基于Multisim的音頻功率放大器設(shè)計(jì)與仿真.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題目: 基于Multisimde 音頻功率放大器設(shè)計(jì)與仿真 課 程：電子線路課程設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2015 年 1 月 3 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)（班級(jí)） 設(shè)計(jì)題目基于Multisimde 音頻功率放大器設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)電源電壓：Vs 22V 輸入電壓：VIN V 電源V 差分輸入電壓：VDIFF 5V 工作溫度范圍：TA 070 存貯溫度：TSTG -65150 結(jié)溫：Tj 150 功耗（5532FE）：PD 1000mW 引線溫度（焊接，10S） 300 設(shè)計(jì)要求1 輸出功率10W/8；頻率響應(yīng)2020KHz；效率60；失真小。2 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。3 利用Multisim仿真設(shè)計(jì)電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。4 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。參考資料1. 謝自美.電子電路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試.武昌：華中理工大學(xué)出版社，1994.2. 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第二版.北京：人民郵電出版社，1999.3. 康華光主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分、模擬部分），高等教育出版社，1998.4.周澤義.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)。武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.55.梁宗善.新型集成電路的應(yīng)用-電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)，20046.孫梅生.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì).高等教育出版社，20057.黃繼昌，張海貴.實(shí)用單元電路及其應(yīng)用.人民郵電出版社，20068.王衛(wèi)東，江曉安.模擬電子電路基礎(chǔ).西安電子科技大學(xué)出版社，20039.華成英、童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第四版.北京:高等教育出版社,2006.5 2015 年 1 月 3 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）： 課程設(shè)計(jì)題目： 基于Multisimde 音頻功率放大器設(shè)計(jì)與仿真 成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日摘要 TDA2030功率放大電路具有失真小、功率大、所需元件少、制作簡(jiǎn)單、效果良好等優(yōu)點(diǎn)，用它來(lái)做電腦有源音箱的功率放大部分或MP4等小型功放再合適不過(guò)，本論文便是用TDA2030來(lái)制作音頻功率放大器原件。高效率的音頻功率放大器不僅僅是在便攜式設(shè)備中需要，在大功率的設(shè)備中也占有較大的比重。隨著人們居住條件的改善，高保真音響設(shè)備和高檔的家庭影院也逐漸興起。音頻功率放大器在這些設(shè)備中起到了很重要的作用。關(guān)鍵字：TDA2030功率放大電路、音頻功率放大器、高效率Abstract TDA2030power amplifiercircuit withsmall distortion,high power,which needs few components,simple fabrication,the advantages of good effect,can use it to makepowercomputeramplifying partor MP4small poweris again appropriatehowever,this thesis isto make use of TDA2030audio poweramplifieroriginal.Audio power amplifier withhigh efficiencyis not only the needin portable devices,also account for a largeproportion inhigh powerdevices.With the development ofpeoples living conditionsimprove,high fidelity audio equipment andhigh-endhome theateralsogradually on the rise.Audio poweramplifierplays a very important rolein these devices.Keywords: TDA2030power amplifier circuit,audio poweramplifier,high efficiency目錄1前言11.1音頻放大器的發(fā)展11.2 音頻放大器設(shè)計(jì)背景11.3 音頻放大器設(shè)計(jì)意義12任務(wù)與條件32.1初始條件32.2要求完成的主要任務(wù)32.3設(shè)計(jì)方案33選擇器件與參數(shù)運(yùn)算43.1運(yùn)放NE5532介紹43.2 TDA 2030介紹53.3功率計(jì)算64單元電路設(shè)計(jì)74.1主電源電路74.2調(diào)音電路74.3功率放大電路85電路設(shè)計(jì)仿真105.1仿真電路圖105.2仿真結(jié)果10總結(jié)12參考文獻(xiàn)13此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流1前言1.1音頻放大器的發(fā)展 上個(gè)世紀(jì)80 年代以前，輸出功率僅幾瓦的聲頻功率放大器都要采用分立元件來(lái)制作。進(jìn)入80年代后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制生產(chǎn)出一些小功率的功放IC，但由于這些功放IC的性能指標(biāo)不佳，尤其是可靠性比較差，很快就被國(guó)外生產(chǎn)的功放IC所取代。日本生產(chǎn)的HA1392、TA7240曾經(jīng)是80年代用得非常普遍的功放IC。 HA1392與TA7240的輸出功率都只有4W 6W。意法SGS公司在80年代初開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的TDA2030A算是比較好的一款功放IC，它的輸出功率能夠達(dá)到12W以上。盡管SGS公司在TDA2030A基礎(chǔ)上又研制出 TDA2040、TDA2050功放IC，使輸出功率能夠達(dá)到24W，但由于它們的電源適用范圍只有22V，如果使用未經(jīng)穩(wěn)壓的整流濾波直流電供電，它們實(shí)際上都只能給4負(fù)載輸出12W功率。在90 年代以前，電子器件生產(chǎn)廠商提供的功放IC輸出功率實(shí)際都在30W以下。在經(jīng)過(guò)10多年的努力后，美國(guó)NS公司和意法SGS公司都在90年代期間相繼開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出多款輸出功率超過(guò)30W的功放IC芯片。其中，LM3876、LM3886是美國(guó)NS公司的代表作，TDA7294、TDA7295、 TDA7296是意法SGS公司的代表作。1.2 音頻放大器設(shè)計(jì)背景 音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)，信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想如實(shí)、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz 20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)(驅(qū)動(dòng)頻帶受限的揚(yáng)聲器時(shí)要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據(jù)應(yīng)用的不同，功率大小差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級(jí)到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車(chē)音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿(mǎn)足整個(gè)電影院或禮堂的聲音要求。 1.3 音頻放大器設(shè)計(jì)意義在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管，實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類(lèi)型包括A類(lèi)放大器，AB類(lèi)放大器和B類(lèi)放大器。與D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)相比較，即使是最有效的線性輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類(lèi)放大器在許多應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈凸漠a(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板面積和成本，并且能夠延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。另外，D類(lèi)功率放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用中也可達(dá)80以上，功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦，功率MOS有自我保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不引入非線性失真。2任務(wù)與條件2.1初始條件可選元件：集成功放，電容、電阻、電位器若干；或自選元器件。直流電源12V，或自選電源。可用儀器：示波器，萬(wàn)用表，毫伏表等2.2要求完成的主要任務(wù): （1） 設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件，選擇合適的功放電路，如：OCL、OTL或BTL電路。完成對(duì)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計(jì)要求1 輸出功率10W/8；頻率響應(yīng)2020KHz；效率60；失真小。2 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。3 利用Multisim仿真設(shè)計(jì)電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。4 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。2.3設(shè)計(jì)方案 音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。聲音源的種類(lèi)有很多種，故輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般動(dòng)率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號(hào)如果直接輸入到功率放大器的話(huà)，對(duì)于輸入信號(hào)過(guò)低的，功率放大器功率輸出不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；加入輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過(guò)載失真。這樣就失去了音頻放大的意義了，所以一個(gè)實(shí)用音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的輸入信號(hào)，或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。最后音頻放大器由前置放大器和音調(diào)控制電路和功率放大器三部分組成。如圖所示 3選擇器件與參數(shù)運(yùn)算3.1運(yùn)放NE5532介紹 NE5532是高性能低噪聲運(yùn)放，與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放（如1458）相似，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)與電源帶寬。 （1）小信號(hào)帶寬：10MHz； （2）輸出驅(qū)動(dòng)能力：600，10V； （3）輸入噪聲電壓：5nV/HZ（典型值）； （4）DC 電壓增益：50000； （5）AC 電壓增益：10KHz 時(shí)2200； （6）電源帶寬：140KHz； （7）轉(zhuǎn)換速率：9V/S； （8）大電源電壓范圍：320V。 極限參數(shù)： 電源電壓：Vs 22V 輸入電壓：VIN V 電源V 差分輸入電壓：VDIFF 5V 工作溫度范圍：TA 070 存貯溫度：TSTG -65150 結(jié)溫：Tj 150 功耗（5532FE）：PD 1000mW 引線溫度（焊接，10S） 300 直流電氣參數(shù)：如圖2 所示。 圖2直流電氣參數(shù)交流電氣參數(shù)如圖3所示 圖3交流電氣參數(shù)3.2 TDA 2030介紹 TDA 2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點(diǎn)是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小，在目前流行的數(shù)十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括TDA 2030在內(nèi)的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調(diào)失真是決定放大器品質(zhì)的重要因素，該集成功放的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。 TDA2030A功率放大管利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。 根據(jù)掌握的資料，在各國(guó)生產(chǎn)的單片集成電路中，輸出功率最大的不過(guò)20W，而TDA 2030的輸出功率卻能達(dá)18W，若使用兩塊電路組成BTL電路，輸出功率可增至35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在TDA 2030集成電路中，設(shè)計(jì)了較為完善的保護(hù)電路，一旦輸出電流過(guò)大或管殼過(guò)熱，集成塊能自動(dòng)地減流或截止，使自己得到保護(hù)（當(dāng)然這保護(hù)是有條件的，我們決不能因?yàn)橛斜Ｗo(hù)功能而不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行使用）。 TDA2030集成電路的第三個(gè)特點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便。在現(xiàn)有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類(lèi)，總共才5端，在焊接電路板的時(shí)候TDA2030A的管腳的分布對(duì)于焊接的時(shí)候很重要的，如果管腳的區(qū)分有錯(cuò)，直接會(huì)導(dǎo)致的功率放大器燒掉。通過(guò)查閱資料知道他的管腳分布為：漢字對(duì)著人，從左往右數(shù)為1 2 3 4 5 其中1 為同武相輸入端，2為反相輸入端，3為功率放大器的接地端，4為功率放大器額的輸出端，5為功率放大器的電源線的接入端。 TDA2030在電源電壓14V，負(fù)載電阻為4時(shí)輸出14瓦功率（失真度05）；在電源電壓 16V，負(fù)載電阻為4時(shí)輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價(jià)廉質(zhì)優(yōu)，使用方便，并正在越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種款式收錄機(jī)和高保真立體聲設(shè)備中。該電路可供低頻課程設(shè)計(jì)選用。本設(shè)計(jì)采用3個(gè)TDA2030A芯片，其中一個(gè)放大左聲道，一個(gè)放大右聲道，一個(gè)放大低音部分。3.3功率計(jì)算 計(jì)算輸出功率Po輸出功率用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則 因?yàn)镮om=Vom/RL，所以.當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES VCC和Iom=Icm時(shí)，可獲得最大的輸出功率。 由上述對(duì)Po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負(fù)載阻抗RL。 4單元電路設(shè)計(jì)4.1主電源電路 如圖5所示，采用交流雙12V，30W變壓器，市電從ACIN輸入，VCC和VSS給TDA2030A供電，Va和Vb給NE5532供電。整流部分采用單向橋式全波整流電路，在濾波電路中，采用電容濾波電路， 圖 5主電源電路4.2調(diào)音電路 本設(shè)計(jì)采用六個(gè)參數(shù)為50K的電位器。其中RP1A，RP1B調(diào)節(jié)低音區(qū)，RP2A，RP2B調(diào)節(jié)中低音，RP3A，RP3B調(diào)節(jié)音量。調(diào)音電路與功率放大電路用排線相連，數(shù)字一一對(duì)應(yīng)相連。電路圖如圖6所示 圖6調(diào)音電路4.3功率放大電路 電路分左聲道，右聲道，以及低音區(qū)輸入，TDA2030構(gòu)成雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放，放大電路之間相連采用RC耦合方式。NE5532是雙運(yùn)放，分為兩個(gè)單運(yùn)放連接于電路中。 NE5532電路如圖7所示。 圖7 NE5532電路 TDA2030單聲道電路如圖8所示。 圖8 TDA2030單聲道電路5電路設(shè)計(jì)仿真5.1仿真電路圖采用Multisim 11.0仿真電路，如圖9所示 圖9 Multisim 11.0仿真電路5.2仿真結(jié)果左右聲道輸入1kHz，1Vpp的正弦波，結(jié)果如圖10所示。 圖10 輸出結(jié)果總結(jié)這次的論文和設(shè)計(jì)是我這學(xué)期間干的最有意義的事之一。從最初的選題，開(kāi)題到寫(xiě)論文直到完成論文。其間，查找資料，與同學(xué)交流，反復(fù)修改論文，每一個(gè)過(guò)程都是對(duì)自己能力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)。通過(guò)這次實(shí)踐，我了解了音頻功率放大器用途及工作原理，熟悉了音頻功率放大器的設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。此次論文設(shè)計(jì)是對(duì)我專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。論文設(shè)計(jì)收獲很多，比如學(xué)會(huì)了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的制作能力。不過(guò)從開(kāi)始的原理圖的確定上，遇到了一個(gè)難題，剛開(kāi)始用LM386，但在查資料后發(fā)現(xiàn)它達(dá)不到輸出功率20W，所以用TDA2030單通道的功放。放假回到學(xué)校后就開(kāi)始著手論文設(shè)計(jì)的制作，一步一步的做下來(lái)。等做好設(shè)計(jì)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)這是個(gè)美好的過(guò)程，也不枉費(fèi)自己對(duì)這次設(shè)計(jì)和論文花的時(shí)間和精力。其實(shí)這么一次的鍛煉可以學(xué)到書(shū)本里許多學(xué)不到的知識(shí)，堅(jiān)韌、獨(dú)立、思考等。但是設(shè)計(jì)也暴露出自己專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺