二极管作通电指示。发光二极管的压降为1.52.8（2），其工作电流一般取1020为宜。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R1可用下式计算： 式中E为电源电压，Ur为LED的正向压降，Ir为LED的一般工作电流。当发光二极管压降为2.0V，工作电压为20mA时。由公式(4-1)可知：由电阻E24系列可知R1取1K。2.滤波电路路的输出电压波纹太大，必须经过滤波，使其平滑接近直流。一般桥式整流电容越大越好，但考虑实际情况应满足： 式中RL为负载电阻，T为电源周期，其中电源周期为0.02设喇叭电阻为4，可故算出： 所以负载电阻 则 所以本设计选择4个1000F的电容作为电源滤波电容。 3.电源滤干扰电路滤干扰电容，它的作用是滤除电源中的干扰信号，参考功放的相关书籍，滤干扰电容一般选择容量较小的无极性电容，本设计选用104的瓷片电容。4.整流电路由于本设计中最大电路为4A，通过每个整流二极管的电流为2A，所以整流二极管承受的最高反向电压为=。经查表选择型号为1N5408的整流二极管，主要参数为：择耐压为1000，最大整流3。5.变压器设计的输出功率为： （W） 变压器的初级与次级功率之比：=0.8 Pi=所以选择、选取电源变压器。2.3 芯片选择根据电路设计的需要，经查找资料最终确定选择单电源供电的双声道芯片TDA2004。第3章 各电路原理及其构成框图3.1 电源电路的设计与工作原理3.1.1 电源电路的设计桥式整流比半波整流有很大的优势。所以选择桥式整流如电路原理如图2.1.2所示。有四只二极管V1 、V2、V3 、V4 构成桥形电路。 原理分析：u2正半周时，其导通途径为：，其V2 、V4 反向截止。忽略管压降则输出电压为。u2负半周时，其导通途径为：，其v1 、V3 截止。输出电压=- 。其电流电压波形如图3.2。其计算关系为：输出电压二极管的通态平均电流 二极管最高反向工作电压 图3-1电源电路原理图图3-2桥式整流电路的电流电压波形如图3.1所示电源电路由变压器、桥式整流堆、滤波电容、显示电路构成。3.1.2 电源电路的工作原理 220交流电经过变压器降压为的交流电，的交流电经过四只二极管（D1、D2、D3、D4）经过桥式整流输出的脉动直流电，再经过四只电容（C1、C2、C3、C4）滤波输出左右的直流电。电阻和发光二极管组成显示电路，确定电源正常输出。3.2 音频控制电路工作原理图3-3音频控制电路 音频信号从IN PUT1里输入经过C26、C27滤波到L-主音量和R-主音量，经过调节来控制主音量的大小。电路中的电容起滤波作用，电阻起分压作用。电信号从R5、R4输出，分别输入到芯片的、脚。3.3 TDA2004引脚功能及工作原理3.3.1 TDA2004功放主要参数及实用电路图TDA2004，音频双功放，单列11脚封装，输出电流大，负载阻抗低。电源电压8-18。当=14.4，=1.6时，输出功率Po=112，=4 =6.52。典型应用图如下：图3-4 TDA2004外围电路3.3.2 TDA2004引脚功能的电压资料参数表3-1引脚号功能说明电压值引脚号功能说明电压值1输入20.797自举114.12负反馈20.648输出183滤波8.529电源154负反馈10.6410输出285输入10.7911自举214.16地03.4 整机工作原理电源变压器12v整流滤波音频信号输 入音频控制电路高音控制指示电路 TDA2004均衡控制低音控制主音控制图3-5 整机工作电路图整机工作原理如图所示。由电源输入到变压器，变压为，经过整流、滤波为TDA2004芯片提供电源。音频信号输入经过音频控制电路，具有调节均衡、高音、低音、主音音量的功能。再输入芯片TDA2004经过放大输出声音信号。第4章 直流稳压电路仿真4.1 用EWB电源部分仿真 图4-1电源仿真图变压器经过变压后输出电压。经过整流、滤波后输出电压为。4.2 电源电压进行验证 电源电压验证：由于TDA2004芯片的工作电压为-的直流电。电源仿真输出的电压为，实物所测的电压为。所以该电源电压满足芯片的供电要求。也符号电路电源标准。第5章 实物制作5.1 用Protel 99 SE制作PCB板5.1.1 原理图的绘制1. 启动“Protel 99 SE”新建工程项目。新建数据库“Documents”，创建原理图文件“Gongfang.Sch”，启动原理图设计编辑器。2. 单击浏览中的库，添加库文件。元件库文件一般放在“Protel 99 SE LibrarySch”文件中。一般来说，设计原理图时常用的元件库有Miscellaneous Devices、 Protel DOS Schematic Libraries、Intel Databooks、TI Databooks。将这四个常用的元件库添加到库的列表中。3. 如果库中没有的可以在工程中新建元器件库。在设计中我有两个元器件找不到添加了两个元器件库。两个库分别是电位器的元器件库 Schlib1.Lib 如图5-1所示和导线的元器件库 daixian.Lib 如图5-2。图5-1电位器封装图图5-2 导线封装图4. 在库中找到相应的元器件绘制电路图。5. 每个元器件的封装正确填写。在设计中有五个元器件找不到元器件库文件。我们需要新建一个封装库PCBLIB1.LIB。在这个封装库中新建五个元器件的封装，分别是TDA2004、BY、DK、DX 、6. 进行电气规则检查。看电路的电气规则连接有无错误。如有错误可以根据提示进行改正，再进行电气规则检查。正确后生成网络表。 5.1.2 PCB板的制作 规划电路板：主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。元器件用3mm 的外径和1mm 内径的焊盘。 绘制电路版地边框前，将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。零件布局：Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。自动布局时，运行Tools下面的Auto Place,用这个命令，但多数是采用手动布局。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。自动布线：元件布局调整好完成后，先进行布线参数规则设置。方法是：在设计菜单下，执行菜单命令“Design/All”（或单击鼠标右键，选择规则菜单命令），出现布线规则参数设置对话框。 在对话框中，设置安全间距为10mils、转弯模式选择为45。 、布线拓扑结构选最短树、板层选底层任意方向布线，布线宽度设置：一般线宽选40mils,地线选60mils,焊盘外径80、内径选40mils，其余各项默认设置。然后，在自动布线菜单下，执行菜单命令“Auto Route All”，出现自动布线设置对话框。保持对话框中的默认设置，单击“Route All”按钮，出现布线信息对话框。单击“OK”按钮，即得到所需要的PCB板线路图样，若要修改焊盘参数，可任选一个焊盘，进入全局属性编辑窗口，一次性修改完成。如图5-3：图5-3 PCB板的布线5.2 PCB板的腐蚀1. 在检查无误的情况下可以进行打印，打印设置为底层打印。用热转印纸进行打印，打印如图所示。2. 将基材上的铜箔，用砂纸砂光。再用热转印机将热转印纸上的图转印到铜箔上。如果没有转印上的部分，可以用油性笔将其画好。3. 将基材放入三氯化铁勾兑的热水中经行腐蚀。可以将基材上不需要的部分腐蚀掉，保留需要的铜箔。4. 将腐蚀好的基材按电气边框的尺寸用锯子锯好，用台转打孔。打孔完成后PCB板制作完成。5.3 元器件的检测为了保证元器件的质量，在元件安装之前，必须对所有已经逐个进行检测，以免将已损坏的或有质量问题的元件安装到电路中，增加查找故障元件的难度。实施的方法有：1、简单测试，只了解有无损坏的元件；2、对元件的进行筛选，用相关设备对各元件的主要性能指标进行全面测试，剔除劣质元件。并完成元件明细表（附表一）。5.4 元器件的焊接对元件进行焊接前，先需要根据元件的大小确定元件是卧装还是立装，然后根据元件的先小后大，先轻后重，先内后外的原则，采用手工烙铁锡焊。为了便于焊接，应将要焊接的元器件进行刮脚，焊盘应用砂纸砂光滑以便于焊接。焊接步骤：1、插入元器件，将烙铁头放在被焊件的焊盘上，使焊点温度升高（有利于焊接）。如果烙铁头上有锡，则会使烙铁头上温度很快传递到焊接点上。4用焊锡丝接触到焊接处，熔化适量的焊料。焊锡丝应从烙铁头侧面加入，而不是直接加在烙铁头上。 2、从焊锡丝开始熔化数3秒后，先移开焊锡丝，再移开电烙铁。3、焊点冷却后，用斜口钳子将元器件的管脚剪掉，剪去管脚的长度应尽可能的要短。 4、焊接完成后检查看是否有错焊、漏焊；线路的走线下、是否正确。注事事项： 移开烙铁头的时间、方向和速度，决定着焊接点的焊接质量，正确的方法是先慢后快，烙铁头移开沿45角方向移动，及时清理烙铁头。 第6章 电路性能的检测6.1 电源电路检测将电源电路与功放电路断开，通如的交流电，用万用表检测变压器输出为。经整流、滤波输出电压为,满足功放电路供电要求所以电源电路正常，可接入功放电路。6.2 整体电路调试在调试过程中需要的器材主要有：万用表、电烙铁、焊锡、助焊剂和导线等若干。调试的基本原则是：先静态，后动态，先局部，后整体，动态技术指标的调试，从末级开始，逐级向前反复进行，直到调准为止。通电检查整机电路工作是否正常，在通电之前将每个电位器调到中间位置，以免损坏其他元器件。将音频信号加到功放电路的输入端，电路能正常工作。喇叭有明显的杂音，将音量加大杂音减小。检测电路，喇叭功率过小。在两个喇叭上各并联一个功率较大的喇叭，杂音消除。再测试音响的声音是否清晰，无噪声。如果有噪声，检查喇叭是否正常工作，所需电压是否与电路的输出电压一致，或更换部分电路电阻调节输出。总 结通过这次设计，我设计的实物所体现的功能是双声道功率放大器。随着毕业日子的来临，我的毕业设计也接近了尾声。设计用的是TDA2004芯片实现一个双声道的OTL音频功率放大器。这是一种用来推动功率较大的音响设备的装置。OTL功率放大器的设计不仅是对前面所学知识的复习，也是对所学知识的汇总。功率放大器在我们日常生活中几乎都可以看到它的身影，最常见的是，音响设备中的功放设备。而OTL功率放大器是一种无输出变压器式推挽功放电放大器。TDA2004芯片需8-18的电源供电，则必须采用输出变压器来进行阻抗变换。由于输出变压器是个电感元件，通过变压器的信号频率不同，线圈所呈现的阻抗也不同。为了延伸低频响应。线圈的电感量就要大，圈数也就越多，于是，匝间，层间的分布电容也就相应增大，使高频端的频率扩展受到限制。此外，还会造成非线性失真，不便引入深度负反馈等弊病。为了消除这些不良的影响，各种不同形式的无输出变压器的OTL功率放大器应运而生。相当于采用输出变压器的推挽功率放大器而言，OTL电路具有便于集成化，频率性好等优点。采用集成电路设计具有电路结构简单，调试方便，工作性能稳定的特点，因此选择集成电路作为设计方案。于是我采用了TDA2004芯片来实现OTL电路。确定设计方向后，就要进行实际的电路设计了。TDA2004 OTL功率放大器共由三个部分组成：音频控制电路、功放电路、电源电路。要实现整个电路的设计可以分开设计这三个部分，再把它们组合在一起。电源电路为功放电路提供工作电压，应为TDA2004芯片的工作电压范围大，因此可以直接将的电压经过整流滤波提供给功放电路。完成电路的设计草图后就是要选择适合的元件，使得电路能达到设计指标。合理的选择元件是整个设计任务的关键。电路中各个元件的大小都可以由设计指标算出来。一个性能优越的功率放大器一定要达到以下三个要求：（1）输出功率要足够大（2）效率要高。（3）非线性失真小。针对以上三个要求，在电路的设计当中。 首先要求功放电路散热好，因为功放电路工作在大电流的情况下，温度非常高。其次，在电路中，存在一个转换效率问题。可以把电源供给的直流功率较多地变成交流输出功率使得