音频功率放大器设计

1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计目 录1 方案论证与设计11.1 方案论证11.2 系统设计12 单元电路设计与计算32.1 稳压电源电路32.2 电压跟随器电路42.3 音调调节电路52.4 ne5532二阶低通滤波电路62.5 tda2030a功率放大电路103 硬件设计与调试123.1 硬件pcb的制作123.2 元件清单133.3 电路的调试133.3.1 电源电路133.3.2 功放主板的调试143.3.3 实际数据测量143.4 实物展示18总结与体会19参考资料20附录21摘要设计制作采以高保真音频功放tda2030a为核心具备高低音音调可调2.1声道功率放大器。以双出

2、77;12v/30w的变压器和全桥整流与滤波电路制作±18v的直流稳压电源为电路供电。使用ne5532运放搭建输入端电压更随器以及重低音声道的二阶低通滤波器，提高功放的输入阻抗，同时使得低音效果强劲。音频功放同时具备总音量、高音、低音音效调节功能，通过电阻电容的分压达到音调调节的功能，三个双联电位器的调节输出不同音效满足不同人的喜好。功放输出采用正负双电源供电的ocl电路，理想电路效率可达78.5%，其电路核心tda2030a在供电16v的情况下可输出最大功率34w，三个tda2030a分别带10w的全频喇叭，音频功放整体音效良好。关键词：tda2030a；功率放大器；ne555；电

3、压跟随器；低通滤波器；高低音abstract the designed mining of high-fidelity audio power amplifier tda2030a core adjustable 2.1-channel power amplifier with high bass tones. dual output ±12v/30w transformer and full-bridge rectifier and filter circuit production ± 18v dc power supply circuits. ne5532 op am

4、p the build input voltage with the second-order low-pass filter and a subwoofer channel to improve the input impedance of the amplifier, while making a strong bass. audio amplifier along with the total volume, treble, bass sound adjustment function, the function of the partial pressure of the resist

5、ance and capacitance tone adjustable, three double potentiometer adjustment output audio to meet the preferences of different people. ocl circuit of the amplifier output positive and negative dual power supply the ideal circuit efficiency up to 78.5% in the case of power supply of 16v, the core of t

6、he circuit tda2030a maximum output power of 34w and the three tda2030a, respectively, with 10w full-range speakers, audio good overall sound amplifier.keywords: tda2030a；power amplifier；ne555；voltage more follower；low-pass filter； bass and treble音频功率放大器1 方案论证与设计1.1 方案论证方案一：使用分离元件如三极管、场效应管、电阻、电容等元件搭建

7、功放的差分输入电路、偏置电路、中间级放大电路以及功率输出电路，同时使用负反馈调节高低音音效方案二：制作d类功率放大器，d类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式，无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。与一般的线性ab类功放电路相比，d类功放有效率高、体积小等特点。方案三：使用集成的ab类功放搭建ocl功放电路驱动喇叭，通过运放二阶低通滤波器将低频信号滤出，低频信号与高频信号分离控制，应用电容的阻抗的效应调节出不同的高低音音效。 方案一理论上可行但实际搭建难度大效果不佳，同时难以调试。功率放大电路需

8、要输出较大的功率易烧毁三极管与场效应管。方案二d类功率放大器又称数字功率放大器为数电知识超纲。方案三应用技术成熟的集成运放输出效果好，芯片内部内置了过流过压保护，易于电路的搭建与调试，故选用方案三。1.2 系统设计如下图图1-1所示，电路主要分为稳压电路模块、电压跟随器模块、音频调节模块以及功放驱动模块。音频信号经过电压跟随器阻抗转换输入电路，通过总音量调节分别将信号输入左声道、右声道、重低音音调调节部分调节音频信号，重低音部分信号经过ne5532压控二阶低通滤波电路滤去中高频信号，仅留下低音信号。最终三路信号分别经各自的tda2030a功放电路功率放大驱动喇叭播出音乐。图1-1 系统设计图2

9、 单元电路设计与计算2.1 稳压电源电路 tda2030a能在最低±6v最高±22v的电压下工作，电路设计时应使供电电压在芯片正常工作电压中间选取16v左右。直流稳压电源需要驱动三个8/10w的喇叭要求输出大电流常见三端稳压芯片有最大电流限制且自身消耗一定功率不利于电路效率的提高。设计采用简易的全桥滤波稳压电路如图2-1所示。选取变压器时应当注意其的功率应当在30w以上保证功放电路能驱动音频喇叭。直接将220v交流市电通过双输出12v变压器降压到12v交流电。经过全桥整流将交流信号转换为直流信号如图2-2。 （公式2-1）由公式2-1可得，电容的充放电在负载电阻一定的情况下

10、与滤波电容成正比。为了得到平滑的负载电压一般取 （公式2-2）为使得电源输出电压纹波竟可能小选取4700uf的大电容作为滤波电容。在整流电路内阻不太大和放电时间常数满足公式1-2时负载电压与输入电压关系约为 （公式2-3）实际电路测量电源电压为17v。图2-1 稳压电源 图2-2 整流波形2.2 电压跟随器电路 电压跟随器电路如图2-3所示。设计要求输入阻抗 50k、输入电压 5mv。未添加电压跟随器时仿真测量电路输入阻抗为34.3k无法满足设计要求，在原有电路的基础上增加了电压跟随器模块提高输入阻抗。ne5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的

11、噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。电路使用ne5532的双运放分别搭建输入左右声道音频信号的电压跟随器。图中c2与c3滤波，滤去电源的交流信号保持芯片供电电压稳定；ne5532最大工作电压不应当超过15v，电路使用r1与r8使±18伏的电压降至ne5532的正常工作电压范围内实际测量ne5532的工作电源电压为15.03v与-14.96v；r1、r2、r35、r36维持信号输入端电位为零稳定输入端电压稳定。电压跟随器理想情况下其输入阻抗可视为无穷大，仿真测量输入电压如图 为1.458g。 图2-3 电压跟随器 图2-4 输入阻抗 图2-5 添加电

12、压跟随器输入阻抗 2.3 音调调节电路音调调节电路如图2-6所示。 图2-6 音调调节电路设计要求音频功放具备高低音音调可调的功能，为达到好的音效效果设计为2.1声道即左右声道外加中低音声道三声道分别播放。音调调节电路主要包括总音量、左右声道音调、重低音道音量三部分调节模块。调节电路应用滑动变阻器滑动时串联电阻分压的改变，电容的阻抗随不同频率信号改变而改变进行信号的调节。以右声道调节为例 （公式2-4） （公式2-5） （公式2-6） （公式2-7） 可知调节电位器r11时对不同频率的信号输出比值不相同，达到了调节音调的效果。实际电路中使用三个双联电位同步调节总音量、左右声道音调重低音声道音量

13、则单独调节。图2-7为仿真音调调节波特图对比。 图2-7 音调调节波特图2.4 ne5532二阶低通滤波电路 图2-8 二阶低通滤波器ne5532二阶低通滤波电路如图2-8所示。功放电路中低音声道需要滤去中高频率的信号，电路采用低通滤波电路。一阶低通有源滤波电路衰减斜率为-20db，而二阶有源低通滤波器衰减斜率为-40db。滤波效果更好同时输入阻抗高，输出阻抗低。重低音声道输入信号先经过ne5532同相比例放大电路。信号放大7.8倍后连接压控二阶有源低通滤波器。 （公式2-8）下图2-9为典型二阶低通滤波器电路。 图2-9 典型二阶低通滤波器它由两节rc滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运

14、放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0 为截止频率），电路的每级rc 电路的相移趋于-90º，两级rc 电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为： （公式2-9） （公式2-10） （公式2-11） （公式2-12） （公式2-13）上式为二节低通滤波电路传递函数的典型

15、表达式，设计电路的截止频率为： （公式2-14）图2-10 ne5532低通滤波电路波特图滤去大于100hz的中高频信号，仅剩下低频信号用于功率放大。图2-10与图2-11即为重低音声道波特图。 图2-11 重低音声道波特图2.5 tda2030a功率放大电路 tda2030a ocl功率放大电路如图2-12所示。设计要求功放效率>60%，甲类放大器的效率太低、乙类放大器的波形失真度过高，选择使用双电源供电tda2030a搭建的ocl功放电路。理论效率可达78.5%，实际电路效率可达到60%以上。信号输入采用阻容耦合降低直流对交流信号的影响。tda2030a实物图如图2-13所示。 图2

16、-13 tda2030a图2-12 tda2030aocl功率放大电路 tda2030a是sgs公司生产的单声道功放ic，该ic体积小巧，输出功率大， 静态电流小(50ma以下);动态电流大(能承受3.5a的电流);负载能力强，既可带动4-16的扬声器，某些场合又可带动2甚至1.6的低阻负载;音色中规中举，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放。电路选取放大倍数： （公式2-13）实际电路测量通频带内放大倍数为38倍，喇叭为磁性负载，r33与c21为喇叭的阻抗匹配电路，使负载近似为纯阻抗。 图2-14 tda2030a ocl功率放大电路输出波形图2-15 tda2030a ocl功

17、率放大电路波特图3 硬件设计与调试3.1 硬件pcb的制作 音频功率放大器对电路的布局与焊接工艺都有较高的要求，布局混乱、焊接不平整都将严重影响电路中的音频信号。 音频电路地线可简单划分为电源地和信号地，电源地主要是指滤波、退耦电容地线，小信号地是指输入信号、反馈地线。小信号地与电源地不能混合，否则必将引发很强的交流声:强电地由于滤波和退耦电容充放电电流较大（相对信号地电流），在电路板走线上必然存在一定压降，小信号地与该强电地重合，势必会受此波动电压影响，也就是说，小信号的参考点电位不再为零。信号输入端与信号地之间的电位变化等效于在放人器输入端注入信号电压，地电位变化将被放大器拾取并放大，产生

18、交流声。增加地线线宽、背锡处理只能在一定程度减弱地线干扰，但收效不明显。布局时应当注意尽量避免形成回路，电流回路将会产生同产生较大的噪声与原本的音频信号叠加，输出音效会大打折扣。 pcb走线要求单点接地，即输入信号地、信号调节地、滤波电路地以及功放芯片的地都应当在开始的时候分开走线再最后的时候全部连接到电源地上。在布线的时候应当注意电源线的宽度应当加宽。图3-1 pcb实物图音调调节电路本次设计采用altium designer pcb布局。采用单面板布线，同时将音调控制电路与功放电路分开使用杜邦线连接更易于调试。ne5332电压更随器易单独制作，功放在接入音频线时可以不需要50k的 图3-2

19、 pcb实物图主板输入电阻也可达到较好的音效。pcb实物如图3-1与图3-2所示，pcb电路图见附件一。3.2 元件清单 见附录三3.3 电路的调试3.3.1 电源电路 电源电路较为简单，电路焊接时仍就具有一定的危险性。应当仔细检查整流桥的二极管与滤波电容的极性，假如焊接出错容易烧毁电路板元件，烧毁布线、电容爆炸使得整个板子报废。 变压器输入输出导线应当使用热缩管与胶枪封住避免漏电危险。3.3.2 功放主板的调试 (1)、主板调试应当遵循分模块焊接调试，避免将所有元件焊接后寻找问题。焊接次序应当遵循有效到达由低到高的次序。 (2)、电路带电测量时要避免勿将芯片的电压引脚短接，短接的瞬间流经芯片

20、的电流过大芯片烧毁。 (3)、实际电路无法达到仿真时的理想条件，将产生许多问题。初次功放电路产生了输出为幅值3v频率为3m的振荡频率。对tda2030a的正常工作与音频信号的输出产生极大的干扰。在经过多次检查，发现原本的阻抗匹配电路电阻参数设置出错引发振荡。其次即使使用4700uf的电容滤波，稳压电路输出的电压仍就具有、的交流信号直接影响电路工作，无信号输入是电路存在的信号干扰，喇叭发出兹兹的电流声。3.3.3 实际数据测量 （1）电源电路参数：稳压电源经过整流滤波后输出±17v的直流电压，但产生了的纹波。 图3-3 电源纹波 (2)、输入阻抗测量：信号发生器信号输出信号vi调节为并

21、串联r=50k的电阻输入电压跟随器的信号输入端。使用示波器测量跟随器输入信号vid，则电路的输入阻抗为： (公式3-1)测量vid=450mv，则输入电阻为=400k。 (3)、音频功放的放大性能测试：输入=5mv，的正弦信号，测量输出波形。如下图。 图3-5 输出波形 图3-4 输入5mv波形经检测，输入5mv的波形是由于电路自身的噪声使得输入波形产生失真，输出波形叠加了噪声。 （4）、最大输出功率：将书如信号幅值不断增大，测量功放电路带负载与不带负载的最大不失真波形书出。不带负载情况下最大不失真波形峰峰值达到31.2v，带负载情况下最大不失真波形峰峰值达到17.0v。最大不失真功率为： ， （公式3-2）计算得最大不失真功率为4.5w。 图3-6 最大输出波形（不带负载） 图3-7 实物展示3.4 实物展示总结与体会 经过本次课程设计，我认为在实验的初期阶段，一定要把实验的原理搞清楚，做到心中有数，这要才不会至于在焊接时一团糟。同时做到能基本预期实验的仿真效果图。其次，在电路图仿真的过程中，整个图想要有条不紊的的连