《模拟电子技术基础》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 0803 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。直流电源±12V可用仪器：示波器，万用表，毫伏表，万用表要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）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。3 时间安排：1、2010年1月18日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、2010年1月19日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。3、2010年1月20日至2010年1月21日，焊接电路、调试和设计说明书撰写。4、2010年1月22日下午课程设计成果及报告，同时进行答辩。课设答疑地点：鉴主13楼电子科学与技术实验室。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要1 绪论 12 设计要求及思路 2 2.1 设计题目2 2.2设计任务2 2.3设计要求2 2.4设计分析2 2.5设计思路33 调试软件介绍6 3.1仿真软件的介绍6 3.2仿真软件的优点及应用范围6 3.3仿真软件版本74 电路原理图 8 4.1原理框图 8 4.2工作原理论述8 4.3电路原理图9 4.3.1 理论分析10 4.3.2 具体数值计算 105 仿真部分 116 心得体会 14参考文献 15附录：元件清单16摘要本文介绍利用三极管的电压控制作用，并将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流，主要是阐述如何使用集成功放TDA2030制作高保真音频功率放大电路。利用两个对称正相、反相集成功放的平衡桥式电路使得整个电路的输出功率更大，电源的使用效率更高，并且TDA2030集成功放上升速率高、瞬态互调失真小、保护性能以较完善、外围电路简单，使用方便。同时在电路中加入了几个电位器实现对输出功率可调。使功放的实用性更强！关键词：TDA2030 集成功放Abstract This article describes the use of transistor voltage-controlled role, and the power supply of the power conversion in accordance with the current changes in the input signal is mainly described how to use the integrated production of high-fidelity audio power amplifier TDA2030 power amplifier circuit. The use of two symmetric normal phase, reversed the balance of power amplifier integrated circuits makes the whole circuit bridge output power greater use of more efficient power supplies, and rising rates of high-power amplifier TDA2030 integrated, transient intermodulation distortion, protection performance in order to better, the external circuit is simple, easy to use. At the same time in the circuit by adding a few Potentiometer adjustable output power. So that the usefulness amplifier stronger!Key words: TDA2030，Integrated Amplifier绪论功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有数控机床的电机驱动，有应用于新型磁轴承开关，也有在电力电子控制技术种的应用。在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。但所有的功率放大器，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固四年来所学的知识，在实践中锻炼自己，在锻炼中提高自己专业水平。功率放大器的历史很悠久，常被认为是个很老的课题。甲、乙、甲乙类丙类的划分方传可以追溯到上世纪30年代，现今这样的概念仍然被广泛使用。然而，随着现代通信体制的发展，特别是数字调制技术的产生和应用。功率放大器所涉及的许多概念正被重新定义或者修正。现代功率放大器设计中，引入了很多过去没有的概念和技术。功率放大器的设计考虑的因素越来越多，设计中折衷考虑的过程也越发复杂。随着计算机技术和DSP技术的发展，设计过程也和传统方法大相径庭，引入了建模、仿真等新工具。并且出现了很多新的电路方案，例如:结合DSP技术的反馈技术，卡特生环等。功率放大器发展至今，己经广泛的应用于军用，民用通信，工业控制，生活享受等各领域。相应的功率放大器研究也成了未来的趋势和热点2 设计要求及思路2.1 设计题目：高保真音频功率放大器的设计与实现 2.2 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、装备与调试。 2.3设计要求：在8扬声器的负载下，达到10W的输出功率；频率响应20-20KHz；效率>60%；失真小。2.4 设计分析：2.4.1音频功率放大器的作用是使输入信号的音量和功率在输出元件上重新产生高功率低失真的音频信号。音频频率范围约为2020KHz，所以要求此功率放大器在2020KHz的频率范围内有良好的频率响应。输出的功率尽可能大（约10w左右），电源的使用效率高，尽可能减小非线性失真。（1）输出功率较大：要求功放管的输出电压和电流较大，而且输出信号没有失真；（2）电源使用效率高：功率放大器的效率=负载上得到的功率/电源提供的直流功率，所以应该使输出功率尽可能大，以提高电源的使用效率；（3）非线性失真小：功率放大器是在较大信号下工作的电子元件，输出电压、输出电流变化幅值很大，很容易使输出信号超过功率管的线性工作范围，进入非线性工作区，导致输出信号失真。因此控制功放工作在线性区域，是本次设计任务的一个难点。2.4.2 根据放大电路静态工作点在交流负载线上所处的位置不同，可将放大管的工作状态分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四种。其中丙类工作状态的输出功率和效率最高，单是丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大。甲类工作方式是将静态工作点取在交流负载线的中点，使放大电路的工作状态始终在线性工作区，但甲类负载的功率放大电路电源使用效率最高只有25%，不满足设计要求，不可取。乙类工作方式是将静态工作点移到横轴上，单是乙类工作电路的导通角为180°波形严总失真，不满足设计要求。所以我选择的是甲乙类工作方式。2.5设计思路：2.5.1 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 2-1 OTL电路图 图 2-2 OCL电路及波形 OTL(Output Transformerless load power amplification circuit,无输出变压器的功率放大电路)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：（1）输出端直流电位为电源电压的一半；（2）输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；（3）具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4、8、16之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2 Vcc，额定输出功率约为（Vcc* Vcc） /(8RL)。OCL(Output capacitorless power amplification circuit,无输出电容的功率放大电路)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4、8或16负载；最大输出电压振幅为正负电源值，额定输出功率约为（Vcc * Vcc ）/(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 （Vcc * Vcc）/(8RL)。                         BTL（bridge-tied-load power amplification circuit）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、 图2-3 BTL功放电路OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL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。为了使负载（10w/8）得到较高的输出功率，充分利用系统电源，增加电源的使用效率。我们决定选择BTL电路图 图2-3 BTL功放电路 2.5.2 芯片选择我们选取的芯片为TDA2030A芯片。TDA2030A芯片：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。该电路可供低频课程设计选用。 图2-4 TDA2030 实物图最终，我们选择的原理图为，tda2030aBTL功放电路图。3 调试软件介绍3.1仿真软件概况Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。3.2 仿真软件的优点及应用范围通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3.3 仿真软件版本这次课程设计，我们用的是multisim 10对电路进行仿真。应用Multisim 10对电路进行仿真分析的基本过程与PSpice类似，只是在绘电路图时还需要接入所需要的仪器仪表，构成完整的实验电路。Multisim为用户提供了数量众多的元器件，被分门别类地存放在多个器件库中。在绘制电路图时只需打开器件库，再用鼠标左键选中要用的元器件，并把它拖放到工作区即可。当光标移动到元器件的引脚时，会自动产生一个带十字的黑点，进入到线性状态。单击鼠标左键确认后，移动鼠标即可实现连线，搭接电路原理图既方便又快捷，就像在计算机上进行实验一样。4 电路原理图4.1 原理框图输入音频信号TDA2030（1） 输出TDA2030（2）U1负反馈反向输入负反馈图4-1 4.2 工作原理论述功率放大器用两块集成功放TDA2030组成 ，TDA2030（1）为同向放大器，输入信号通过功放管的同向输入端输入，其电压放大倍数由反馈网络决定。TDA2030（2）为反向放大器，其输入信号由TDA 2030（1）输出端经过分压器衰减后取得后反馈给TDA2030(2)的反相输入端。两个功放管的输出信号相位相反， 使输出电压加倍。工作原理: 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KVC1R4 / R6R4/ R626dB。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KVC26dB。由电路的对称性，知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 / R2U02U01·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：4.3 电路原理图图4-24.3.1 理论分析直流电源VEE和VCC两端的接地电C5、C1和C6、C2是用来作为退耦电容的。直流电源成分不只有直流电，还有交流电，在直流电源的的输出端加上电容可以使直流电中的交流成分对地端接，使输入功放管的是较好的直流电；U1为同相放大器，通过引入电压串联负反馈到U1的反相输入端，实现对输出电压放大倍数的控制，U2为反相放大器，它由U1的输出端电压信号，经过R12、R7分压衰减后输入到反相放大器的反相输入端，再加上负反馈实现电压增益的控制；C4、R9和C3、R8作为消除喇叭网络和TDA网络之间的影响的，减少音频输出信号的干扰；R1，R2起到对称作用； 可以通过调节电位器R4、R11、R12的大小来控制功率放大器的电压输出幅度，从而实现输出功率可调。 4.3.2 具体数值计算 因为运用的是双TDA2030，可以使输出功率提高为单个放大器的四倍即：P=4P=10w 为了使输出功率大约为10 w，负载为8，所以对于单个放大器的输出电压有 若取 根据对称性 所以 R11、R12 也取18k根据输入信号中的高低频交流信号分别取C1=0.1F C5=100F由于电路的对称性C2=0.1F C6=100FR1=R5=10K 输出端的电、容有滤波作用，查阅资料知C3=C4=0.22F R8 R9为限流电阻 可取R8=R9=25 仿真部分 图5-1第一次输入0.8V 500Hz的信号时，输出波形出现严重的失真，如图5-1。于是我逐渐减小输入信号的幅值，当输入交流信号的幅值为0.32V时，输出波形达到最大不失真（如图 5-2），但是输出的功率还比较大；图5-2通过调节电位器的大小，改变电压电路的电压放大倍数，使输出达到10 W左右，如图 5-3所示。图5-36 心得体会课程设计心得体会：(1)这次课程设计是我进入大学以来做的第一个课程设计，在这过程中使我学到了很多东西，让我受益匪浅。(2)设计一个完整的电路，需要考虑 它各部件之间的作用，并根据功能要求和设计要求认真选取电子元件。重要的事还要考虑到整个电路的安全性、可行性、实用性等。通过课程设计提高了我分析电路的能力；(3)另外，我学会了使用multisim电路仿真软件。虽然，到现在为止，我也只会该软件的部分功能，但这也我们得设计过程带来了很大的便利，用它可以随时对电路进行修改并仿真调试，减少了设计过程中的盲目性，不仅学习了专业知识，还学会了在电脑上绘图，收获不少啊！(4)通过自己动手做实物，是我认识到自己的知识水平的不足，真正体会到平时所学都是理论上的东西，与实际较远。通过设计电路，加深了我对于理论知识的理解，是我的知识体系有理论向实际转向。特别是在调试电路的时候理论与实际相结合，实际中的问题远远多于理论。总之，通过这次课程设计，加深了我对所学知识的认识，提高了自己的动手能力。在这个过程中老师和同学给了我很大的帮助，在此向他们表示感谢。 参考文献1胡宴如模拟电子技术M高等教育出版社，2000，82吴友宇模拟电子技术基础北京：清华大学出版社，2009.3 胡宴如高频电子线路M高等教育出版社，1998，5.4 方建中高频电子实验M. 浙江大学出版社，2001，1 .5 张庆双电子元件的选用与检测M.机械工业出版社，2002，8.6 美divid Comer，Douald Comer电子电路线路M西安：电子科技大学出版社，2004.7 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，2009.9元件清单 序号名称型号规格位号数量1集成功放TDA2030U1、U222电解电容50V2.2uFC113电解电容50V22uFC6、C724电解电容35V100uFC2、C425瓷片电容CT224C8、C926瓷片电容CT104C3、C527电阻10KR1、R228电阻680R4、R629电阻2R7、R8210电位器50KR3、R5、R7311扬声器10W8RL112耳机扩头113散热片YK252附表姓 名廖 文 龙性 别 男专业、班级电子0803班课程设计题目： 高 保 真 音 频 功 率 放 大 器 设 计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日