高保真音频放大器.doc

9武汉理工大学模拟电子技术基础说明书学 号： 课 程 设 计题 目高保真音频功率放大器设计学 院信息工程专 业电子科学与技术班 级姓 名指导教师2014年1月15日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 高保真音频功率放大器设计 初始条件： 可选元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源12V，或自备电源。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表要求完成的主要任务: （1）设计任务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。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。（2）设计要求 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：1、 2014 年 1 月 12 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、 2014年 1 月 13 日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。2、 2014 年1 月 14 日 至 2014 年 1 月 15日，方案选择和电路设计。2、 2014 年 1 月 15 日 至 2014 年 1 月 16 日，电路调试和设计说明书撰写。3、 2014 年 1 月 17 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日II目录1设计内容及技术参数指标21.1设计内容21.2设计要求和技术参数22方案论证及电路框图.22.1方案论证22.2电路框图23单元模块设计与参数计算33.1电源模块33.2前置滤波及音量调节电路43.2.1设计的必要性43.2.2芯片选择43.3功率放大电路43.3.1芯片选择43.3.2电路53.3.3原理说明53.3.4 multisim仿真结果53.3.5 元件选择53.3.6 放大倍数计算63.3.7 输出功率63.3.8 效率63.4指示灯电路64电路安装以及联合调试64.1焊接电路64.2联合调试75 心得体会76 参考文献.7附录1 元件清单8附录2 整体电路图8II摘要本文设计的高保真音频功率放大器，带8负载，输出功率可达10W。整体电路分为三级：电源、前置滤波及音量调节电路、功率放大电路。正负电源用7812和7912设计，为单独的一部分，用来给功率放大器提供正负12V的直流电。其目的是能够将整个功放直接接入220V交流电，这样设计也是与实际应用相结合。前置滤波及音量调节电路用LM324设计，构成二阶有源低通滤波器，使输入信号得到初步的滤波，以提高高音质且防止杂波经过放大后对输出信号造成更大的干扰。功率放大电路用TDA2030设计，采用的是其经典电路。制作和调试后，各项指标已实现。关键字：音频功率放大器，TDA2030，LM324III高保真音频放大器1设计内容及技术参数指标1.1设计内容本次课程设计内容为设计一个高保真音频功率放大器。根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路。完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。1.2设计要求和技术参数 输出功率 10W/8； 频率响应 2020KHz； 效率 60； 失真小。2方案论证及电路框图2.1方案论证对高保真音频功率放大器可选以下方案:方案一：无输出耦合电容的分立元件低功放分立元件低功放可分输入级,偏置中间级和功率输出级三部分组成。为保证低频响应电路中采用直接耦合。采用基极分压式射极偏置电路，这对提高线性，降低波形失真起到很大的作用。末级输出电路工作在甲乙类状态，这既保证了线性不失真放大，又可使效率达到指标。方案二：直接耦合集成功放电路利用集成运放搭建输入级，中间级和输出级。优点是采用集成功放，电路总体噪声小，可操作性好。方案选择：对于这两种方案均可达到实验目的要求,但对于实际操作性和简易复杂度,以及成本高低，信号失真度选择方案二更优越一些。2.2电路框图本设计采用三级电路完成设计目标，分别为电源，前置滤波及音量调节电路，功率放大电路，总体模块如图2.2所示。12V220V/50Hz输入电源前置滤波及音量调节电路功率放大电路音频输出音频输入扬声器图2.2 总体方案设计3单元模块设计与参数计算 3.1电源模块根据课设题目要求，采用正负12V电源供电，这里采用常用线性稳压芯片7815和7915设计，电路简单，输出稳定，纹波小。电路图如图3.1所示。 图3.1 电源电路图3.1.1 电路原理 该电路共由四部分组成，变压，整流，滤波，稳压。其中变压电路由电路前端的变压器实现，将220V的交流电转换成16V的低压交流电，然后经过全波整流桥，输出脉动电流，之后滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，最后经由稳压电路的负反馈电路进一步稳定直流电压。如上图示，D1，D2，D3，D4构成了全波整流桥，C1，C2构成滤波电路，LM7812和LM7912构成了稳压电路，后面的C1，C2是为进一步减小输出纹波。电路加入两个开关，用以控制输出电流的通断，同时也能够控制用该电路作为电源的功率放大器的工作状态，电路中的两个不同颜色的二极管，可以显示电路正在输出的电流类型（正12V或负12V）。电路能够将220V交流电转换成正负12V的直流电。3.2前置滤波及音量调节电路3.2.1设计的必要性经由音频线输入的音频信号含有杂波，使得音频信号经由TDA2030输出后有杂音，并且功放电路中有必要有音量调节功能。3.2.2芯片选择首先考虑到整体电路电压为12V，而LM324芯片耐压范围为3V32V，符合电路所需要求，并且LM324为常用芯片，价格合适，容易购买。其内部含有四个独立的运算放大器，所构成的电路简单。其主要参数如下：运放类型:低功率放大器数目:4带宽:1.2MHz针脚数:14工作温度:0C +70C运放特点:高增益频率补偿运算以上参数满足要求。设计电路如图3.2.2所示：该电路通过改变R6的大小，继而改变输入信号的大小，从而控制输出音量的大小。图3.2.2 前置滤波及音量调节电路 3.3功率放大电路3.3.1芯片选择由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。TDA2030集成功放，具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单， 但在实际使用的过程中一定要注意，加上散热片。TDA2030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。根据课设要求以及实用性，故电路中选择TDA2030。3.3.2电路该电路为TDA2030的典型应用电路，电图如图3.3.2所示。图3.3.2 功率放大电路3.3.3原理说明二极管D1、D2起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。R3、C5组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容C1是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。电容C4、C2是低频旁路电容，电容C8、C7是高频旁路电容。R2和R4组成电压并联负反馈，稳定输出电压，R3、C6组成滤波电路，滤掉高频杂波，保证音质。3.3.4 multisim仿真结果使用软件进行仿真，其结果如图3.3.4所示：图3.3.4仿真结果3.3.5 元件选择 输入电路先经过耦合电容，以减小噪声输入，该电容选择小电容即可。二极管选择1N4007,因其防浪涌能力较强，反向电压为50V，符合电路要求。输出后面的扬声器选用了最为常见的8R,10W的纸盆喇叭。3.3.6 放大倍数计算Av=1+R4/R2=20倍3.3.7 输出功率 根据实际测量结果，可以求出输出功率为 (3.3.7)由公式得到输出功率约为10W3.3.8 效率据实际测量结果，根据公式= (3.3.8)计算出实际测试的效率只有53%。3.4指示灯电路使用红色二极管作为指示灯，用来显示电路的工作状态。电路如图3.4所示： 图3.4 指示灯电路4电路安装以及联合调试4.1焊接电路按照电路设计图，在线路板上合理布局后，将元件焊接在线路板上，焊接过程中，应该注意元器件引脚之间不能短路，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好。二极管、电解电容极性是否接反，连线是否连错等等。安装过程中，注意将电容尽量焊得离主芯片近些，这样制作出的TDA2030单声道OCL电路。其音效好，音质高，失真小。要避免虚焊，在TDA2030上应该加上散热器。实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差。此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。电路安装完毕后，必须在不通电情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。4.2联合调试首先将直流稳压电路接通电源，用万用表测试输出电压，发现能够正常输出正负12V的直流电，纹波大约在70毫伏左右。然后将功率放大电路接通直流稳压电路，通过音频线将手机的音频信号传输到功率放大器中，电路能够正常工作，经过扬声器发出的声音清晰，但是在歌曲的某些频段有杂音出现。现将滤波电路加入到电路中，再次接通电源，电路能够正常工作，并且音质得到明显改善，调节电位器，能够实现音量的调节，TDA2030芯片有发热现象，但因为已经加入了散热器，所以芯片能够正常工作。5 心得体会从接触这个课程设计开始，到作品完成，最后写报告，这段时间里，感触最深的是对电路的理解和分析，在制作的过程中，实践告诉我，理论知识很重要，很多测试调试都要有理论依据，特别是模电这门课的学习，给了我很大帮助，在实践中我学到了很多，对知识也有了更深的理解，这周下来，我对电路故障的排查能力有了很大的提高。感谢老师，同学在这段时间里给我很多的帮助，也给了我很多启发，让我能很好的完成课程设计，也感谢这样一门课程设计，给了我们锻炼，成长的机会。参考文献1 李永平，电路设计实用教程. 北京：国防工业出版社，20042 铃木雅臣 周南生译，晶体管电路设计. 北京：科学出版社,20043 邱关源，电路原理（第五版）.北京：高等教育出版社,20064 郑国川 李洪英，电子管功放设计和装调技术. 福州：福建科学技术出版社,20055 王远，模拟电子技术.