音频功率放大器的设计仿真与实现

.学 号： 课 程 设 计题 目音频功率放大器的设计仿真与实现学 院信息工程学院专 业班 级姓 名指导教师年月日课程设计任务书学生： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 音频功率放大器的设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：集成功放，电容、电阻、电位器若干；或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表等。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。完成对音频功率放大器的设计、仿真、装配与调试，并自制直流电源。（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。 利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。 安装调试并按规要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、 2016年12月 查阅资料，确定设计方案；2、 2017年01月4日-2017年01月7日 完成仿真、制作实物等；3、 2017年01月8日-2017年01月9日 调试修改；4、 2017年01月9日-2017年01月10日 完成课程设计报告；5、 2016年01月 11日 完成答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日.目 录摘 要II1引言22音频功率放大器的工作原理及组成22.1前置放大电路22.2功率放大电路23方案设计与选择23.1 功率放大器的选择23.1.1 OTL互补对称功率放大器23.1.2用集成器件TDA2030实现23.1.3 基于TDA2030的双电源互补对称功放23.1.4 基于TDA2030的双电源桥式推挽互补对称功放23.1.5 比较与选择23.2 整体电路23.2.1 主要元件：TDA203023.2.2 放大电路的基本设计23.3 各模块功能与设计23.3.1 放大模块23.3.2 输入模块24电路原理及分析24.1电路图24.2 波特图输出如图24.3 输入输出波形仿真24.3.1 仿真波形情况24.3.2 灵敏度测量25 实际测试26 主要元件介绍及参数26.1 TDA203026.1.1 TDA2030参数26.1.2 TDA2030介绍26.2 1N4007G基本参数26.3 2N2222A基本参数27 电路仿真与调试27.1 Proteus仿真27.2 Multisim软件对直流稳压电源仿真28 实物展示29 元件清单210 心得体会2参考文献2.摘 要音响放大器的设计目的是为了更好的掌握集成功率放大器部电路工作原理，学会其外围电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌握音响放大器的设计与电子线路系统的装试和调试技术。本文主要介绍了基于TDA2030以及LM324的音响功放电路和前置放大电路。其中前置放大电路基于2N2222型号的BJT共集放大电路，功放电路基于TDA2030芯片，功放电路采用单电源互补对称放大电路。关键词 TDA2030、射级跟随器输入级、单电源供电的TDA2030基本应用电路。.1引言音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分,并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地,音频功放的需求日益增加,因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。本文中介绍的是有前置放大电路和第二级功放电路构成的印象放大电路，其中前置放大电路主要作用是将通过3.5mm音频插头传入的微弱音频信号进行放大，TDA2030基本应用电路的作用是将前置放大后的音频信号进行二次放大并带动扬声器发声。TDA2030的输出功率大，失真小，有部保护电路，最大输出功率能够达到35W左右，其静态电流小，带负载能力强，可带动416的扬声器。共集放大电路则具有以下特性：1、输入输入信号与输出信号同相；2、无电压放大作用，电压增益小于1且接近于1，因此共集电极电路又有“电压跟随器”之称 ；3、电流增益高，输入回路中的电流；4、有功率放大作用；5、适用于作功率放大和阻抗匹配电路。2音频功率放大器的工作原理及组成音频功率放大器最主要组成部分是音频放大器，用于对各种音源输出的音频信号进行加工处理和不失真的放大，使之达到一定功率，然后去推动扬声器发声。音频功率放大器一般由两部分组成，第一部分是前置放大器，第二部分是功率放大器。音频功率放大器的系统框图如图2.1。音频信号输入前置放大（对输入的音频信号进行处理）功放电路(对音频信号进一步放大并推动扬声器发声)图2.1 音响放大器的系统框图2.1前置放大电路日常生活中话筒的输出信号非常小，若直接通过功放电路输出则可能达不到功率要求，故应采用前置放大电路对输入信号进行第一次放大。前置放大器是把音频信号放大，使放大后的信号在功率放大器的输入围。 音响放大器输入的声音差别很大，输出电压围也很大。前置放大器的主要作用有以下两个：第一是阻抗相匹配，第二是电压幅度和灵敏度相匹配。前置放大器的要求一是功率管的噪声要很低，二是保证它的频带足够宽，这样才可以保证信号不失真的输出。2.2功率放大电路功放应该具有向负载输出大信号功率的能力，即负载电阻上的信号电流、电压的幅度都要求较大。功率放大器的主要任务是向额定的负载输出额定的“不失真”信号功率。功率放大器是整个放大器系统的主体部分。它的设计制作水平对整个系统的音质起着十分重要的作用。功率放大电路的性能指标有以下几个：（1） 输出功率：输出功率是指功率放大器负载上所能获得的功率。直接决定了功率放大电路的放大效果，是评定功放电路的主要性能指标。本次课程设计所要求的输出功率为8W。（2） 频率响应：当频率超出放大电路的通频带时输出信号会有明显的衰减，所以在设计中应该尽可能的是功放电路的通频带包含20Hz20kHz的人可以听见的频率围（本次课程设计要求20Hz20kHz），功放电路的频率响应特性决定了音响电路对不同频率的音频信号的输出效果。（3） 输入阻抗：输入阻抗越大则其索取信号能力越强，所以较高的输入电阻可以减少信号的损失。3方案设计与选择音频功率放大器电路设计已经比较成熟，前置放大器主要是对信号进行初步放大原理基本相同，效果相差不大故在此采用较为实用的基本共集电极放大电路。功率放大电路采用基于TDA2030的放大电路，在此对几种普遍使用的功放电路进行介绍并对其主要特性进行比较。3.1 功率放大器的选择3.1.1 OTL互补对称功率放大器OTL电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称为互补对称电路，图 3-1 为单电源OTL互补对称功率放大电路。电路中是推动级（电压放大，也叫激励级），其中、是的基极偏置电阻，为发射极电阻，为集电极负载电阻，它们共同构成的稳定静态工作点；、组成互补对称功率放大电路的输出级，且、工作在乙类状态；为输出耦合电容。功率放大器采用射极输出器，提高了输入电阻和带负载的能力。图3.1 单电源OTL互补对称功率放大电路性能分析：乙类互补推挽功放(OTL)的输出功率的计算公式如下：输出功率： （3.1）输出最大功率：显然Pom与电源电压及负载有关当输入功率为8W，阻抗8W时，有： （3.2）另则电路所需的电源为22.6V。3.1.2用集成器件TDA2030实现TDA2030简介：TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。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。并具有部保护电路。电路特点：1.外接元件非常少。（基本应用电路图3.2） 2.输出功率大，=18W(=4)。 3.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。 4.开机冲击极小。 5.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（）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，THD0.1%。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。图3.2 使用单电源供电的TDA2030基本应用电路3.1.3 基于TDA2030的双电源互补对称功放图3.3 基于TDA2030的双电源互补对称功放3.1.4 基于TDA2030的双电源桥式推挽互补对称功放图3.4 双电源桥式推挽功放电路桥式推挽功放电路利用双电源供电，最大效率可达78.5%，并且使用使用双电源由计算公式： （3.3）知使用双电源时为单电源的2倍，可以获得更大的输出功率。如图5为双电源互补对称放大电路的图解。VceOVcesVcesAOQicVcomic图3.5 双电源互补对称放大电路图解3.1.5 比较与选择通过比较，使用分立元件需要的元件较多，且必须考虑三级管的各种性能上的差异，和保护电路，并且该电路所需要的电源要求较高，功耗也比较大，输出效率比较低。使用集成电路，外围电路简单，容易实现各项功能。运用集成芯片TDA2030完成音频功率放大电路的设计，能够更好地达到设计任务和要求。而桥式推挽功放在相同的条件下，电源利用率（理想情况下）是100%，比OTL或OCL电路提高了50%，TL输出功率是OCL或OTL的四倍但电路形式更为复杂，使用不方便。综上本次课程设计，单电源互补对称放大电路只需要一个电源，并且要求的输出功率为0.5W，单电源互补对称放大电路和桥式推挽功放两种电路均可以满足，故采用单电源互补放大电路。3.2 整体电路3.2.1 主要元件：TDA2030TDA2030A的外形和引脚图如图3.1所示。1-同相输入端，2-反相输入端，3-负电源端，4-输出端，5-正电源端。图3.3 TDA2030A引脚图TDA2030A音频集成功放主要参数如表3.1所示：表3.1 TDA2030A音频集成功放主要参数电源电压输出峰值电流3.5 A输入电阻0.5 M电压增益30 dB频响带宽(BW)0-140 kHz3.2.2 放大电路的基本设计整体电路设计：使用TDA2030加少量外围元件，输入端使用共集放大电路增加输入阻抗。图3.4 放大器Multisim仿真图3.3 各模块功能与设计3.3.1 放大模块根据TDA2030的经典应用电路，在Multisim中的电路如图3.3.1所示。a）电路工作原理：该电路使用15v的单电源供电，TDA2030作为功率放大器，电阻R5和R4构成电压串联负反馈电路，其电压放大倍数： （3.3）其值为30.6。b）为了TDA2030能够正常工作，1脚和2脚的电压必须相同。其中R2和R3起分压作用，使1脚的工作电压。22uF的电容是电压的滤波电容，为防止1脚电压产生大波动。输出端接的1电阻和0.1uF电容式防止电路产生自激振荡。c）2个二级管为保护TDA2030作用，防止电源反接时流过电流运放过大。R7为滑动变阻器，改变输入端的电阻，可以改变输入信号的大小。d）当电压=15V时，电路的输出功率可以达到8W以上。图3.5 TDA基本应用电路Multisim仿真3.3.2 输入模块基本共集放大电路：共集放大电路又叫射极跟随器，放大电路的放大倍数接近1，该放大电路的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，具有“跟随”的作用。它具有输入电阻大（索取信号能量的能力大），输出电阻小（给予负载信号能量的能力大）的特点，可以做多级放大器的输入级。图3.6 以共射放大电路作为输入级的Multisim仿真电路如图3.6所示，其中三级管使用2N2222A。放大倍数为100300倍2N2222A是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压，大电流，小信号的NPN型硅三极管特性：封装：TO92极性：NPN主要参数：60V，0.8A，500mW，300MHZ，HFE=100300理论计算：由图可计算得，共集放大电路的放大倍数约等于1。RL负载电阻约为20k其中输入阻抗的计算，由共集放大电路的输入阻抗公式可得： （3.4）由于2N2222的约为1k，为3K，为200k 对输入电阻作近似计算=（200*3）/200150k故此电路的输入阻抗近似为150k4电路原理及分析4.1电路图根据要求，仿真软件选用Multisim和Proteus，在软件中连接电路如图4.1所示：图4.1 放大器电路Multisim仿真图4.2 波特图输出如图由图4.2可以看出，其仿真的结果，在20Hz-20kHz的波形放大能力基本保持不变化。符合题目要求。图4.2 20Hz20kHz的输出波特图4.3 输入输出波形仿真4.3.1 仿真波形情况选用信号源1kHz，输入100mvp，将R7调节到0%的位置。用示波器观察仿真电路的情况。图4.3 输入输出波形Multisim仿真图其中，在仿真电路中Auf30.6由上图仿真可得，当输入为196.676mV时，输出值为6.004V。则放大倍数Auf=6.004/0.196730.5。与近似计算理论值30.6比较接近。符合要求。4.3.2 灵敏度测量图4.4 出现轻微失真的灵敏度测量Multisim仿真图当继续增大输入电压到100mVp时，输出波形开始出现失真的现象，此时在输入端接入电压表，可以测量得电压为144mV。则输入灵敏度为144mV。5 实际测试图5.1 输出波形设置图5.2 输出波形图由图中可以看出，实物能够起到放大作用，并且调整输出功率在相应要求，波形相应变化且不失真。符合要求。6 主要元件介绍及参数6.1 TDA20306.1.1 TDA2030参数图6.1 TDA2030参数图6.2 TDA2030引脚图6.1.2 TDA2030介绍TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。如图11所示，按引脚的形状引可分为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。并具有部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。图6.3 TDA2030封装6.2 1N4007G基本参数最大平均正向电流(A):1峰值反向电压Vrrm(V):1000最大全周期正向压降VFM(V):1.100最大非重复浪涌电流IFSM(A):30最大反向电流IR(mA):0.010封装/温度():DO41/-651756.3 2N2222A基本参数极限工作电压:60V最大电流允许值:0.8A最大工作频率:1007 电路仿真与调试本次课程设计选择的Multisim和Proteus两种仿真软件，以上只列出了Multisim一种软件的仿真，在合作之下，我们做出了Proteus的仿真，如下。7.1 Proteus仿真图7.1 直流稳压电源的Proteus设计仿真图7.2 直流稳压电源和放大器电路的Proteus仿真7.2 Multisim软件对直流稳压电源仿真图7.3 直流稳压电源的Multisim仿真图7.4 Multisim中万用表测直流稳压电源输出端8 实物展示图8.1 稳压直流电源和放大器实物正面图8.2 稳压直流电源和放大器实物背面9 元件清单元件清单如表9.1：表9.1 元件清单名称规格数量名称规格数量电阻100k2电容2200uF1电阻1002电容4.7 uF1电阻4.7k1电容1uF1电阻51k1电容0.1uF1电阻11电容220uF2电阻20k1BJTIN40077电阻3k1插头1电阻200k1芯片LM317AH1电阻3001运放TDA20301电阻3k1喇叭1电容1uF2话筒110 心得体会此次课程设计验证了TDA2030基本应用电路和共集放大电路的组合对音频信号的放大，自主选择了元件参数并参与选购，做出了音频功率放大器和直流稳压电源的实物并且进行了测试。在此过程中发现自己独立设计电路的能力不足，在直流稳压电源的第一次设计时，未考虑到电容的最高击穿电压甚至接反了电容正负极，这直接导致了在插上电源过段时间后电路中电容的爆炸。在实际测试过程中发现理论可行跟实际可行之间有一定的偏差，再设计电路时应该综合考虑元件实际的误差和运行时发热等对其参数的影响。更有在实物中线路的电阻问题，这与在软件上仿真是完全不同的。通过本次课程设计，将模拟电子电路中的有关功率放大，负反馈，集成运放电路等知识进行了运用，在一次次失败中一点点发现问题然后去修改电路，重新摸索，是一种完全不同的学习方式，在电路的设计过程中发现很多基础的知识都遗忘了所以不得不一次次的重新翻开课本去熟悉相关的容。在搜集资料的过程中，发现在网络上有很多聚集了很多高水平的电子爱好者的论坛、，如电子爱好者之家，在这里寻找资料同时也会被他人精妙的设计所吸引，从而对电子技术产生兴趣，在很多作品中发现理论上的知识在实际运用中需要进行必要的修改和精简，而且很多电路设计中的原理都是相同的掌握了它的本质，就能根据自己的需要进行更改、组合，从而形成新的电路。另外发现了一本电子制作的杂志，容丰富，半月一刊，容不是特别难，可以适合我们学生动手制作。平时对常用电路的积累也很重要，例如如果对典型的集成运放电路和常用的功率放大电路比较熟悉，在进行音频功率放大放大器的设计和制作过程中，就能够组合形成很多种方案从而不用一开始在设计时焦头烂额。对比不同的方案的差异性，能够加深对电路的特性的认识。比如这次课程设计中，我们小组对分立元件对信号的放大以及运放的基本应用电路的比较和仿真，发现了运算放大器作为基本的集成运放是有着天然的优势的，当然具