基于OTL音频功率放大器设计毕业设计.doc

教学设计内容 低频功率放大器 功率放大器基本要求 功率放大器的工作状态 互补对称功率放大器 集成功率放大器 要求 1 完成开题报告 2 完成论文 论文写教学设计的理论依据 设计思想 方案 分析 3 教案 说课稿和课件 4 其它要求参照论文手册的要求 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目 题目 基于基于 OTLOTL 功率放大器的设计功率放大器的设计 院院 系系 电子工程系电子工程系 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 二 一二年十二月二十五日 毕业设计 论文 任务书 学生姓名 学号 专 业电子信息工程 院 系 电子工程系 毕业设计 论文 题目 基于 OTL 功率放大器的设计 任务与要求 完成时间段 2012 年 11 月 1 日 至 2012 年 12 月 30 日 共 8 周 指导教师单位职称 院 系 审核意见 毕业设计 论文 进度计划表 日 期工 作 内 容执 行 情 况 指导教师 签 字 2012 11 20 2012 12 10 查找资料 选题 2012 12 1 2012 12 20 完成论文的初稿 完成论文二稿的写作 完成论文的终稿及格式修 改 定稿 打印论文 做好答 辩的准备 论文答辩 教师对进度计划 实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一 毕业设计 论文 中期检查记录表 毕业设计 论文 题目 基于 OTL 功率放大器的设计 学生姓名 学号 专业 电子信息工程 学生填写 指导教师姓名 职称 毕业设计 论文 题目工作量饱满 一般 不够 毕业设计 论文 题目难度大 适中 不够 毕业设计 论文 题目涉及知识点丰富 比较丰 富 较少 毕业设计 论文 题目价值 很有价 值 一般 价值不大 学生是否按计划进度独立完成工作 任务 学生毕业设计 论文 工作进度填写情况 指导次数 学生工作态度 认真 一般 较差 其他检查内容 存在问题及采取措施 检查 教师填写 检查教师签字 年 月 日 院 系 意见 加盖公章 年 月 日 摘 要 本报告其主要内容是设计并实现 OTL 功率放大器 功率放大器的作用是给音响 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 希望输出的功率 尽可能大 输出信号的非线形失真尽可能的小 效率尽可能的高 功率放大器的常 见电路形式有 OTL 电路和 OCL 电路 有用集成运算放大器和晶体管组成的功率放 大器 也有专集成电路功率放大器等 本文设计的是一个 OTL 功率放大器 该放 大器采用 TDA2030 高保真集成功率音频放大器芯片 TDA2030 音频放大器是最常 用到的音频功率放大器 输出功率大于 10W 频率响应为 10 1400Hz 输出电流峰值 最大可达 3 5A 其内部电路包含输入级 中间级和输出级 且有短路保护和过热保护 可 确保电路工作安全可靠 电路采用正输出单电源供电 本次实物产品采用 PCB 印制 电路板制作 单面板 使其性能良好满足设计要求和外表美观 其次 用 multisim 软件对 OTL 功率放大器进行仿真 根据实例电路图和已经给定的原件参数 使用 multisim 软件模拟电路 并对其进行静态分析 动态分析 显示波形图 计算数据 等操作以完成设计与实现 OTL 功率放大器的整个过程 关键词 关键词 OTL 功率放大电路 TDA2030 音频放大器 multisim 软件仿真 交越 失真 无输出耦合电容 反馈网络 AbstractAbstract This report is the main content OTL power amplifier is designed and realized Power amplifier for audio amplifier is the function of the load RL speaker provide a certain amount of power output At a given load hope the output power as far as possible big and the output signal of the nonlinear distortion as small as possible efficiency as high as possible The common power amplifier circuit forms OTL circuit and OCL circuits Useful power amplifier of the transistor and integrated operational amplifier also have album into power amplifier circuit etc In this paper the design is A OTL power amplifier the amplifier adopts TDA2030 integrated high fidelity audio frequency power amplifier chip TDA2030 audio amplifier is the most commonly used to audio power amplifier power output is more than 10 w frequency response of 10 1400 hz ac output current peak value maximum can reach 3 5 A the internal circuit includes input level middle level and output level and short circuit protection and overheating protection safe and reliable to ensure that the work of the circuit Circuit adopts is single output power supply The physical product using printed circuit board PCB manufacture single panel and the good performance meet the design requirements and appearance Secondly with multisim software simulation of OTL power amplifier According to the example and has given the original parameters of the circuit and use multisim software to simulate the circuit and carries on the static analysis dynamic analysis show that wave diagram design and calculation data etc to accomplish achieve the whole process of OTL power amplifier 目录 第一章 前言 1 第二章 OTL 功率放大器设计 2 第一节设计思路 2 第二节 设计方案 2 第三节 OTL 功放各级的作用和电路结构特征 3 第四节 简要原理分析 4 第三章 选择器件及参数计算 6 第一节 功率放大器芯片 TDA2030 介绍 6 第二节 参数及功率 效率的计算 8 参数计算 8 功率和效率的计算 8 第四章 实物电路安装调试及使用 11 第一节 元件的安装 11 第二节 电路调整与测试 11 通电前调试 11 元件的调试 12 第五章 总结 15 第六章 参考文献 16 第一章第一章 前言前言 OTL Output Transformerless 电路是单端推挽式无输出变压器功率放大电路 通常采用单电源供电 从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号 过去大功率 的功率放大器多采用变压耦合方式 已解决阻抗变换问题 使电路得到最佳负值 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 是目前常用的一种功率放大电路 OTL 功放的特点是 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 两组串联的输出终点 可理解为采用互补对称电路 OTL 电路的优点是 只需要一组电源供电 缺点是需要把一组电源变成两组对称正 负电源的单电源大 电容 低频特性差 第二章第二章 OTLOTL 功率放大器设计功率放大器设计 第一节第一节 设计思路设计思路 要求设计一个由二极管 三极管 电容 电阻等元件组合而成的 OTL 音频功 率 放大器 其中二极管 T1 构成前置放大级 对输入信号进行倒相放大 二极管 T2 T3 的参数一致 互补对称且均为共集电极接法 保证了输出电阻低 负载能 力强的优点 作用是对输入的信号进行功率放大 在元件的选取方面 由于互补对称的两个三极管工作在共集电极的状态下 其电 压增益接近且略小于 1 功率增益主要靠它的电流增益来保证 所以电流放大系数 的选择很重要 一般要求要选的 值大一些 这样会使得两互补对称管的配对 性好一些 功率增益提高一些 失真度减少一些 第二节第二节 设计方案设计方案 1 采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压 2 通过整流电路变成单向直流电 但其幅度变化大即脉动大 3 用滤波电路变成平滑 脉动小的直流电 即将交流成份滤掉 保留其直流成份 4 通过稳压电路稳压 便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出 供给负 载 RL 直流稳压电源原理 直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置 它需 要变压 整流 滤波 稳压四个环节才能完成 其中 1 电源变压器 是降压变压器 它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流 电压 并送给整流电路 变压器的变比由变压器的副边电压确定 2 整流电路 利用单向导电元件 把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电压 常用的整流滤波电路有全波整流 桥式整流 此处用的桥式整流电路 3 滤波电路 将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除 从而得到比较 平滑的直流电压 4 稳压电路 稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定 不随交流电网电压和负 载的变化而变化 第三节第三节 OTLOTL 功放各级的作用和电路结构特征功放各级的作用和电路结构特征 1 输入级 主要作用是抑制零点漂移 保证电路稳定工作 同时对前级 音调控制 级 送来的信号抑制失真 低噪声放大 为此 采用带恒流源的 由复合管组成的 差动放大电路 且设置的静态偏置电流较小 2 推动级 主要的作用是获得足够高的电压放大倍数 以及为输出级提供足够大的 驱动电流 为此 可采用带集电极有源负载的共射放大电路 其静态偏置电流比输 入级要大 3 输出级 主要作用是给负载提供足够大的输出信号功率 可采有由复合管构成的 甲乙类互补对称功放或互补功放电路 其工作原理是 为了提高功放的效率 应使 功率放大管工作在乙类状态 但输出信号只在半个周期的波形 造成严重的失真 如果让两个特性相同的管子都工作在乙类状态 且使它们在信号的正负半周轮流导 通 即一个管子负责放大正半周的输入信号 另一个管子负责放大负半周的输入信 号 然后把两管的输出波形在负载上叠加起来 就可以得到一个完整的输出波形 于是解决了效率与失真的矛盾 在这里采用单电源甲乙类互补对称电路 作用是提 高放大器带负载的能力 减小大信号工作下的非线性失真 4 此外 还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路 为稳定电压放大倍数 和改善电路性能须设置交流负反馈电路 以及过流保护电路等 电路设计时 各级 应设置合适的静态工作点 在组装完毕后须进行静态和动态测试 在小型不失真的 情况下 使输出功率最大 动态测试时 要注意消振和接好保险丝 以防损坏元器 件 电路基本框图 图 1 1 电路基本框图 第四节第四节 简要原理分析简要原理分析 1 2 电路基本原理图 输入信号输入信号 输入级输入级 推动级推动级 输出级输出级 负载扬声器负载扬声器 电路为音频功率放大器原理图 其中 TDA2030 是高保真集成功率放大器芯片 输 出功率大于 10W 频率响应为 10 1400Hz 输出电流峰值最大可达 3 5A 其内部电路 包含输入级 中间级和输出级 且有短路保护和过热保护 可确保电路工作安全可靠 TDA2030 使用方便 外围所需元器少 一般不需要调试即可成功 RP 是音量调节电位器 C1 是输入耦合电容 R1 是 TDA2030 同相输入端偏置电阻 R4 R5 决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益 该电路闭环增益为 R4 R5 R5 4 7 150 150 33 3 倍 C3 起隔直流作用 以使电路直流为 100 负反馈 静态 工作点稳定性好 C2 C4 C7 为电源高频旁路电容 防止电路产生自激振荡 R6 用 以在电路接有感性负载扬声器时 保证高频稳定性 VD1 VD2 是保护二极管 防止输 出电压峰值损坏集成块 TDA2030 图 1 3 可调稳压电源电路 可调稳压电源的工作原理 电路如图 1 3 所示 220V 交流电经变压器 T 降压 得到 24V 交流电 再经 VDl VD4 组成的全桥整流 由 C1 滤波后得到 33V 左右的直流 电压 该电压经集成电路 LM317 后得稳压输出 调节电位器 RP 即可连续调节输出电 压 图中 C2 用以消除寄生振荡 C3 的作用是抑制载波 C4 用以改善稳压电源的暂 态响应 VD6 VD7 在输出端电容漏电或调整端短路时起保护作用 VD5 为本电源的 工作指示灯 电阻 R1 是限流电阻 输出端接微型电压表 PV 可以直观地指示输出电 压值 表 2 1 注意事项 1 C2 应尽量靠近 LM317 的输入端 以免自激 造成输出电压不稳定 R2 应靠近 LM317 的输出端和调整端 以避免大电流榆出状态下 输出端至 R2 间的引线电 压降造成基准电压变化 2 稳压块 LM317 的调整端切勿悬空 接调整电位器 RP 时尤其要注意 以免滑动 臂接 触不良造成 LM317 调整端悬空 3 不要任意加大电容量 4 集成电路 LM317 应加足够的散热器 以确保其长时间稳定工作 否则会因过热 而烧毁 用集成运算放大器放大信号的主要优点 1 电路设计简化 组装方便 只需适当选配外接元件 便可实现输入 输出的各 种放大关系 2 由于运放的开环增益都很高 用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭 环状态 则性能稳定 非线性失真小 3 运放的输入电阻高 失调和漂移都很小 故很适合于各种微弱的信号放大 又 因其具有很高的共模抑制比 对温度的变化 电源的波动以及其他外界干扰都 有很强的抑制能力 4 由运放构成的放大单元功耗低 体积小 寿命长 使整机使用的元器件数大大减少 成本降低 工作可靠性大为提高 第三章第三章 选择器件及参数计算选择器件及参数计算 第一节第一节 功率放大器芯片功率放大器芯片 TDA2030TDA2030 介绍介绍 图 3 1 功率放大器芯片 TDA2030 TDA2030 采用 V 型 5 脚单列直插式塑料封装结构 如上图所示 按引脚的形状 可分为 H 型和 V 型 该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机 中功率音响设备 具有体积小 输出功率大 失真小等特点 并具有内部保护电路 TDA2030 适用与 功率相对 LM386 大的电路 缺点是放大倍数不可调 有时候无法满足设计要求 电路特点 1 外接元件非常少 体积小 设计灵活 2 输出功率大 最大输出功率 Po 18W RL 4 如果使用两块电路组成 BTL 电路 输出功率可达 35W 电源电压范围宽 2 5V 20V 电压利用率高 大于 63 既可采用正负电源 又可单电源供电 3 静态电流小 50ma 以下 动态电流大 能承受 3 5A 负载电流 负载能力 强 既可带动 4 16 欧姆扬声器 又可带动 2 欧姆甚至 1 6 欧姆的负载 4 噪声低 保真度高 噪声最大不超过 1 5uV 信噪比可达 100db 交叉失真 及谐波失真极低 额定功率下均小于 0 5 增益高 开环增益均在 80db 以上 闭 环增益可在 26 40db 范围内调整 输入阻抗高 其典型值为 5M 欧姆 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 7 可靠性高 其内部设有过电流保护及功耗限制电路 内部设有热关闭系统 当负载短路或外部其他原因造成电流剧升使功耗超过额定值 结温超过 150 度 时 功放保护电路启动 使机器工作于安全区 出现以下各种情况 均不会造成集成电 路损坏 一 输出端对地短路 二 温度升高 150 度 三 浪涌电压冲击 四 负 载开路 五 电源极性接反 引脚情况 1 脚正相输出端 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 极限参数 第第二二节节 参参数数及及功功率率 效效率率的的计计算算 3 2 1 参数计算 负载 RL 8 RP 是音量调节电位器 考虑到实际情况本设计 RP 2 2 K C1 是输入耦合电容 C1 1uf R1 是 TDA2030 同相输入端偏置电阻 R2 R3 为反馈 网络电阻 R1 R2 R3 100K R4 R5 决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益 该电路闭环增益为 R4 R5 R5 0 68 22 0 68 33 3 倍 C3 起隔直流作用 以使电路 直流为 100 的负反馈 静态工作点稳定性好 C2 C4 C7 为电源高频旁路电容 防 止电路产生自激振荡 R6 用以在电路接有感性负载扬声器时 保证稳定性 VD1 VD2 是保护二极管 防止输出电压峰值损坏集成块 TDA2030 3 2 2 功率和效率的计算 1 1 计算输出功率 Po 输出功率用输出电压有效值 V0 和输出电流 I0 的乘 积来表示 设输出电压的幅值为 Vom 则 因为 Iom Vom RL 所以 当输入信号足够大 使 Vim Vom Vcem VCC VCES VCC 和 Iom Icm 时 可获得最大的输出功率 由上述对 Po 的讨论可知 要提供放大器的输出功率 可以增大电源电压 VCC 或 降低负载阻抗 RL 来实现 用 multisim 仿真 OTC 功率放大器 1 功放电路原理图仿真图 3 2 功率放大电路案例仿真图 2 功放电路仿真波形图 用仿真可知当 RL 调的过小时 波形失真 如下图 用 multisim 软件仿真 可以完成以后对 PCB 的通电测试 测试是对安装后的电 路板的参数及工作状态进行测量 以便提供调整电路的依据 经过反复测量和调整 就可以使电路性能达到要求 仿真的函数信号发射器的频率可选择 1kHZ 左右 幅度 可以在 12V 左右 电位计要靠中间档 第四章第四章 实物电路安装调试及使用实物电路安装调试及使用 第一节第一节 元件的安装元件的安装 1 元件焊接部位上锡 2 将电阻器 晶体管插入印制板的相应位置上 要注意电解电容器的极性和晶 体管的管脚不要插错 3 焊接元器件时保留元器件引线的适当长度 焊点要光滑 防止虚焊和搭锡 检查中可借助指针式万用表 1 挡或数字式万用表 挡 的蜂鸣器来 测量 测量时应直接测量元 器件引脚 这样可以同时发现接触不良的地方 第二节第二节 电路调整与测试电路调整与测试 电路板整体测试与调整 可发现和纠正设计方案中的不足 并查出电路安装中的 错误 然后采取措施加以改进和纠正 就可以使之达到预定的技术要求 在电路调 整与测试的应注意的问题较多 具体如下 4 2 1 通电前调试 电路安装完毕后 必须在不通电的情况下 对电路板进行认真细致的检查 以 便纠正安装错误 检查应特别注意 1 元器件引脚之间有无短路和断路 为了保证电路的正确性 只有通过万用表 一条条的线路检查是否导通 引脚间是否短路 2 电源的正 负极性有没有接反 正 负极之间有没有短路现象 电源线 地 线是否接触良好 关于电源正 负极问题主要是在本次设计中的单电源供电的导线 插在功放电路的插座上 在此应特别注意在测试极性的时候 应注意红 黑表笔不 要弄反 红表笔接正极 黑表笔接负极 该设计为了避免问题在 PCB 制图的时候将 地线稍微加宽 不但满足制图制板的要求 而且使其极性区分明显 3 二极管有电解电容极性有没有接反 三极管 集成器件引脚有没有接错 集 成电路的型号及安插方向对不对 引脚连接处有无接触不良等 在安装的时候我们 严格按照测量晶体管的步骤和要求进行 用万用表分别判断出二极管的阳 阴极 小功率三极管的类型 B 极 C 极 E 极 大功率三极管的类型 B 极 C 极 E 极 并作了相应的标注 通电观察 改变 RP 电阻值或调节函数信号发生器的频率计幅度 在器件允许 承受范围 用示波器观察输出与输入波形 并对比 同时观察喇叭发出的声音是否 产生异同 4 2 2 元件的调试 静态调试 使放大电路接通直流电 并令放大电路输入信号为零 必要时将输入端对 地 交 流短路 用直流电压表 一般采用万用表直流电压挡 测量电路有关点的直流电位 并与理论估算值相比较 若偏差不大 则可调整电路有关电阻 使电位值达到所需 值 若偏差太大或不正常 则应检查电路有没有故障 测量有没有错误 以及读数 是否看错等 调整测量放大电路静态工作状态的目的 是为了保证放大器能工作在 线状态 同时 通过直流电位的测量 可发现电路设计 电路安装以及电路元器件 损坏等故障 因此 放大电路的静态调试是极为重要的 在进行静态调试时应注意 一下几点 电路中不应存在寄生振荡及干扰 应考虑直流电压表内阻对测量结果的影响 因为直流电压表的内阻将对被测电路 产生分流 使测量结果偏小 被测电路阻值越大 这种影响也就越大 若要测量电路中的电源 一般不采用断开电路串入电流表的方法测量 而是使用 电压表测量已知电阻上的压降 然后通过换算得到电流 动态调试 放大器的动态调试应在静态调试完成的基础上进行 动态调试的目的是为了使 放大电路的增益 输出电压动态范围 波形失真 输入和输出电阻等性能达到要求 在电路的输入端接入适当频率和幅度的信号 并循着信号的流向 逐渐检测各 有关点的波形 参数 或电位 并通过测量结果 估算电路性能指标 然后进行适 当调整 使指标达到要求 若发现工作不正常 应先排除故障后 在进行静态测量 和调整 电路性能经调整初测达到指标要求后 则可进行电路性能指标的全面测量 测试过程中 不能凭感觉和印象 要始终借助仪器仔细观察 要边测量 边记 录 边分析 边解决问题 1 增益的测量 测量放大电路的电压增益需要采用信号发生器 电子交流毫伏表 电子示波器以及直流稳压电源等电子仪器 测量时应注意合理选择输入信号的幅度 和频率 输入信号过小 则不便于观察 且容易串入干扰 输入信号过大 会造成 失真 输入信号的频率应在电路工作频带中频区域内 另外还应该注意 由于信号 源都有一定的内阻 所以测量时 必须在被测电路与信号源连接后进行测量 先用 示波器观察输出电压 Uo 的波形 在波形不失真的情况下 用电子交流毫伏表分别测 出输入电压 Ui 和输出电压 Uo 于是求得电压放大倍数为 Au Uo Ui 2 输入电阻的测量 测量输入电阻的方法很多 常用的电流电压法测量输入电阻 的电路 R 为外接测试辅助电阻 Rl 为放大器输出端所接为实际负载电阻 给定一 个合适的信号源电压 Ui1 即可测输入电压 Ui 即可得到 Ri Ui Ii Ui Ui1 Ui R 测量辅助电阻的数值应选择适当 不宜太大或太小 阻值太大 将会使电压的