984724339《模拟电子技术》课程设计说明书高保真音频功率放大器设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子科学与技术0501班指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 高保真音频功率放大器设计 初始条件： 可选元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源±12V，或自备电源。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表要求完成的主要任务: （1）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、装配与调试。（2）设计要求 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率>60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日BTL音频功率放大器设计1设计课题 高保真音频功率放大器，完成对功率放大器的设计、装配与调试。1.1功放简介功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。目前市场上车用功率放大器的种类很多，分类方法也比较复杂。最常见的是按照工作方式分为：A型、B型和AB型。A型是指放大器每隔一定时间收集一次主机传输过来的音频信号，并将其放大后传输给扬声器，而这一过程中的“缓冲作用”保证了系统能够输出温和、平顺的声音信号，不足之处处在于消耗的能量较大。B型功率放大器则是取消了前面所说的“缓冲作用”，放大器的工作一直处于适时状态，但是音质方面较前者就要差了一些。AB型放大器，实际上是A型和B型的结合，每个器件的导通时间在50-100之间，可以称得上是当前比较理想的功率放大器。选择功率放大器的时候，首先要注意它的一些技术指标：1、输入阻抗：通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在5000-15000，数值越大表示抗干扰能力越强；2、失真度：指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好，一般在0.05以下；3、信噪比：是指输出信号当中音乐信号和噪音信号之间的比例，数值越大代表声音越干净。另外，在选购功率放大器的时候还要明确自己的购买意愿，如果您希望加装低音炮，最好购买5声道的功放，通常2声道和4声道扬声器只能推动前后扬声器，而低音炮只能再另配功放，5声道功放就可以解决这个问题，功率放大器的输出功率也要尽量大宇扬声器的额定功率2设计内容与要求 输出功率10W/8；频率响应2020KHz；效率>60；失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。3设计思路与方案3.1设计思路经过一期的学习，我学了各种放大电路及其组合形式。由于所选器件和组合形式的不同，不可避免地要造成诸如输入阻抗、频响、失真、信噪比等方面性能的指标差异，并且最终以音质方面的差异体现出来。因此我就学习的知识和实践结合考虑了一下几种方案。3.2设计方案 3.2.1甲类放大器输入音频信号前置放大级电路共射-共基电路共射-共基电路恒压源电路推动级反馈电路至末级功放沃尔漫电路 前置放大电路框图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。所以对猝发性声音瞬间升降能迅速反映。因而输出功率发生急剧变化时，电源电流变化微乎其微。由这种强大的驱动者来推动扬声器就能轻而易举的获得高保真的重放效果。为了能得到好的音质,在设计时,我采用了前后级分离。前置低放和末级功放完全分离,甚至分开供电。电路的方框图如图1所示。3.2.2乙类双电源互补对称功放在右图示电路中，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管。静态时，两管的ICQ=0；有输入信号时，两管轮流导通，相互补充 。既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率。 互补对方的不足，工作性能对称， 所以这种电路通常称为互补对称电路。因为输出信号是两管共同作用的结果， 所以将T1、T2合成一个能反映输出信号和通过负载的电流的特性曲线。合成时考虑到：（1）vi=0时,VCEQ1=Vcc ， -VCEQ2=Vcc， 因此 Q1=Q2 。（2）由流过RL的电流方向知ic1与ic2方向相反。即两个纵坐标轴相反。（3）特性的横坐标应符合：vCE1+vEC2=Vcc-(-Vcc)=2Vcc vCE1的原点与-vCE2=2Vcc点重合；-vCE2的原点与+vCE1=2Vcc点重合。由以上三点，得两管的合成曲线如图所示。这时负载线过Vcc点形成一条斜线，其斜率为-/RL。显然，允许的iC的最大变化范围为2ICm，vCE的变化范围为2（VCC-VCES）=2Vcem=2IcmRL。如果忽略BJT的饱和压降VCES，Vcem=IcmRLVCC。3.2.3 BTL集成功放用两块TDA2030 组成如图1所示的BTL功放电路，TDA 2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1馈入同相输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3 / R2R3 / 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。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 后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益KVCR9 / R7/R5R9/R730dB。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，即： U01Uin·R3 / R2 U02U01·R9 / R5 R9R5 U02 U01 因此在扬声器上得到的交流电压应为： êUYç U01 -（ -U02） 2U01 2U02扬声器得到的功率 PY 按下式计算： PY 4 PMONO方案一，二采用大量的导线与电容，增加制作成本，并且导线太长容易使得结果误差更大，连线太多也影响视觉效果；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，且数字D BTL功放输出功率大，抗干扰小，噪声低，关键是容易制作成功，选用此方案。4单元电路的设计与选择4.1电源电路1）交流降压电路。稳压电源额定输出电压为24V，因为调整管必须有一定的压降，交流输入电压e选择为12V，由电源变压器T将220V交流电压降压为交流12V。稳压电源最大输出电流为600mA，考虑到一定的损耗，T采用40W的电源变压器变压器的功能，就是将交流220V电压转换为所需要的电压并稳定输出。图中，左边交流220V端为输入端，右边12V端为输出端，信号处理流程方向为从左到右。4.2降压整流电路将变压器输出的符合电压要求的交流电变换为所需数值的直流电。常用的整流电路主要有：半波整流、全波整流及桥式整流等。相对于半波整流相，全波整流二极管交替导通，其输出电压纹波明显减小；而桥式整流电路是全波整流电路的一个变形，其输出电压波形与全波整流电路相同，但加在变压器次级线圈上的电流变为了极性正负交替的脉冲电流，其性能更加优越。本设计中采用性能优越的桥式整流电路。4.3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馈入同相输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3 / R2R3 / 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。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 后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益KVCR9 / R7/R5R9/R730dB。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4.4元件的选择BTL电路元件清单（单声道）电容：1F×1     22F×2    0.22F×2    2200F×2    0.1F×2    电阻: 22K×5    680×2    11W×2        二极管:1N4001×4     1N4004×4  电位器: 22KTDA2030极限参数：参数名称极限值单位电源电压(Vs)±18V输入电压(Vin)VsV差分输入电压(Vdi)±15V峰值输出电流(Io) 3.5A耗散功率(Ptot)(Vdi)20V工作结温(Tj)-40-+150存储结温(Tstg)-40-+150使用TDA2030的注意事项：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脚上的脉冲串维持的规定的幅度内。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。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。 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。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。 虽然TDA2030所需的元件较少，但需要的都是高品质的。一定要选择满足设计要求的参数，这是至关重要的。（1）根据具体的电路图计算电路参数。（2）选取元件、识别和测试。包括各类电阻、电容、变压器的数值、质量、电器性能的准确判断、解决大功率放大器散热的问题。（3）了解有关集成电路特点和性能资料情况5安装与调试5.1安装注意：将输入电位器调到最大输入的情况。测量允许的最大输入信号和最大不失真输出功率。测量条件：（1）直流电源电压12V,负载电阻为8。（2）直流电源电压10V,负载电阻为8。测量上、下限截止频率fh和fl,直流电源电压12V,改变输入信号频率、负载电阻为8。测量电压增益：条件：直流电源电压14V,输入信号1KHz,输出负载为8。由于本实验最终选择了方案二作为重点研究对象。因此在连接电路板前先根据图2）选购合适的元件两份以备损坏。按照电路图2）在模拟电子综合实验箱上连接电路。根据实验原理分析各个故障并排除。故障的不断出现和排除后固定了各个元件及其参数，对照原理图将元件安装在电路板上，检查元件位置是否正确。检查无误后，用电烙铁将每个元件用焊锡焊牢，保证每个元件不虚焊。在焊元件时根据不同元件耐热性能尽量减少焊接时间。焊接完毕后用万用表检查是否断路和短路，焊接中尽量对各个点对应起来，负责整个实验将很难成功。5.2调试先安装电源电路，再安装功率放大电路。安装一级，调试一级，先调试电源电路，接好线路，用万用表观察输出电压是否满足要求，若不满足，则观测整流器是否正常工作。在接好功率放大电路，选择一个符合输出功率的扬声器，观测扬声器是否正常工作。若不，则观察有关，功放的线路是否接错，各个引脚是否接错。经过逐步调试，使整个电路正常工作。6心得体会通过这几天的课程设计和实际操作，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。所以，一开始，我遇到了很多麻烦。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。总的说，通过本次功率放大器的设计，真正体验到了一个设计从前期的找资料到后来的制板，自己焊接，自己调试这样一个一个完整的设计过程。在这个过程里将以前所学的知识进行了综合的运用，发现了自己很多不足的地方，理论知识与实际应用之间的距离也充分的体现了出来。当然，更多的是学到了很多的东西，为以后的设计打好基础7.1参考文献1 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础.北京: 高等教育出版社, 1989 2 吴文波. 高保真音响设计制作.北京: 电子工业出版社,2000,33 范志庆，操建华.高品质前级放大器的设计与制作. 无线电，2002，5：45-474郝宏安、徐红媛编 555集成电路实用大全上海科学普及出版社 2003年9月5.陈光梦编著 模拟电子学基础 复旦大学出版社 2005年3月6刘修文主编 图解电子技术要诀 中国电力出版社 2005年6月版