音频功率放大器设计报告

1、武汉理工大学模拟电子基础课程设计说明书目录 课程设计任务书 2 摘要 31 模电课设概述5 1.1设计背景 5 1.2音频放大类别5 1.3设计目的及意义.6 1.4开发环境Multisim 10.0简要介绍.72 课程设计内容 82.1功放电路方案的选择 82.2 BTL电路的组成 102.3 电路仿真 133 实物焊接及调试过程183.1 焊接实物 18 3.2 调试过程遇到的问题及解决方法194 总结与心得 20 附录21 附件一 实验原理图 21 附录二 元件清单22 附录三 参考文献 23 成绩评定表24 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：、 题 目: 音频

2、功率放大器 初始条件：芯片：TDA2030A、 极性电容、非极性电容、可变电阻、定值电阻、扬声器、要求完成的主要任务: 1.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、装备与调试； 2.输入信号Uid100mv,频率响应范围30Hz-3KHz； 3.在8扬声器的负载下，输出功率连续可调，最大输出功率达 到6W； 4.音频信号放大后，失真5%。 5.效率60% 时间安排：安装调试，地点： 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要这学期刚学习模电课,学校要求我们完成一次课程设计任务。模电这门课程主要讲了二极管三极管几种放大电

3、路信号运算与处理电路正弦信号产生电路直流稳压电源。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频率。当负载一定时希望输出的功率尽可能大输出的信号的非线性失真尽可能小效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用继承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。本实验设计的是一个BTL功率放大器该放大器采用TDA2030A集成功放，并采用双电源电源供电。TDA2030A集成电路的特点是输出功率大，而且保护性能比较完善，其工作电压范围较广，信号失真度较小，使用两块TDA2030A组成BTL电路，输出功率可增至35W。实验用multism软件对BT

4、L功率放大器进行仿真实现。根据电路图和给定的原件参数使用multism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。该电路由于价廉质优，使用方便，广泛应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。 关键字BTL、TDA2030A、功率放大、multism。Abstract This semester just learning mode power class, the school requires us to completetaskcurriculum design.Power module this course mainly tells the diode triode

5、 several amplifying circuit signal operation and processing circuit of the sine signal generating circuitof the DC regulated power supply.The function of power amplifier is to load RL speakerstereo amplifier provides an output frequency of certain.When as little as possible of the efficiency as high

6、 as possible nonlinear distortion of power load is the desired output signal at the output as possible.The common form of power amplifier circuit OTL circuit and OCL circuit.Power amplifier is composed of the inheritance of operational amplifier and transistor also has special integrated circuit pow

7、er amplifier.The experimental design is a BTL power amplifier at the amplifier using TDA2030A integrated amplifier, and dual power supply.Characteristics of TDA2030A integrated circuit is the output is big, and the protection performance more perfect, the working voltage scope is wide, the signal di

8、stortion is small, the use of two TDA2030A BTL circuit, the output power can be increased to 35W.Experiments using Multism software to simulation BTL power amplifier.According to the original parameters of the circuit diagram and the Multism software is used to simulate the static analysis of the ci

9、rcuit and display waveform of the calculated data analysis on the dynamic operation of the. The circuit with low price and high quality, easy to use, widely used in a variety of styles recorder and high-fidelity stereo equipment. Keywords BTL, TDA2030A, power amplifier, multism.一模电课设概述 1.1 设计背景音频放大器

10、的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高

11、环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声，所以经常采用反馈。1.2音频放大器的类别  长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类(甲类)和AB类 (甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)，而出现了更多类别的放大器。为了使读者对此有所了解，这里仅就笔者所知的各种类

12、别 的放大器简介如下。不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着 半导体放大器的绝大多数。（1）A类(甲类)放大器A类(甲类)放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。 A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值

13、，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。（2）B类(乙类)放大器B类(乙类)放大器，是指器件导通时间为50%的一种工作类别。这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99% 是属于这一类。由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。(3)AB类甲乙类)放大器AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50100%之

14、间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)。AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过笔者认为，它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。1.3设计目的及意义1） 培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。 2）锻炼学生自学软

15、件的能力及分析问题、解决问题的能力。 3）通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。 4） 巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。 5） 为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。1.4开发环境Multisim 10.0简要介绍NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问

16、题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。 直观的图形界面 整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的； 丰富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。 强大的仿真能力 以

17、SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。2 课程设计内容2.1功放电路的方案选择 2.1.1 OTL(Output Transformer Less)电路 OTL称为无输出变压器功放电路。是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输出变压器的功放电路，它是高保真功率放大器的基本电路之一，但输出端的合电容对频响也有一定影响。 OTL电路的主要特点有：采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；输出端与负载之间

18、采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4、8、16之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2 V CC，额定输出功率约为 /(8RL)。 OTL功放电路具有频率特性好、非线性失真小及效率高的特点，广泛应用在电视机、扩音机及其他电子设备中。OTL电路如图所示： 图2-1-12.1.2 OCL(Output Condensert Less)电路： OCL称为无输出电容功放电路，是在OTL电路的基础上发展起来的。 OCL电路的主要特点有：采用双电源供电方式，输出端直流电位为零；由于没有输出电容，低频特性很好；扬声器一端接地，一端直接与放大器输出端连接，因此

19、须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择4、8或16负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为 /(2RL)。需要指出，若正负电源值取OTL电路单电源值的一半，则两种电路的额定输出功率相同，都是 /(8RL)。  OCL 电路的优缺点：OCL 电路具有体积小重量轻，成本低，且频率特性好的优点。但是它需要两组对称的正、负电源供电，在许多场合下显得不够方便。 OCL电路图如图所示图2-1-22.1.3 BTL（Balanced  Transformer  Less）电路： BTL称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的OTL或OCL电路组成，扬声器接在两组OT

20、L 或OCL电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。 BTL电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便。 BTL电路图如下图所示： 图2-1-3 经过筛选，为了得到更大的电压增益放大，以及更大的功率放大，我们决定选择BTL电路图。 2.2 BTL电路的组成 2.2.1 电路芯片的选择 本实验选择的芯片为TDA2030A，TDA2030A的特点：TDA 2030

21、是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。 TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完全，安全度较高。根在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中

22、，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。 TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有几种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管就给使用带来不少方便。 TDA2030 在电源电压±14V，负载电阻为4时输出14瓦功率（失真度0在电源电压 ±16V，负载电阻为4时输出18瓦功率（失真度05）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频

23、课程设计选用。 TDA2030A如下图所示 图2-2-12.2.2电路原理图简介电路原理图如下图所示： 图2-2-2（1） 放大部分电路 放大部分采用两块TDA2030A组成，可以增大输出功率，如下图所示 图2-2-3该放大电路为电流串联负反馈放大型，经过分析该放大部分对信号放大倍数33.4.（2） 电路中各元件的作用 R1为变阻器，用来控制扬声器上的端电压；C1起到隔直流通交流的作用；C2，C3和C4，C5分别是用来作为退耦电容；C8,R9和C9,R10是作为消除喇叭网络和TDA网络之间的影响的；R3,R5,C6和R8,R6,C7是分别为TDA2030A（1）（2）的反馈网络。R2，R4是起

24、到对称作用。（3） 工作原理 ： TDA 2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1反馈入同相 输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3 / R533dB。 R3 同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。 TAD 2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA 2030（1）输出端的UO1 经R6、R7分压器衰减后取得的，并经电容C7后反馈给反相输入端脚，它的交 流闭环增益KVCR7R833dB 由R7R5，所以TDA 2030（1）与TDA 2030（2）的两个输出信号U01 和U02 应该是幅度相等相位相反的， 即： U01Uin·R3 / R

25、4U02U01·R7 / R6 R7R5则 U02 U01 因此在扬声器上得到的交流电压应为：êUç U01 -（ -U02） 2U01 2U02 扬声器得到的功率 P 按下式计算： P=2U×2URL2.3 电路仿真 2.3.1 频率不变时，改变输入信号的幅值时的电路参数变化 （1）当频率fo=1KHz时 1)输入Ui=100时，输出波形图如下图所示： 图2-3-1此时负载的输出功率最大值和最小值为：图2-3-2调节电位器的值使输出功率接近5W，如图所示 图2-3-3（2） 当输入信号频率Ui=50mv时，波形如下图所示： 图2-3-4相对应的功率值为

26、： 图2-3-52.3.2 幅值不变时，改变输入信号的频率时的电路参数变化 Ui=100mv时(1) f0=300Hz时，输出波形图如下图所示：图2-3-6 输出功率的最值： 图2-3-7（2） f0=2000Hz时，波形图为 图2-3-8负载输出功率的最值为： 图2-3-9（3） 输入信号为3KHz时波形图如图所示： 图2-3-10负载功率最值： 图2-3-11 2.3.3 仿真分析及问题 （1）通过仿真可知，当输入信号的幅值相同时，信号的频率不同时，负载输出的功率的值不同，呈递减趋势；当频率相同时，幅值不同时，幅值越大，输出功率越大。 （2）仿真过程中，因为接法错误，功率表无示数，应该是电

27、压端与负载并联，电流端与负载串联。（3） 仿真过程中，滤波电路中极性电容的极性接反，仿真时并不提示出现错误，在实际操作调示时引起电容爆炸。（4） 由仿真结果分析可知，电路输出信号的线性失真较小，效率较高，达到实验预期目的。3 实物焊接及调示过程3.1 焊接实物根据电路原理图选择相适应的原件进行布线，实物如下图所示：图3-1-1 焊接图与实物图 3.2 调试过程中遇到的问题及解决方法（1） 接入直流偏置时，负电源附近的极性电容总是爆炸，原因是该极性电容的正负接错，导致夹在其两端的电压是反向的，正极应该与地段相连。（2） 当输入信号的幅值过低时，扬声器的音量较小且信号失真较大，因为是信号的幅值较低

28、时，杂波较多，导致信号严重失真，需要加大输入信号的幅值。（3） 当增大输入信号时，喇叭容易烧毁，因为喇叭的额定功率较小，当输入信号幅值过大时，造成输出功率较大，要选用较大功率的扬声器。（4） 当输入信号幅值使输出功率在额定范围内时，音频信号还是有一定的杂音，调节电位器的阻值，可以减小失真。4 总结与心得过本次设计，加强了自己的理论水平，提高了自己的动手能力。在制作电路的过程中更是学到了许多实践经验，如电路板的布线、元器件的识别和整机的调试等各方面的经验。学到了许多课本上没有的知识，得到了很大的锻炼。实习了两个星期的，我们学会了很多东西，培养了动手能力也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题。 这次课程设计终于完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！为期二个星期的课程设计已经结束，在这二个星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过音频放大器的设计，我掌握了常用元