《模擬電子基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書高保真音頻功率放大器的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書目錄1設(shè)計(jì)要求及思路 2 1.1 題目 2 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 2 1.3 設(shè)計(jì)要求 2 1.4 設(shè)計(jì)思路 22仿真軟件介紹 52.1 仿真軟件概況 52.2 仿真軟件優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍 52.3 仿真軟件版本 5 3 電路原理圖 63.1 工作原理論述 83.2 理論分析 84 仿真部分 94.1 仿真曲線分析 104.2 仿真曲線結(jié)論 135 實(shí)物 14 5.1 元件清單 14 5.2 實(shí)物展示 146 心得體會(huì) 157 參考文獻(xiàn) 161 設(shè)計(jì)要求及思路 1.1 題目：高保真音頻功率放大器的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1.2 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

2、功放電路，如：ocl、otl、或btl電路。完成對(duì)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝備與調(diào)試。 1.3設(shè)計(jì)要求：在8揚(yáng)聲器的負(fù)載下，達(dá)到10w的輸出功率, 頻率響應(yīng)20-20khz, 效率60%, 失真小。1.4設(shè)計(jì)思路：1.4.1 功放電路，我們決定在ocl、otl和btl電路中選擇其一進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖表 1otl電路圖 圖表2ocl電路 otl(output transformer less)電路：稱為無輸出變壓器功放電路。是一種輸出級(jí)與揚(yáng)聲器之間采用電容耦合而無輸出變壓器的功放電路，它是高保真功率放大器的基本電路之一，但輸出端的耦合電容對(duì)頻響也有一定影響。otl電路的主要特點(diǎn)有：采用單電源供電

3、方式，輸出端直流電位為電源電壓的一半；輸出端與負(fù)載之間采用大容量電容耦合，揚(yáng)聲器一端接地；具有恒壓輸出特性，允許揚(yáng)聲器阻抗在4、8、16之中選擇，最大輸出電壓的振幅為電源電壓的一半，即1/2 v cc，額定輸出功率約為 /(8rl)。 ocl(output condensert less)電路：稱為無輸出電容功放電路，是在otl電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。ocl電路的主要特點(diǎn)有：采用雙電源供電方式，輸出端直流電位為零；由于沒有輸出電容，低頻特性很好；揚(yáng)聲器一端接地，一端直接與放大器輸出端連接，因此須設(shè)置保護(hù)電路；具有恒壓輸出特性；允許選擇4、8或16負(fù)載；最大輸出電壓振幅為正負(fù)電源值，額定輸出功率

4、約為 /(2rl)。需要指出，若正負(fù)電源值取otl電路單電源值的一半，則兩種電路的額定輸出功率相同，都是 /(8rl)。 btl（balanced transformer less）電路：稱為平衡橋式功放電路。它由兩組對(duì)稱的 otl或ocl電路組成，揚(yáng)聲器接在兩組otl 或ocl電路輸出端之間，即揚(yáng)聲器兩端都不接地。btl電路的主要特點(diǎn)有：可采用單電源供電，兩個(gè)輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚(yáng)聲器，與otl、ocl電路相比，在相同電源電壓、相同負(fù)載情況下，btl電路輸出電壓可增大一倍，輸出功率可增大四倍，這意味著在較低的電源電壓時(shí)也可獲得較大的輸功率，但是，揚(yáng)聲器沒有接地端，給檢修工作帶來

5、不便。 經(jīng)過篩選，為了得到更大的電壓增益放大，以及更大的功率放大，我們決定選擇btl電路圖。 1.4.2 芯片選擇。 我們選取的芯片為tda2030a芯片 tda2030a芯片：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)。 tda2030 集成電路的另一特點(diǎn)是輸出功率大，而保護(hù)性能以較完善。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20w，而tda 2

6、030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，一旦輸出電流過大或管殼過熱，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，總共才5端，外型如同塑封大功率管，這就給使用帶來不少方便。 tda2030 在電源電壓14v，負(fù)載電阻為4時(shí)輸出14瓦功

7、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。 最終，我們選擇的原理圖為，tda2030abtl功放電路圖。2 仿真軟件介紹2.1仿真軟件概況multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（interactive image technoligics簡(jiǎn)稱iit公司)推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用multi

8、sim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。2.2 仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路通過交互式spice仿真, 迅速了解電路行為借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征通過一個(gè)工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間

9、ni multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借ni multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)spice模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)spice分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與ni labview和signalexpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。2.3 仿真軟件版本 multisim 103 電路原理圖圖13.1 工作原理論述工作原理: 用兩塊tda2030 組成如圖1所示的btl功放電路，t

10、da 2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào)vin通過交流耦合電容c1饋入同相輸入端腳，交流閉環(huán)增益為kvc1r3 / r2r3 / r230db。r3 同時(shí)又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點(diǎn)穩(wěn)定。tad 2030（2）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是由tda 2030（1）輸出端的u01 經(jīng)r5、r7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容c6 后饋給反相輸入端腳，它的交流閉環(huán)增益kvcr9 / r7/r5r9/r730db。由r9r5，所以tda 2030（1）與tda 2030（2）的兩個(gè)輸出信號(hào)u01 和u02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的，即： u01uinr3 / r2u02u01r9 /

11、r5 r9r5 u02 u01因此在揚(yáng)聲器上得到的交流電壓應(yīng)為：uy u01 -（ -u02） 2u01 2u02揚(yáng)聲器得到的功率 py 按下式計(jì)算：py =4pmono3.2 理論分析 r11為變阻器，用來控制揚(yáng)聲器上的端電壓。c1起到隔直傳交的作用。c3，c3和c2，c6分別是用來作為退耦電容。c8,r8和c9,r9是作為消除喇叭網(wǎng)絡(luò)和tda網(wǎng)絡(luò)之間的影響的。r3,r4,c4和r5,r6,c5是分別為tda2030a（1）（2）的反饋網(wǎng)絡(luò)。r1，r2是起到對(duì)稱作用。4 仿真部分 上圖為接入交流電源后的測(cè)試圖形，偏置電源用12伏。4.1仿真曲線分析 第一次：輸入電壓時(shí)1v的交流電，1khz。

12、失真嚴(yán)重。分析為輸入電壓太大。于是繼續(xù)調(diào)節(jié)，不斷減小電壓值，當(dāng)輸入電壓為0.3v，1khz時(shí)：輸出曲線不再失真，而功率值也達(dá)到了要求的10w值。于是確實(shí)輸入電壓。從圖中也可以看出，輸入波形相對(duì)于輸出其峰值微不可見，可見放大倍數(shù)之大。下面是輸入20hz交流電時(shí)的波形圖：下面是輸入20khz交流電時(shí)的波形圖：4.2 仿真分析結(jié)論 從仿真可以看出，該電路圖的設(shè)計(jì)是成功的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，輸入交流電壓為0.3伏時(shí)，可以是功率最大達(dá)到24w。5 實(shí)物我們采用的是拉錫走線的焊接方式。5.1 元件清單：該電路的元件清單為： 極性電容：2.2uf x1 22uf x2 100uf x2 無極性電容：0.1uf x2 0.22uf x2 電阻：1 x2 680x2 22kx5 可變電阻：50kx1 揚(yáng)聲器：8x1 5.2 實(shí)物展示： 6 心得體會(huì) 7 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 胡宴如模擬電子技術(shù)m高等教育出版社，2000，8.2 胡宴如高頻電子線路m高等教育出版社，1998，5.3 關(guān)鍵電子cad技術(shù)m桂