音频功率放大器模拟电路设计

1、1方案设计42方案比较 73单元模块设计 83.1直流稳压电源83.2前置放大103.3滤波器设计 113.3.1主要元器件113.3.2低频滤波器电路 133.3.3带频滤波器电路 133.3.3带频滤波器电路 143.4功率放大器电路 143.4.1主要元器件介绍 143.4.2 电路工作原理介绍 164软件设计 164.1 PROTEL99SE 软件 174.2 WORD2003 软件 175系统调试 17系统总图176系统功能 187.总结与体会 19文献20附录：电路原理图 21相关设计图 21相关设计软件 21音频功率放大器摘要：本音频功率放大器由四部分组成：电源，前置放大级，滤波

2、器，功率放大电路。电源电路输入交流电，输出18V的直流电，为集成功率放大器供电；再经过变换输出+12V与-12V的直流电，为滤波器及前置放大级的运算放大器的 供电。前置放大级将音频信号放大至功率放大器所能接受的范围。滤波器电路， 分为高通滤波器、中通滤波器、低通滤波器，将输入的音频信号分为不同频率音 频信号，并设有开关可以按个人喜好调节输出音频信号。功率放大电路，将输入的信号功率放大。关键字：音频功率放大器、电源、滤波器、功放电路Abstract： The audio power amplifier consists of four parts:power supply, level prea

3、mp, filter, power amplifier circuit.AC input power supply circuit, output DC 18V, power supplyfor the integrated power amplifier; another transform output +12 V and-12V DC, in order to filter and preamp-level op-amp power supply. Preamp-level audio signal amplification willbe acceptable to the scope

4、 of power amplifier. Filter circuit,-2 - is divided into high-pass filter, in-pass filter, low passfilter, the input audio signal into different frequency audio signal and a switching regulator in accordance with personal preference, audio output. Power amplifier circuit, the input signal power ampl

5、ifier.Key words: Audio power amplifier, power supply, filter, power amplifier circuit、/ >刖言1. 在当代生活中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味 的提高，人们对音响的性能要求也越来越高。所以，制作出完美音响也成 了人们追求的目标。2. 音频功率放大器作为音响设备的重要器件，完美的音频功率放大器 是做出完美音响的必要条件。音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的 领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力。无论是从线路技术还是元 器件方面，乃至思想认识上都获得了长足的进步。3. 回顾一下功率放

6、大器的发展历程，对我们来说也是一件积极有意义 的事情。4. 随着时代的发展，信息时代的来临，音频功率放大领域取得了 喜人的硕果。新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产 生的，音频放大器同样也不会例外。在科技日新月异的时代，我们有理由 期待更完美的功率放大器的出现。5. 此次电子技术课程设计我们选择的就是音频功率放大电路的设计。我们采用了 LM1875®成芯片作为音频功率放大电路的核心器件。 而且我们还采用了低通、高通、带通滤波器这样我们可以根据个人的不同 爱好对不同频段的音频信号做选择性的处理。为了给集成芯片和滤波器提-3 -供稳定的电压以保证它们正常的工作。我们制作了

7、直流稳压电源，通过该 电路可以为电路提供稳定的直流电。 但是由于滤波器和LM18751成芯片对 直流电压大小需求不同，所以我们运用了运放电路，这样可以分配直流稳 压电路产生的电压分配到滤波器和集成芯片对电压不同的要求。概括的说 此功率放大器由直流电源电路、运放电路、滤波器电路、集成功放电路等 四部分组成。方案设计2.1设计方案一以下设计的是音频功率放大器的方案流程图：由晶体管与集成运放组成的功率放大电路。其中运算放大器组成驱动级，晶体管组 成复合式对称电路。模拟音量控制器由运算放大器和电位器组成。高低音分别控制，可 以达到高音、低音同时提升和压低的效果。复杂的系统将音频范围设分为若干个频段由

8、多个电位器对各个频段分别控制。其原理方框图为：图2.1.1音频功率放大电路方案图一2.2设计方案二由晶体管与集成运放组成的OCL功率放大电路。其中运算放大器组成驱动级，晶 体管组成复合式对称电路。音量控制器由5 5 5产生手动控制音量设需脉冲，集成模拟 开关CD 4 0 5 1的8路输出信号控制电阻分压网络的衰减倍数，其地址由计数器C D4 5 1 6提供。其原理方框图为：西华大学课程设计说明书图2.2.1音频功率放大电路方案图2.3设计方案三新一代数字延时器电路 CXA1644P是专用数字音响集成电路，它将混响效果设需 的全部功能包含在集成块内。使用运放作为前置放大电路，再由LA4 10 0

9、组成功率 放大器。其原理方框图：图2.3.1音频功率放大电路方案图三2.4设计方案四TDA 2030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，而保护性能以较完善。根据掌握的资 料，在各国生产的单片集成电路中， 输出功率最大的不过20VV而TDA 2030的输出功率 却能达18VV若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W另一方面，

10、大功率 集成块由丁所用电源电压高、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，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。在现有的各种功率集 成电路中，它的管脚届丁最少的一类，总共才 5端，外型如同塑封大功率管，这就给使 用带来不少方便。TDA2030 在电源电压土 14V,负载电阻为4Q时输出14瓦功率（失真度V0. 5%）;在电源电压 土 16V,负载电阻为4Q时输出18瓦功率

11、（失真度V 0. 5%） 该电路由丁价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用丁各种款式收录机和高保真 立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。图2.4.1音频功率放大电路方案图四2.5设计方案五LM1875电压范围为1660M 不失真功率为20W（THD=0.08% , THD=1%功率可达40W人耳对THD<10%下的失真没什么明显的感觉），保护功能完善。其接法同TDA2030 相似，也有单双电源两种接法。LM187W美国国家半导体器件公司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1所示，该集成电路在土 25V电源电压 RL=& 时可获得20W的输出功率

12、，在土 30V电源8Q负载获得30W的功率，内置有多种 保护电路。广泛应用丁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。图2.5.1音频功率放大电路方案图五方案比较综合上述方案比较分析：方案一采用的是甲类功率放大器。甲类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流 连续流过，它的优点是输出信号的失真比较小，但是输出信号的动态范围小，效率低。 理想情况下其最高效率为50%方案三采用的是乙类功率放大器。乙类功率放大器在整 个输入信号周期内的导通时间为 50%它的优点是在理想情况下效率可达 78.5%,但缺 点是会产生交越失真，增加噪声。方案二采用的是甲乙类互补对称电路，积

13、甲乙类功率 放大器的优点丁一身，同时克服交越失真。方案四采用TDA203C®成功率放大器，具有输出功率大，失真小，且具有完善的热保护电路等优点。方案五采用了LM1875做为音频功率放大器具有工作电压范围大 1660V,失真率小，输出功率大等特点。基丁 TAD203QM有完善的热保护电路，我选择方案四第7 页西华大学课程设计说明书3单元模块设计3.1直流稳压电源直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交 流电压为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不 稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电

14、 路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并且实现电压可在1.3-32.5V可调，输出为集成功率放大器供电，另一端输出再进行稳压变换3.1.1主要元气件介绍1、集成稳压器：集成稳压器的输出电压U。应与稳压电源要求的输出电压大小及范围相同。稳压器的最大电流Icm<I°m a , 稳压器的输入输入电压U,范围为U omax +(U i -U 0)min -Ui 三 U omin + (Ui U 0 )max(3)式中，Uomax最大输出电压Uomin 最小输出电压(Ui -Uo)min稳压器的最小输入输出压差(U i U 0 )max稳压器的最大输入输

15、出压差2、电源变压器对丁容性负载，变压器副边的输出电压U与稳压器输入电压Ui的关系为U i min /(1.1 T.2)玄U MU i max (1.1 T .2)，在此范围内,U越大，稳压器的压差越大,一般取副边电压UU 芝 Uimin/1.1(4)副边输出电流有效值1 o max(5)I omax稳压电源最大输出电流3、整流二极管及滤波电容整流二极管的反向击穿电压Urm应满足：Urm .2U2(6)滤波电容C的容量可估算：C 制35)TIomax/Uimin( 7)则 R°=11.3KQ，使 R1o +W1 可在11K Q12k Q问调节。3.1.2直流稳压电源电路根据性能指标，

16、集成稳压器为驱动集成功放选用 LM317,其输出电压范围为Uo=1.3 37V,最大输出电流Iomax为1.5A,为集成功率放大器设计的稳压电源电路如图 3-1-1 所示功放电源D5IC11N4007OUTTTRANS1D1D21N4007D41N40071N4007D31N4007_=C1 ±=2200uFLM317C2104inDAR2Vcc=18VR 5KR1D6 1N4007C410uFC3一 104C547uF图 3-1-1在图3-1-1所小电路中，R1和Rw组成 输出电压调节电路，输出电压 Uo 1.25X (1+Rw/R1) ,R1取120240Q ,流过R1的电流在空

17、载时，最大为 510mA,最大 为 50uA。根据 R1=1.25/I，取 R1=200 Q,则 Uo=1.25 (1+Rw/ R1),通过计算后选取 Rw为5kQ精密绕线电位器。运放稳压电源电路选用7812和7912集成稳压器件，用以为滤波所用集成运算放大 器提供正负12V电源来驱动进行工作，运放稳压电源电路如图3-1-2所示。第9 页西华大学课程设计说明书图 3-1-2两块电路中设置了保护电路,万一输入端短路,大电容放电会使集成稳压块由丁反 电流冲击而损坏，在稳压块上加上二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。3.2前置放大3.2.1原理及参数选取前置放大是指将音频信号放大至功率放大器所

18、能接受的范围。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小。前置放大器设计如图3.2.1,运算放大器组成一个反向放大电路，输出电压11的表达式：U o1UoLWRi(2)录音机输出的信号一般为100mv,已经大丁 Uo的要求，所以要对Uo进行适当的衰减，否则输出会产生失真。取R1=100K Q , R2=39 K Q ,以使录音机输出经混合级后达到 Uo 要求。3.2.2前置放大电路前置放大级Vi1图3-2-1前置放大级电路3.3滤波器设计在实际的电子系统中，输入信号往往是含有多种频率成分的复杂信号，可能会混入各 种噪音、干扰及其他无用频率的信号，因此需要设法将有用频率信号挑选出来，将无用

19、 的信号频率抑制掉。完成此任务需要具有选频功能的电路。对信号的频率具有选择性的 电路称为滤波器，它能使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过。按照滤波器的工作频率，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。由阻容元件和运算放大器 组成的滤波器电路称为RC有源滤波器。由丁集成运算放大器有限带宽的限制，目前RC 有源滤波器的工作频率比较低，一般不超过1MHz。本设计共设有低通、带通、高通三个滤波器以对输入信号频率进行选择，正常人耳能听到的声音范围是 20Hz-20kHz,所 以不用考虑运算放大器带宽限制。

20、3.3.1主要元器件本滤波器设计采用通用型集成运算放大器UA741。uA74是通用高增益运算放大器，内部具有频率补偿、输入、输出过载保护功能，并允许有较高的输入共模电压和差模电压， 电源电压适应范围较宽，是早些年最常用的运放之一 .这种集成运放的主要参数如下：电源电压 土 15V最大共模输入电压土 13V 最大输出电压 土 14V2M Q开环差模电压增益106最大差模输入电压土 30V 差模输入电阻uA741的引脚排列图如图3-3-1所示:1 - Offset nu：l 12 - tnvertfng input3 - Non-invertjng input4-VCC'5 - Offse

21、t nu；| 26 - Output图3-3-1 uA741引脚排列图第17页成品器件图如图3-3-2所示:图3-3-2 uA741成品器件图3.3.2低频滤波器电路图3-3-3低频滤波器电路3带频滤波器电路图3-3-4带频滤波器电路3.3.3带频滤波器电路K2图3-3-5带频滤波器电路3.4功率放大器电路功率放大器的作用是给音箱放大器的负载 R （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，输出的信号的线性失真尽可能的小，效率尽可能 rli o3.4.1主要元器件介绍TDA203CW介：TDA 2030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

22、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勺性能参数如下:参数名称符号单位参数最小典型最大测试条件电源电压VccV+、- 6+- 18静态电流IccmA4060Vcc=+-18,RL=4 欧输出功率PoW1214RL=4,THD=0.5%W89RL=8,THD=0.5%频响BWHz10140kPo=12w,RL=4,输入阻抗RiM0.55卅环，f=1kHz谐波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W,RL=4电路特点：1 .外接元

23、件非常少。2 .输出功率大，Po=18W（RL=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 .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。西华大学课程设计说明书3.4.2电路工作原理介绍集成功放VccOC4C5C7R3LC122O0uR6iC60.1u图3-4-1集成功率放大器电路图图3-4-1所示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，输出功率大丁 10W,频率响应为10Hz140KHz，输出电流峰值最大可达3.5A。其

24、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。RP是音量调节电位器,C1是输入耦合电容,R1和R2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)/R4=(4.7+150)/4.7=33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。C4、C5为电源高频旁路电容，防止电路产生自激振荡。R6和扬声器内阻称为茹贝网路, 用以在电路接有感性负载扬声器时，保证高频稳定性。D1、D2是保护二极管，防止输出电 压峰值损坏集成块TDA2030 o4软件设计本次实验我使用

25、了 Protel 99 SE软件和Word office2003软件来做音频功率放大设 计。从学习软件到使用的过程中，让我知道熟悉画图软件及文字编辑的软件的重要性。以后我会利用空余时间进一步的学习有助丁电子技术课程设计的软件。运用Protel 99 SE软件所画的图见整个说明书。4.1 Protel 99SE 软件Protel 99SE是ProklTechnology 公司开发的基丁 Windows环境下的电路板设计软件，是Protel系列产品中功能较为完备的版本。该软件功能强大，人机界面友好， 易学易用，仍然是大中院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板 设计工具，是目前众多 ED

26、A设计软件中用户最多的产品之一。.Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计( Advanced Schematic ) 和多层印刷电路板设计( Advanced PCB )。其中 Advanced Schematic 由两部分 组成：电路图编辑器(Schematic )和元件库编辑器(Schematic Library )。4.2 Word 2003 软件Word office2003软件小型精干的办公软件 Word表格、Word文字、Word演示。这次设 计运用Word进行设计的说明。5系统调试系统总图根据设计需求将选择电路的设计单元进行组合,完成系统的原理图设计。第23页功放

27、电源前置放大级图5-1音频功放系统总图6系统功能我设计的是音频功率放大电路。音频功率放大电路主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。集成运放是前置放大级，音调级采用数字音量控制，采用 OCL互补 对称功率放大电路作为功率放大级。功率放大器是音响系统的重要组成部分，其作用是 将电源的能量按照输入信号的控制转化为输出信号的能量，驱动扬声器发声。7.总结与体会本次设计是本人第一次自己动手设计东西。因而在许多方面都还不熟练，不如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。 不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识， 学会了 ISIS以及Protel的一些基本使用 方法，培养了我们独立思考问题解决问题的能力， 加深了我们对数电、模电知识的理解， 巩固了我们