课程设计报告高保真音频功率放大器要点.pdf

1 题目名称：高保真音频功率放大器 姓名：朱* 班级：测控 112 学号： 日期：2013年*月*日 2 模拟电子电路课程设计任务书 适用专业：测控技术与仪器、电子信息工程、电气工程及其自动化 设计周期：一周 一、设计题目：高保真音频功率放大器的设计与调试 二、设计目的 音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的 输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz 20 kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响 应。 音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高。非线性 失真尽可能小。 三、设计要求及主要电路指标 设计要求：设计并仿真高保真音频功率放大器。 1、方案论证，确定总体电路原理方框图。 2、单元电路设计，元器件选择。 3、仿真调试及测量结果。 主要电路指标 输出功率10W/8，频率响应2020KHZ ，效率 60，失真小。 四、仿真需要的主要电子元器件 1、运算放大电路 2 、BJT 三极管 3、滑线变阻器 4 、电阻器、电容器等 五、设计报告总结（要求自己独立完成，不允许抄袭）。 1、 对所测结果进行全面分析，总结消除交越失真的办法。 2、 分析讨论仿真测试中出现的故障及其排除方法。 3、 给出完整的电路仿真图。 4、 体会与收获。 3 一、方案论证与比较 1.1 方案提出 方案一： 甲类放大器作为一种最古老，效率最低，最耗电，最笨重，最耗资，失真最小的放大器它有吸引人 的音质。 甲类放大器输出电路本身具有抵消奇次谐波失真，且甲类放大器管子始终工作在线性曲线内，晶体 管自始自终处于导通状态。因此，不存在开关失真和交越失真等问题。甲类放大器始终保持大电流的工 作状态。 方案二： OCL互补对称功放电路一般包括驱动级和功率输出级，前者为后者提供一定的电压幅度，后者则向 负载提供足够的信号频率，以驱动负载工作。 驱动级应用运算放大器A741来驱动互补输出级功放电路。功率输出级由双电源供电的OCL互补 对称功放电路构成。为了克服交越失真，由二极管和电阻构成输出级的偏置电路，以使输出级工作于 甲乙类状态。为了稳定工作状态和功率增益并减小失真，电路中引入电压串联负反馈。 具体实现： （一） 驱动级电路的一般实现 驱动级由运算放大器组成，并引入电压串联负反馈，带负反馈的驱动级的一般实现图如下： 图 1 驱动及电路 在实际电路中加入R1、R2 和电位器Rp1来改变电路的放大倍数。 4 （二） 复合管准互补推挽电路的一般实现电路 由于大功率的NPN和 PNP管不容易做到良好的对称性，为了提高功放电路的性能。在实际应用中广 泛采用复合功率管。 如图 2为复合管准互补对称功放电路 图 2 复合管准互补推挽电路 （三） 输出保护电路的一般实现 输出保护电路如图3 所示是一个三极管式正、负向直流电压检测电路。对其原理作简要说明。 图 3 输出保护电路 方案二： 该方案用两块TDA2030组成如图4 所示的 BTL功放电路， TDA 2030（上）为同相放大器，输入信号 Vin 通过 2.2uF 交流耦合电容馈入同相输入端1 脚; TAD 2030 （下）为反相放大器，它的输入信号是由 TDA 2030（上）输出端的 01 U 经 22k、680分压器衰减后取得的，并经22uF 电容后馈给反相输入 端 2 脚。两个功放管的输出信号相位相反，使输出电压加倍。 在输入信号比较小的情况下，利用集成功率放大电器对信号的放大作用对信号进行处理，集成功率 5 放大器性能稳定，特别是TDA2030A ，它是最常用的音频集成功放，性能十分优良，输出功率大，为了 达到设计要求（输出功率10W） ，使用两块TDA2030A组成 BTL 电路，它的功率要比OTL 电路增大 23 倍， TDA2030A 属于经济型集成，使用方便。电路设计采用阻容耦合方式，体积小，重量轻，频率 响应好，各级静态工作点独立。 TDA2030A 集成电路的特点是输出功率大，而且保护性能比较完善，当输出电流过大或管壳过热， 集成块能自动的减少电流或转为截止，实现自我保护，使电路更加完善。 图 4 BTL功放电路 1.2 设计方案的论证和选择 对于方案一，甲类放大器通常需要偏置电压才能工作，放大输出的电压幅度不能超出偏置范围，所 以能量转换效率很低，理论上最高不超过50% ； 对于方案二，电路较复杂，设计所需要的原件种类多，这样使设计过程中存在诸多变化因素，致使 所做出来的电路音频放大效果不好，而且在选电路前用multisim进行仿真模拟也出现较大的问题。 对于方案三，比较简练，一目了然，思路清晰，并且采用比较少的电容，采用可调电阻使得结果更 为精确，且BTL 功放输出功率大，抗干扰强，噪声低，关键是容易制作成功。本设计旨在用集成设计 高保真音频放大电路，扬声器选择的是10W/8 ，并确保输入信号在20HZ20KHZ不失真；输出功率 尽可能的大；效率更高，非线性失真要小； 由于功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，但随着消费的不断提升， 人们对音响的要求也越来越高，所以减小失真就是设计的主要任务。 6 元件的选取方面， 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， 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± 14V ，负载电阻为4时输出14 瓦功率（失真度05） ；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。而且此电路采用的是性能十分优良的TDA 2030 功率 放大集成电路， 且其外围电路简单，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，对于第一次做课程设计的我们不失为一个较好的选择。 综上，最后选定方案二。 二、系统的功能及设计框图 2.1 系统的全部功能、要求及技术指标。 音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输 入音频信号。 音频频率范围约为20 Hz20 kHz ， 因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应。 音频功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高。 非线性失 真尽可能小。 音频功率放大器的特点： （1） 输出功率足够大 为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。 （2） 效率要高 功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。 （3） 非线性失真要小 功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特 7 性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器 比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。 功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL 互补对称功放电路，单电源供电的OTL 功放 电路， BTL 桥式推挽电路和变压器耦合功放电路，等等。 本设计旨在用集成设计高保真音频放大电路，扬声器选择的是10W/8 ，并确保输入信号在 20HZ20KHZ 不失真；输出功率尽可能的大；效率更高，非线性失真要小； 由于功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，但随着消费的不断提 升，人们对音响的要求也越来越高，所以减小失真就是设计的主要任务。 元件的选取方面，由于TDA2030A 集成电路的特点是输出功率大，而且保护性能比较完善，当输 出电流过大或管壳过热，集成块能自动的减少电流或转为截止，实现自我保护，使电路更加完善。 2.2 确定设计框图（系统包含的单元电路及结构）和总体设计方案 电路的总程序框图如下： 图 5 电路总程序框图 先将音频信号输入到功率放大器中，再经过功率放大器的放大输出信号（先经过同相放大器，再经 过反相放大器） ，同时存在负反馈电路对输出的信号进行反馈，从而起到自动调节输出作用。 方案设计电路图如图6 所示： 8 图 6 方案设计电路图 该电路用两块TDA2030 组成入上图所示的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 输入放大器的同相输入端，交流闭环增益为Kvc=1+R3/R2 R3/R230dB。 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）输入端的U01 经 R5,R7 分压器衰 减后取得的，并经过电容C6 后反相输入端，它的交流闭环增益Kvc=R9/R7/R5 R9/R730dB。 由 R9=R5，所以 TDA2030 （1）与 TDA2030 （2）的两个输入信号U01 与 U02 应该是幅度相等相 位相反的，即： 9 U01Uin?R3/R2 U02 -U01?R9/R5 R9=R5 U02=-U01 因此在扬声器上得到的交流电电压应为： Uo=U01- （ -U02）=2U01=2U02 扬声器上得到的功率PY 按下式计算： PY=Uz2/Rl=(2U01) 2/Rl=4(U01) 2/Rl=4PMONO BTL 功放电路能把单电路功放的输出功率（PMONO ）扩展 4 倍，但实际上却受到集成电路本身功耗 和最大输出电流的限制，该电路若在Vs=±14V 工作时， PO=28W 。 2.3 单元电路的分析与设计： （1）反馈电路： 引入反馈后，如果输出电压（或电流）增大，则反馈信号也增大，结果使净输入信号减少，输出也 趋于减小，从而起到自动调节输出作用。 由于放大电路中存在非线性器件（三极管，场效应管等），所以即使输入信号Vi 为正弦波信号，输 出也不可能是标准的正弦波，而会产生一定的非线性失真。引入负反馈后， 非线性失真将会减小。 假设一放大器在没加负反馈之前通频带BW=Hf-LfHf,引入负反馈后，放大器的通频带BW F =BWAF,这说明引入负反馈后，放大器的通频带扩展了（1+AF ）倍，负反馈具有稳定闭环增益的作用， 因而对于频率增大（或减小）引起的增益下降，具有稳定作用。 （2）功率放大电路： 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 1R3 / 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。 TAD 2030 （2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA 2030 （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 R9 / R7/R5R9/R7 30dB。由 R9R5，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。 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，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。 10 三、 系统仿真调试分析 3.1 软件仿真原理图 软件仿真原理图如图8 所示： 图 8 原件仿真原理图 11 3.2 模拟仿真过程 利用图8 所示仿真电路图进行电路进行了下列电路测试及调试。 （1）开始时输入1V， 600HZ 的正弦波时，输出波形出现了严重失真。波形如下图所示。 图 9 12 输出失真波形图 （2）于是继续调节，不断减小电压值，调整输入1V ，600Hz 为 230mV ，600Hz 的正弦波时，输出曲 线不再失真，而功率值也达到了要求的10W 值。波形如下图所示。 图 10 输出未失真波形图 13 3.3 各项指标测试 （1）当输入0.38V ，600HZ的正弦波时， 达到最大不失真电压，且达到最大功率。 输出波形如下图所示： 图 11 输出最大功率波形图 14 从仿真可以看出，该电路图的设计是成功的，达到了设计要求，输入交流电压为0.38 伏时，可以 使功率最大达到27W。 （2）为得到最小频率，慢慢减小输入的频率，直到波形刚出现失真，当输入0.23V，15HZ的正弦波时， 达到最小不失真频率，输出波形如下图所示： 图 12 最小不失真频率波形图 15 （3）为得到最大频率，慢慢增大输入的频率，直到波形刚出现失真，当输入 0.23V，20KHZ的正弦波时， 达到最大不失真频率，输出波形如下图所示： 图 13 最大不失真频率波形图 16 四、结语 这一次模电课程设计做完之后收获很多。因为之前对仿真完全不会，只是听说过，不会用。 虽然花 了一些时间去学习它的用法，但在这个查资料自学的过程，感觉挺不错的。 觉得这个仿真软件真是好玩， 真后悔在刚开始学模电的时候就应该学着用multisim ，用这个软件可以提高学习兴趣，还可以加深我们 对理论的理解，是个好软件，以后学习一定要主动，不能再被动了，这也是课设的目的吧！ 这次课程设计的学习，学到了很多关于电路理论方面和时间方面的知识，受益匪浅。 从中不仅锻炼 了自己的动手能力，也加深了对音频功能功率放大器方面知识的理解。 们最先要做的是绘制一份合理的高保真音频功率放大器的电路原理图，在这过程中我根据各种元件 的用途，型号及实际应用效果，查找了许多有关这方面的资料，也观察分析了许多功率放大器的电路图， 学会了如何绘制一张实际的功率放大器的电路原理图。 期间我发现了很多问题，经过反复思考分析，发现原来许多理论的功率放大器原理图与实践有很大 的区别， 我耐心的一个个对原理图进行分析，最后我确定了自己的合理原理图，进行了分析和元件参数 的一定程度的修改，最后确定了实际功率放大器的元件参数。 通过者集体那的短暂学习，让我体会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造 因为实际与理论有很大的区别。在我们的学习过程中，不考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验 了我们的细心和耐心。 完成这次课程设计，我觉得收获很多，不但进一步掌握了知识，还提高了自己的设计能力以及动手 能力。更多的是看清了自己，明白了凡是需要耐心，时间是检验真理的标准。 五、参考文献 1 吴友宇模拟电子技术基础北京：清华大学出版社，2009。 2 康华光 . 电子技术基础.北京：高等教育出版社, 2006 年 01 月。 3 吴慎山 . 电子线路设计与实践高等学校电子信息类教材. 电子工业出版社, 2005 年 09 月 。 4 金凤莲 . 模拟电子技术基础实验及课程设计，北京：清华大学出版社，2009 年 09 月。5 王 远. 模拟电子技术. 北京：机械工业出版社，2000 年 10 月。