音频功率放大器_课程设计论文.doc

西安科技大学模拟电子技术课程设计题 目 音频功率放大器 学生姓名 专业班级 11级通信工程 学 号 院 （系） 信息工程学院 指导教师 完成时间 2013年5月30日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求12.1 设计任务12.2 设计要求13 设计方案与论证23.1 方案选择与论证24 设计原理与元器件功能说明44.1 设计原理44.2 元器件功能说明55 单元电路设计85.1 音频放大电路85.2 音调控制电路96 硬件的制作与成品调试106.1 电烙铁的使用106.2 功放成品的调试117 总结12参考文献14附录一：总体电路原理图15附录二：元器件清单16附录三：实物图171 课程设计的目的通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在模拟电子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。学习目的：1、学习音频功率放大器的设计方法； 2、研究音频功率放大器的设计方案； 3、掌握TDA2030A的放大原理； 4、电路中音频信号的放大处理原理； 5、熟悉电烙铁的使用方法。2 课程设计的任务与要求2.1 设计任务设计一个应用TDA2030A实现音频功率放大的小音箱。2.2 设计要求设计所需满足的条件：1、功率放大器的频带宽度BW50Hz15KHz；2、在最大输出功率下非线性失真系数3%；3、输入阻抗Ri100k； 4、具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz处有±12dB的调节范围。3 设计方案与论证3.1 方案选择与论证 音频功率放大器的关键部分是音频功率放大电路，由TDA2030A实现，由TDA2030A在电路中的接法不同，现列出两种不同方案。具体方案如下：方案一：用TDA2030A构成OTL功放电路。OTL功放采用单电源，有输出耦合电容，其原理图如图3-1所示。图3-1 OTL功放电路图 如图3-1所示电路中，是以集成电路TDA2030A为中心组成的功率放大器，具有失真小、外围原件少、装配简单、功率大、保真度高的特点。电路中D1、D2为保护二极管，C5为滤波电容，C6为高频退耦电容；RP为音量调节电位器；IC即TDA2030A是功放集成电路；R1、R2、R3、C2为功放IC输入端的偏置电路，R4、R5、C3构成负反馈回路，改变R4大小可以改变反馈系数。C1为输入耦合电容，C4为输出耦合电容；在电路接有感性负载扬声器时，R6、C7可确保高频稳定性。方案二：用TDA2030A构成OCL功放电路。OCL功放形式采用双电源，无输出耦合电容，其原理图如图3-2所示。图3-2 OCL功放电路图如图3-2所示电路中，由于无输出耦合电容，该电路低频响应得到改善，属于高保真电路。双电源采用一次侧绕组成中间点接地、上下电压对称相等的变压器，经过整流滤波后构成18V双电源，输出功率为20W。两只二极管起保护作用。 方案三：用TDA2030A构成BTL音频功率放大电路。其原理图如图3-3所示。图3-3 BTL功放电路图 如图所示，BTL功放是由两个相同的功放组成，输入信号互为反相。实际采用放大器的同向输入与反响输入，以保证输入信号互为反相，同时还应使两输入信号互为反相，同时还应使两输入信号的幅度相同，这样可以满足BTL的基本要求。电路中R4与R5对信号分压后衰减的倍数与A1的放大倍数正好相同，衰减后的信号通过R7加在A2的反相输入端。事实上是由两个运放完成了一路信号放大，实际测得输出电平高出一个集成电路的1.5倍，即原输入功率为20W的运放，现在输出功率约为50W。但由于BTL的电路特点，选择集成电路时尽可能用参数一致的两个运算放电路，调整输入信号幅度，可通过输入正弦波用示波器观察两输入信号的幅度，这使调整R7使两输入信号的幅度相同，以保证在提高功率的同时尽可能减小非线性失真。较为复杂。 通过对三种方案的比较我们可以看出，第一种方案无疑是比较好的方案，我们可以从以下几个方面作为依据选择第一种方案。按照第一种方案我们可以达到课程设计所要达到的要求，结果比较准确，受外界干扰较小， 而且第一种方案的实现非常的简单，电路容易理解，实验容易进行，能够尽少的减小实验的成本，而且这种方案的主要器件有自我保护的措施，能够更好的保护实验器件，减少不必要的损失。4 设计原理与元器件功能说明4.1 设计原理 本电路主要由前置放大、音调控制、功率放大等部分组成，原理框图如图4-1所示。电路原理如图4-2所示。图4-1 原理方框图图4-2 电路原理图 4.2 主要元器件的说明1. 集成运放TDA2030ATDA2030A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TDA2030A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。TDA2030A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TDA2030A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50W左右。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TDA2030A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）。TDA2030A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。TDA2030A在电源电压±14V，负载电阻为4时输出14W功率（失真度05）；在电源电压 ±16V，负载电阻为4时输出18W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。该电路可供低频课程设计选用。TDA2030A内部原理结构图，如下图4-3所示。图4-3 TDA2030A内部组成框图 TDA2030A实物接线引脚图，如下图4-4所示。图4-4 TDA2030A引脚图经过多方面资料搜索甄别和验证，发现一个简单的方式辨别TDA2030A的实物中引脚所对应的电路中1、2、3、4、5所在位置，即：将TDA2030A有型号标称的一面朝向自己，从左到右依次为电路图中的1、2、3、4、5。开始由于不了解引脚的正确编号及其作用，我们的团队遭遇了五次失败的打击！2、扬声器扬声器是本电路中重要的元器件之一。它是一种能将电信号转换为声音或将声音转换为电信号的换能器件，这种器件能完成电能和声能的相互转换。 （1）扬声器的种类 扬声器种类繁多，但最常用的是动圈式扬声器（又称电动式）。而动圈式扬声器又分为内磁式和外磁式，因为外磁式便宜，所有本款音频功率放大器选用外磁式的扬声器。其组成有：纸盆、折环、音圈、盆架、防尘罩、音调、磁铁、导磁夹板、场心柱等。 （2）扬声器功率 、阻抗的选择扬声器在电路图中的符号很形象。扬声器上一般都标有标称功率和标称阻抗值。本电路中扬声器选用了功率为5W，阻抗值为4的扬声器。一般认为扬声器的口径大，标称功率也大。在使用时，输入功率最好不要超过标称功率太多，以防损坏。万用表R1电阻档测试扬声器，若有咯咯声发出说明基本上能用。测出的电阻值是直流电阻值，比标称阻抗值要小，是正常现象。 （3）扬声器的工作原理当有音频电流通过音圈时，音圈产生随音频电流而变化的磁场，在永久磁铁的磁场中时而吸引时而排斥，带动纸盆振动发出声音。3、 电位器通过调节接入电路中的电阻的大小进而调节音频信号电流的大小，从而控制音量，简单、方便、快捷。所选方案电路中选用的是2K的电位器。4、 电容 在所选方案电路中，C5为滤波电容，C6为高频退耦电容，C1为输入耦合电容，C4为输出耦合电容，为维持电路的稳定、不失真，以及提高耦合度起了不可替代的作用。5 单元电路设计5.1 音频放大电路该放大电路主要包括：前置放大级、音调控制电路、功率放大电路三个部分组成。（1） 前置放大级音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。前置放大器的主要功能：a、是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；b、是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。如下图5-1所示。图5-1 前置放大电路（2）功率放大电路 功率放大电路的作用是给扬声器提供所需要的输出功率。如下图5-2所示。图5-2 功率放大电路5.2 音调控制电路通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。本电路选择负反馈型音调控制电路。如下图5-3所示。图5-3 音调控制电路6 硬件的制作与调试6.1 电烙铁的使用 1、焊接的注意事项良好的焊接是实验成功的重要保证；反过来说，焊接不良，往往会使实验失败，甚至损毁元器件。虽然焊接技术并不复杂，但如果认为它操作简单而掉以轻心，也会造成种种不良后果。所以应注意以下几点： （1）电烙铁焊接TDA2030A的时候，一定要等电烙铁加热后，拔掉电源插头，用电烙铁的余热焊。否则，温度过高的焊接，会烫坏TDA2030A。 （2）焊接扬声器的时候，一定要将连接电源正、负极的导线分别焊接在扬声器标有“”、“”符号的一端。扬声器的下方还有两个类似焊点的地方，如果错将导线焊在那儿，扬声器就会损坏，不能使用了。 （3）烙铁使用日久后，烙铁头容易被“烧死”，即在表面出现一层黑色氧化物，而且变得凹凸不平。“烧死”的烙铁头很难熔化和沾取焊锡，需用锉刀将它重新挫亮。尽量使用市场上出售的空心焊锡丝，它是将焊锡做成直径24毫米的细管状，在管内装进松香粉。使用这种焊锡丝，能保护烙铁头不易被“烧死”。 （4）使用电烙铁一定要注意安全，使用前用万用表测一下电烙铁电源插头两端的电阻是否为正常值。正常时20w烙铁的电阻约2000，45的为1000，75w的为600，100w的约500。电源插头与电烙铁外壳、烙铁头之间的电阻应接近无穷大，否则说明这把电烙铁漏电，不能使用。 2、电路的连接在连接电路的时候，要严格按照电路图连接电路，也要注意烙铁与电路板接触的时间，不要烧坏电路板。并在联好电路以后进行测量。即使发现问题与改正。6.2 成品的调试功放电路在安装时，要重点考虑TDA2030A的散热问题，应安装相应的散热片。电路在安装无误后接通电源，进行调试。具体调试步骤如下： （1）调试前，应先调试单元电路，然后系统联调。 （2）前置放大电路的调试： 1）静态调试。调节电路零点漂移及消除电路自激振荡。 2）动态调试。加入一定幅度、频率的正弦波，测量相应的输出电压，计算出相应的共模抑制比。 （3）有源带通滤波电路的调试： 1）静态调试。调节电路零点漂移及消除电路自激振荡。 2）动态调试。加入一定幅度、频率的正弦波，测量相应的输出电压、输出波形及幅频特性，求出带通滤波的通频带。 （4）功率放大电路的调试：1）静态调试。将输出端对地短路，观察输出是否为零，有无自激现象。2）动态测试。加入一定1kHz的正弦波，并逐渐加大输出电压幅值直至输出电压的波形出现临街削波时，测量负载RL两端的输出电压值，计算出相应的输出功率。 （5）系统联调。经过以上对各级电路的调试后，就可以对整个系统进行联调。1）静态调试。将前置输出端对地短路，观察输出是否为零，有无自激现象。 2）动态调试。输入1kHz在的正弦信号，改变输入信号的幅值，用示波器观察输出电压波形的变化情况，记录输出电压最大不失真幅度所对应的输入电压的变化范围，从而计算出总的电压放大的倍数。 7 总结 历时两周的课程设计结束了，这给我们带来了不可磨灭的深刻印象，尤其是对于未知的探索，对错误的寻找，这个过程是充满乐趣和成就感的，在连接电路的过程中，遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计，以及在电路连接过程中不可避免的与设计思想相违背，不能出现实验结果的情况，经过对问题的分析及对线路，对实验器材的进一步调试，才一步一步地解决了问题，并最终得出实验结果。在这两周的课程设计中，我的收获是巨大的。第一，在专业知识的理解与掌握上更进了一步，通过对所不理解的专业知识的查找，并最终将其理解掌握，而且融入到设计理念中，这是一个不断成长和成熟的过程。第二，我学会了怎么去做一个设计者，再设计的过程中，我们必须不断提高，必须通过不间断的学习来解决一个又一个难题，更重要的是遇到难题时我们应该抱有一个平淡的心态，以一个寻求答案的，渴望的思想去找到解决问题的方法，最终将问题解决。第三，我明白了怎么去做一个合作者。在一个设计中，一个人的力量是渺小的，只有在小组成员的共同努力下，才能更好的完成任务，达到设计要求，对待不懂的问题要及时询问，竭尽全力得到自己想要的知识。第四，我明白了基本的理论知识和实践设计的差别，好多理论上可以执行的东西有时候是调试不出来的，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是实验设备的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探寻和调试才可以达到目的。第五，在焊接实物电路时，一定要先画出接线图，最好把管脚、正负极性也标上，焊接时一定要检查一下原件安放是否正确了之后才能开始焊接，这样可以减小焊接时出错的概率。焊接结束后，最好再对电路进行一次彻底的检查，看看没有没漏焊的线或是接错的管脚，保证检查无误了，然后再去调试电路。第六，其次，我明白了基本的理论知识和实践设计的差别，这时候就要去自己寻找错误，有时候是电路连接，有时候是实验原件的问题。而且把理论知识运用到实践中时也是一个很大的挑战，需要不断的探索才可以。第七，再次，通过这次课程设计对OTL音频功率放大器的设计与制作,锻炼了我们的实践动手能力，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于OTL音频功率放大器的原理与设计理念，要设计一个电路首先要仿真成功之后才算是进入第一步，初步的参数也才可以开始确立，同时，实际接线结果也不一定与仿真结果完全一致，因为还有很多现实存在的因素是电脑仿真没法考虑进去的，所以也不能完全依赖仿真出来的结果。我知道了很多，也扩展了视野。我也收获很多，我更熟练的掌握使用在这里选用了multisim进行仿真，虽然multisim不是很难学，但由于自己对multisim还没有熟练的掌握，仿真过程中还是会有一定的误差，此外仿真时无法插入音频信号，无法对声音部分的仿真，所以只能对后面部分电路进行仿真。当然，仿真结果失败了也不一定就是完全行不通，因为有些原件有自己的特性的，在现实电路中是可以成功的，因此，这两方面的因素都应该考虑。最后，这次课程设计让我得到了很多在课堂上无法获得的知识，以及解决问题的方法，对我来说，这是一次成功的课程设计，实践，永远是熟练自己知识的最根本的方法。参考文献 1 电工技术/林育兹主编-北京：科学出版社，20062 电工学.下册，电子技术/秦曾煌主编.-7版.-北京：高等教育出版社，20093 模拟电子技术4 电子线路EDA仿真技术5 吕砚山主编，电工技术基础，科学技术文献出版社，19826 谢自美主编，电子线路设计实验测试（第二版），华中科技大学出版社，20007 邱关源.电路原理（五版）.北京:高等教育出版社,20068 曹丙霞.protel原理图设计.北京:电子工业出版社,20079 周开利,邓春晖.MATLAB基础及应用教程.北京:北京大学出版社，200710 张威.MATLAB6.0基础与编程与入门。西安:西安电子科技大学出版社，200711 张智星.MATLAB程序设计与应用。北京:清华大学出版社，2007 附录一：总体电路原理图附录二：元器件清单位号名称规格数量R1,R2,R3,R5电阻100K4R4电阻4.7k1R6电阻221RP电位器2k1C1电解电容4.7uF1C2,C3 电解电容47uF2C4,C5电解电容1000uF2C6,C7独石电容1042D1,D2二极管1N40072IC集成电路TDA2030A1PCB万能板55X50mm1扬声器45w1直流稳压电源12v1附录三：实物图18