《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.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 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。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I绪 论11设计内容及要求21.1 设计目的及主要任务21.1.1设计题目21.1.2 设计目的21.1.3 设计任务21.1.4主要技术指标21.2 设计思想32.电路特点分析、方案论证和确定32.1 电路特点分析32.2 方案论证42.2.1 方案一42.2.2 方案二62.3 方案确定73.电路设计、参数计算及器件选择83.1.电路设计83.1.1设计电路图83.1.2元件的选择83.2参数计算93.3核心元件TDA2030103.3.1TDA2030简介：103.3.2实物参照113.3.3电路特点：113.3.4引脚情况：123.3.5注意事项：124.仿真134.1仿真软件简介134.1.1Multisim公司概况134.1.2 multisim 10概述134.2电路仿真154.2.1仿真电路图154.2.2仿真调试过程155.实物展示176.课程设计心得体会18参考文献19元件清单20设计原理图21摘要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。关键词：高保真音频放大、BTL电路、TDA2030A AbstractThis is designed to use integrated design high-fidelity audio amplifier, speakers chose 10W/8, and to output power as input signal without distortion at 20HZ 20KHZ; ensure that efficient, non-linear distortion much as possible large; should be small; due to power amplifier circuit is in the large-signal work, it will inevitably produce non-linear distortion, but with consumption rising, people are getting higher and higher demands sound, it is designed to reduce distortion the main task. Component selection, since the TDA2030A integrated circuit is characterized by high output power, and the more perfect protection performance, when the output current is too large or shell overheating, Manifold can automatically reduce the current or to cut-off to achieve self-protection, so that the circuit more perfect. Key words: high-fidelity audio amplification、BTL circuit、TDA2030A 绪 论 随着科学技术的发展，电路技术日益显示出其重大的作用。工农业生产，科学研究，商贸金融，社会管理及至人们的日常生活等都离不开电路技术。机械，材料，信息，微电子，生物，能源，测控，仪器仪表，航天，海洋等几乎所有的科学和技术领域都与电路技术密切相关。因此掌握一定实用电路知识，不仅电专业人员的需要，而且是几乎所有专业人员和使用者的需要。 经过对电路，与今年的模电知识的学习，掌握了基本逻辑电路的组成，及基本电路元件的功能，设计和工作原理，使自己具有基本的电路设计技能，通过自己查找文献，设计了音频放大器电路，要想提高音质和音量，就要使用音响放大器，因为主机电压相当低，在低电压条件下工作，信号动态范围小，所以输出功率受到限制，易产生失真，放大器在内部使用开关电源将电压升高，这样信号动态范围放大，从而功率增强，是信号正常输出。 随着时代的进步，人们对电子产品的需求量的增加的同时，对质量的要求也日益剧增,现如今的MP3,MP4,车载音响.都需要音频放大器的工作，并且是性能优良的工作，这就使得产商生产高保真音频的愿望更加强烈。 1设计内容及要求1.1 设计目的及主要任务1.1.1设计题目高保真音频功率放大器的设计与制作1.1.2 设计目的（1）学会根据已学知识设计具有某一特定功能的电路；（2）学会基本电路的组装与调试；（3）通过实践进行电路故障的排除及加强对所学知识的理解。1.1.3 设计任务（1）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。（2）完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。1.1.4主要技术指标（1） 输出功率10W/8频率响应2020KHz效率>60失真小（2） 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）（3） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。1.2 设计思想 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。2.电路特点分析、方案论证和确定2.1 电路特点分析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。 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。2.2 方案论证2.2.1 方案一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。输入音频信号驱动级运算放大器电路负反馈电路末级功放电路OCL互补对称功放电路输 出电 路输出级偏置电路图1 方案一设计电路框图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2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。（二）复合管准互补推挽电路的一般实现电路图由于大功率的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3称准互补对称功放电路图3 图3（三）输出保护电路的一般实现输出保护电路如图4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4 扬声器保护电路2.2.2 方案二 输入音频信号功率放大器负反馈电路输出音频信号图5方案二设计框架图 图6 方案二设计电路图 该方案用两块TDA2030组成如图6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 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。2.3 方案确定方案一，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。对于方案二，电路图取自本专业模拟电子技术课程教材上P151，只需对相关电阻进行改良即可，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。3.电路设计、参数计算及器件选择3.1.电路设计3.1.1设计电路图图7 3.1.2元件的选择（1）电容：,愈大，低频特性愈好，但太大了也会带来一些不利影响，如电容大，一般漏电电流大；耦合电容隔直作用下降；旁路电容大，漏电流大，温度稳定性也差。另一方面，当电容耐压一定时，电容器将与电容体积成正比，电容体积增大它与地之间的分布电容也增大，使放大器高频特性变坏。（2）电阻： 是放大器电路中的负反馈，在电路中引入交流反馈后：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=-,引入负反馈后，放大器的通频带=,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。另外，我所设计的电路中可以通过调节电位器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。3.2参数计算 因为本设计运用的是双TDA2030，可以使输出功率提高为单个放大器的四倍即：P=4 因为 P=10W 可求得 由于设计电路要求输出功率大约为10W，负载为8 所以对于单个放大器的输出电压有 可以取 根据对称性可求得 也取18k 由 根据输入信号中的高低频交流信号分别取=0.1F ,=100F据电路的对称性可得 =0.1F =100f =10K 输出端的电容有滤波作用，查阅资料知 =0.22F 为限流电阻 可取=23.3核心元件TDA20303.3.1TDA2030简介： 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。3.3.2实物参照 图八图93.3.3电路特点：（1）外接元件非常少。 （2）输出功率大，=18W(=4)。 （3）采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。 （4）开机冲击极小。（5）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、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。（6）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 分或小型功放再合适不过了。3.3.4引脚情况： 1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端3.3.5注意事项：（1）TDA2030A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，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，=（当然还有Ptot）和Io就被减少。（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。4.仿真4.1仿真软件简介4.1.1Multisim公司概况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。4.1.2 multisim 10概述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。电子通信类其它常用的仿真软件：System view-数字通信系统的仿真Proteus单片机及ARM仿真LabVIEW虚拟仪器原理及仿真Multisim 2001 使用简介Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)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。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本书中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例。4.2电路仿真4.2.1仿真电路图图104.2.2仿真调试过程（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11（2）通过仿真，输入信号在600HZ，300mV左右时，由示波器可以看出输出能保持良好的波形，此时，通过调节电位器（增大或减小可增大输出功率），使输出功率达到10W左右。波形如下图所示。图125.实物展示图13 正面图图14 反面图6.课程设计心得体会此次课程设计是我进入大学以来做的第一个课程设计，做完之后收获颇多。从申请到高保真音频放大器这个课设题目起，根据功能设计完整的电路，计算确定元件参数，进行软件仿真，调试电路等等，一步步的付出让我从内心了解了做好一个课程设计确实需要付出很大的努力。由于学习模电的基本功不扎实，所以在设计及制作过程中我付出了比别人更多的努力。通过课程设计提高了我分析电路的能力；也让我我学会了使用multisim电路仿真软件。在实践中了解它功能的强大之处，工欲善其事必先利其器，在今后的学习中，一定要善于学习和使用先进的工具，帮助自己完成工作！此外，通过自己动手做实物，让我深深认识到理论知识应用于实践才算是真正掌握的真理。通过设计电路，加深了我对于理论知识的理解，同时为了完成电路，也督促我去查阅和学习了更多的理论知识。除了专业方面的知识，其他方面我亦收获颇丰。本次课设正值期末备考阶段，这段时间里，既要复习考试，又要做课程设计，给了我很大的压力。焊接和调试痛苦的过程，要求严格的课程设计报告，一次次让我挑战着自我，最后在老师和同学的帮助下，我最终还是如愿完成了本次课程设计。正所谓，有压力才有动力，在今后的学习中，我要自我加压，督促自己不断的学习，不断的进步。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 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. 附一元件清单元件类型型号位号数量/个集成功放TDA20302瓷片电容2.2F20.1F2电解电容50V/2.2F150V/22F235V/100F2 电阻22680210K 2可变电阻50K3扬声器8/10W1耳机扩头1散热片1附二设计原理图姓 名刘金清性 别 男专业、班级电子科学与技术0803班课程设计题目： 高保真音频功率放大器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）