音频功率放大器设计报告-模拟电子课程设计

1、 0 / 25 音频功率放大器设计报告 目录：目录： 一一. .设计任务和要求设计任务和要求 .1 1.1 设计任务：.1 1.2 设计要求：.1 二二. .总的设计步骤总的设计步骤 .2 三三设计的方案的选择与论证设计的方案的选择与论证.4 3.1 音频功率放大器工作的基本原理 .4 3.2 设计过程.4 四四电路设计计算与分析电路设计计算与分析.9 4.1 电路设计计算.9 4.2 电路中各元器件的功能和参数选择.10 4.3 电路的总体分析.11 五五 MULTISIMMULTISIM 仿真仿真 .12 六六 PROTELPROTEL 软件的应用软件的应用 .15 6.1PCB 图的制作

2、过程.15 6.2 将设计图用 protel 软件制作的 PCB.17 七心得体会七心得体会 .18 心得与体会心得与体会 .18 八附录八附录 .20 1原件清单.20 2元器件的注意事项.21 3.音频功率放大发展史 .22 九参九参 考考 文文 献献 .24 1 / 25 一.设计任务和要求 1.1 设计任务： 设计并制作一个音频功率放大电路（电路形式不限） ， 负载为扬声器，阻抗 4。 1.2 设计要求： 技术指标如下： (1)。输入信号：ui=10mV，f=1kHz； (2)。不失真输出功率：Po4W； (3)。负载阻抗：RL=4； (4)。输入阻抗：20K； (5)。整机电压增益：

3、Au200； (6)。频带宽：50Hz 20kHz，输出波形基本不 = 失真。 2 / 25 二.总的设计步骤 总体设计步骤 开始 研究探讨设计任务及要求 音频功率放大器原理分析 确定总体设计思路 原理图仿真 调试电路以达到设计要求 3 / 25 摘要 这次的模拟电路课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放，音频功 率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放， 比如手机、MP4 播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学 习工作带来了不可替代的方便享受。 我主要采用了两种方法对其进行了分析和设计，一种利用了 TDA2030 集成 芯片对其进行放大输出，另一

4、种是利用二极管进行偏置的互补对称电路，即分 立元件进行设计放大。期间遇到了不少问题，不过好在在老师的指导，同学的 帮助下终于成功调试成功，设计题目也算比较圆满的完成了。 在设计的过程中，首先对自己的设计思路有个整体的认识，即对音频功率放 大器的原理了解，在查阅了很多资料，以及对实验器材有了初步了解以后，利 用课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的 基本知识，通过对两种方法的对比评析确定了下面的课程设计。 4 / 25 三 设计的方案的选择与论证 3.1 音频功率放大器工作的基本原理 音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率 增加，然后输出。其原理

5、如图(一)所示，前置放大主要完成对小信号的放 大，使用一个同相放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后 一级所需要的输入。后一级主要对音频进行功率放大，使其能够驱动负载 电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出 适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。 根据技术指标要求：Po4W,输出电压 U= =4V, 要使 4 4 输入为 10mv 的信号放大到输出大于 4V 的信号，所需的总放大倍数应大于 400。 3.2 设计过程 方案一： 图 如上图所示，运算放大器 TAD2030 为电路的驱动级电路，而两个晶体管构 5 / 25 成功率输出级由双

6、电源供电的 OCL 互补功放对称电路，为了克服交越失真，由 二级管和电阻构成输出级的偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态，稳定了输 出电压和功率增益，减小了失真。但是，方案中也都是利用到了运算放大器的 放大运算作用，其中利用到了大量的电阻和电容这样对其中的噪声的过滤就会 有很好的作用，但是与此同时，这样的话，元件数太多，焊接的时候会相对比 较复杂，大量生产是所需工作量较大。而且在实际生活中很难找到对外性质完 全相同的两个三极管。因此我放弃了第一个方案。 方案二： LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电 压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收

7、音机之 中。LM386 电源电压 4-12V，音频功率 0.5w。LM386 音响功放是由 NSC 制造的， 它的电源电压范围非常宽，最高可使用到 15V，消耗静态电流为 4mA，当电源电 压为 12V 时，在 8 欧姆的负载情况下，可提供几百 mW 的功率。它的典型输入阻 抗为 50K。但输出功率要求在 4w 以上所以放弃此方案。 方案三： 音调控制电路大多由 RC 元件组成，利用 RC 电路的传输特性，提升或衰减 某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式 音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减， 并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化

8、，所以噪声和失真较大。负反馈式 音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不 变，而特性曲线的斜率却随之改变。因此我将采用第三种方案。 第三种方案包括音频放大电路和集成运放两部分，使较小的输入信号通过 放大后负载有较大的输出功率。以实现音频功率放大效果,总体电路路图如下页。 图 二 6 / 25 图二 （1）. 功率放大器的设计 我们的第二种方案选用了 TDA2030 型集成功率放大电路 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。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

9、设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。 并具有内部保护电路。 电路特点： 1.外接元件非常少。 2.采用超小型封装（TO-220） ，可提高组装密度。 3.开机冲击极小。 4.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、以及负载泄放电压反冲等。 5.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%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部 7 / 25 分或小型功放再合适不过了。 因此，我将采用 TDA2030 集成运放来实现功率的放大作用。 图三 图三 放大倍数大于 20

10、，取=650,=22k,得 R4 5 1+/=1+22k/650=34.8。集成运放所使用的电压为正负 12 伏特。 5R4 使输出的电压扩大为原有的 34，8 倍，远远的提升了负载的功率。但是要 想使负载的功率更加大我们可以加后置电路，后置电路同样有集成运放组成大 它的目的是增大输出电压的倍数从增大复杂的功率。实现真正意义生功率放大。 8 / 25 （2） 。放大器的设计 图四 使用功率放大器放大功率后，为了使负载得到更大的功率，我选用了同向 比例运算电路。 =1k ，=27k 1+/=28。 集成运放的电压为正负 12 伏特。这 R 2 33R2 样放 大了输出的电压，因而增大了输出的负载

11、功率。 方案的确定： 第一种方案电路制作较为复杂，不利于加工制造。第二种方案电路的功率 放大倍数较小，在生活中使用的范围较小，只是用于部分电路。前两种方案都 不能满足设计的要求，而第三种方案实现了音频功率放大又能减小信号的失真。 减少了元器件个数，利于加工制作而且有很强的放大能力试用的范围也大大提 高了。 而且集成运放将会在我们的生活中更加被普及使用。所以我采取第三种方案经 行音频功率放大。 9 / 25 四 电路设计计算与分析 4.1 电路设计计算 1.集成运放放大倍数计算 放大电路的输入信号：，基本放大电路的增益（开环增益） XXXf . iid ：=，反馈系数，负反馈放大电路的增益（闭环

12、增益）： A 。 X X id o . . X X F . o . f 。由上述公式联立得：=，所以负反馈放大电路对信号的 X X A i o F . . . AF . FA A 。 。 1 增益为。式子表明引入负反馈后，放大电路的闭环增益为 A K X X A . . . . F 。 s o VSF AF . 无反馈时的开环增益的。越大闭环增益下降的越多，所以 A 。 FA A 。 。 1 FA 。 1 是衡量反馈程度的重要指标，负反馈放大电路所有性能的改善程度都 FA 。 1 与有关。电路中的=650,=22k 电阻决定放大器闭环增益。 FA 。 1 R4 5 输出电压（有效值）6.89V

13、 om U 输出功率 Po=11.86W L R U 2 0 电压放大倍974.2 u A i O U U （dB）7.592.974lg20 =Po/PvCreate Netlist），之后在 PCB 图上导入网络表（Design-Load Nets）。就看见器件哗啦啦的全堆上去了， 各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。 需要特别注意， 在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元 器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性 同时，应该在保证上面原则能够体现的前提下，适当修改器件的摆放，使之整 齐美观，如同样的器件要摆放整齐、

14、方向一致，不能摆得“错落有致” 。这个 步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度，所以一点要花大力气去考 虑。布局时，对不太肯定的地方可以先作初步布线，充分考虑。 四：布线。布线是整个 PCB 设计中最重要的工序。这将直接影响着 PCB 板的性 能好坏。在 PCB 的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通， 这时 PCB 设计时的最基本的要求。如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将 是一块不合格的板子，可以说还没入门。其次是电器性能的满足。这是衡量一 块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到 最佳的电器性能。接着是美观。假如你的布线布通了，也没有什

15、么影响电器性 能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算 你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。这样给测试和维修带来极大 16 / 25 的不便。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能 和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。 六：网络和 DRC 检查和结构检查。首先，在确定电路原理图设计无误的前提下， 将所生成的 PCB 网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查 （NETCHECK），并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证布线连接关 系的正确性；网络检查正确通过后，对 PCB 设计进行 DRC 检查，并根据输出

16、文 件结果及时对设计进行修正，以保证 PCB 布线的电气性能。最后需进一步对 PCB 的机械安装结构进行检查和确认。 17 / 25 6.2 将设计图用 protel 软件制作的 PCB 18 / 25 七心得体会 心得与体会 这次模电课设的论文和设计是我这大学期间干的最有意义的事之一。从最 初的选题，开题到写论文直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学 交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这 次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的 设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计为 我们提供了一次将理论学习与

17、实际设计相结合的一次机会。 这次模拟电子课程设计我收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准， 分析数据，提高了自己利用各种专业软件的能力。首先我们学会了用 Multisim 进行仿真，我们从一无所知到能够实现电路的基本仿真。用 PROTEL 进行制作 PCB 板更是对我们的一项挑战。从开始的原理图的确定上，遇到了一个难题， 刚开始用 LM386，但在查资料后发现它达不到输出功率 20W，所以用 TDA2030 单 通道的功放。一步一步的做下来。等做好设计的时候才发现这是个美好的过程。 其实这么一次的锻炼可以学到书本里许多学不到的知识，坚韧、独立、思考等。 完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进

18、一步掌握了模电的知识及一门专业 仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。更多的是让我看 清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不 足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态 度，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，而不是只懂得 一点皮毛。课程设计也暴露出自己很多不足之处，深切体会到理论知识与实际 设计的差距。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。同时 我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必 须发扬团结协作的精神。课程设计同时培养了大脑分析的能力和锻炼我们的设 计能力。

19、由于时间有限，未能将 Multisim 和 Protel 99se 软件的各项功能了解 彻底，仅仅了解制作的一些基本功能。因此我将在今后的生活中加紧学习，更 加了解软件的性能。 19 / 25 本设计是在老师的精心指导和鼓励下完成的。在此，谨向老师和帮助我的 同学表示衷心的感谢！由于本人能力有限因此在设计过程中多有考虑不周到的 地方，希望指导老师能够批评指导，我将虚心接受意见并加以改进电路。 此外，我还要感谢在我的论文中所有被援引过的文献的作者们，他们是我 的知识之源！ 最后，再次向所有给予我帮助和鼓励的老师和同学致以最诚挚的谢意！ 20 / 25 八附录 1原件清单 ; 2元器 件的注意 事

20、项 TAD2030 工作环境； 1。TDA2030 具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压 40V 的 话，那么在 5 脚与电源之间必须插入 LC 滤波器，以保证 5 脚上的脉冲串维持在 规定的幅度内。 2。热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间 的），或者环境温度超过时均起保护作用。 3。与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，也 R1=22KR2=1K R3=27KR4=650 R5=22kR7=4 电阻 R8=1 C1 =10uFC2=22uF C3=2。2uFC5=1。0uF C6=47uFC7=10uF 电容 C8=0。01

21、uF 集成运放 TDA2030NE5532P 二极管 4001 VEE=-12VVSS=-12V 电源 VCC=12V 元 器 件 清 单 函数信号 发生器 XFG1 21 / 25 不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有 Ptot）和 Io 就被 减少的。 4。印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大 的电流通过。 5。装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得 超过 260，12 秒。 NE5532P 工作环境； 高性能 16 位 数字信号控制器 工作范围： 最高 40 MIPS 的工作速度（3。0-3。6V 时）： - 工业级温

22、度范围（-40C 至+85C） - 扩展级温度范围（-40C 至+125C） 高性能 DSC CPU： 3.音频功率放大发展史 一、早期的晶体管功放 半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。 早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器 中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高,这样,放大器的频率响应 也就很狭窄,其 3dB 截止频率通常在 10kHz 左右,大大影响了音乐中高频信号的 重现。再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约,制作较大功率的 OTL 或 OCL 放大器不易寻到三个指标都满足要求的管于,所以不得不采用变压器 22 / 25

23、耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难,谐波失真得不到 充分的抑制,因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。 二、晶体管功放的发展和互调失真 随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐 压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL 电路或 OTL 电路(图一)。 最初的大功率 PNP 管是锗管,而 NPN 管是硅管,两者 的特性差别非常显著,电路的 对称性很差,人们更多采用的是准互补电路,通过 小功率硅管 Q1 与一只大功率的 NPN 硅管 Q2 复合,得到一只极性与 PNP 管类似 的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。 到了六十年代末,大功率

24、的 PNP 硅管商品化的时候,互补对称电路才得到广泛的应用。元器件的进步使晶体 管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃,在主观音质评价方面,也改变了过去 人们对晶体管功放的看法,晶体管功放都被大量地采用, 1970 年首先发表丁关 于晶体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。在直接耦合的晶体管放大电路 中,为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应,通常对整体电路施加深 达 40dB 一 60dB 的负反馈。高增益之下引入深度负反馈,电路势必会产生自激振 荡,因而需要进行相位补偿,一般是在推动级晶体管的集电极基极之间接接 一个小电容 C,破坏自激振荡的相位条件,形成所谓“滞后补偿”, 当放

25、大器输 入端输入持续时间非常短的过渡性脉冲时,由于电容 C 需要充电时间,所以推动 管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值,见图四。显然,在电容 C 充、 放电期间,输出电压 V。将达不到应有的电压值,输入级也不可能得到应有的反 馈电压 Vf,因而,在过渡脉冲通过输入级的瞬间,输入级将处于负反馈失控状 态,致使输入级严重过载,输出将严重削波,引起过渡脉冲瞬时失真。如果过渡脉 冲波形上还叠加有正弦信号,输出端还会得到很多输入信号频谱不存在的互调频 率成份,这就是 TIM 失真。 TIM 失真和音乐信号也有密切关系,音量大、频率高 的节目信号容易诱发 TIM 失真。严重的 TIM 失真反映在听感上类似高频交选失 真,导致音质劣化。 三、功放输入级差动与共射-共基 对称和平衡是电路发展的方向对称和平 衡也许是世上事物完美的标志之一。在功率放大器中,对称和平衡也有类似的效 果。 最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了,一上一下的两只异极性晶 体管作推挽输出,不仅可以免除笨重的输出变压器,而且电路的偶次谐波失真在