高保真音频功率放大器课程设计

模拟电子技术课程设计报告设计题目：高保真音频功率放大器的仿真设计与实现一要求及思路题目：高保真音频功率放大器的仿真设计与实现设计任务：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，完成对高保真音频功率放大器的设计、调试与装配。鼓励自制稳压电源。设计要求：输出功率10W/8Q；频率响应20~20KHz；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。安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。设计思路：1.4.1功放电路，我们决定在OCL、OTL和BTL电路中选择其一进行设计。图表1OTL,电踣图血)电昌 00图表1OTL,电踣图血)电昌 00技怡廿析圏表2OCL也路图表1OTL电路图表2OCL电路OTL(OutputTransformerLess)电路：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，但输出端的耦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4Q、8Q、16Q之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2VCC,额定输出功率约为1/(8RL)。OCL(OutputCapacitorLess)电路：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，因此须设置保护电路；具有恒压输出特性；允许选择4Q、8Q或16Q负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为1/(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1/(8RL)。盯L(BalaneedTransformerLess)电路：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OTL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，盯L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。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，我们决定选择盯L电路图。我选取的芯片为TDA2030A芯片.TDA2030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TDA2030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20W，而TDA2030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TDA2030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，它的管脚属于最少的一类，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S0.5%）;在电源电压±16V,负载

电阻为4Q时输出18瓦功率（失真度SO.5%）。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。该电路可供低频课程设计选用。最终，我们选择的原理图为，TDA2030aBTL功放电路图。nnynnoi•HUII-丄nnynnoi•HUII-丄二仿真软件介绍2.1仿真软件概况Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。仿真软件的优点及应用范围智能原理图设计丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。完善的电路仿真功能ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）:基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；单片机协同仿真功能支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信;实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；实用的PCB设计平台原理图到PCB的快速通道：原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D可视化预览；多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。资源丰富1．Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。.Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。.除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。.Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。电路仿真PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中proteus也能茯得愈来愈广泛的应用。实践证明，在使用proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，proteus有较高的推广利用价值。2.3仿真软件版本proteus7.9三电路原理图3.1工作原理论述

工作原理：用两块TDA2030组成如图1所示的BTL功放电路，TDA2030(1)为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1馈入同相输入端①脚，交流闭环增益为KVC①二1+R3/R2~R3/R2=30dB。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。TDA2030(2)为反相放大器，它的输入信号是由TDA2030(1)输出端的U01经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6后馈给反相输入端②脚，它的交流闭环增益KVC②二R9/R7//R5=R9/R7a30dB。由R9=R5,所以TDA2030(1)与TDA2030(2)的两个输出信号U01和U02应该是幅度相等相位相反的，即：U01=Uin・R3/R2U02--U01・R9/R5R9二R5U02二-U01

因此在扬声器上得到的交流电压为：IUY|=UOl-(-UO2)=2UOl扬声器得到的功率为：PY=UY2/RL=(2U01)2/RL=4(UOl)2/RLinVEf12V'馳IQ1111i0Nil*aotc?inVEf12V'馳IQ1111i0Nil*aotc?tlNuli 跑JO03.2理论分析R11为变阻器，用来控制扬声器上的端电压。C1起到隔直传交的作用。C3，C3和C2，C6分别是用来作为退耦电容。C8,R8和C9,R9是作为消除喇叭网络和TDA网络之间的影响的。R3,