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

1、武漢理工大學模擬電子基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書目錄1設(shè)計要求及思路 2 1.1 題目 2 1.2 設(shè)計任務(wù) 2 1.3 設(shè)計要求 2 1.4 設(shè)計思路 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 實物 14 5.1 元件清單 14 5.2 實物展示 146 心得體會 157 參考文獻 161 設(shè)計要求及思路 1.1 題目：高保真音頻功率放大器的仿真設(shè)計與實現(xiàn) 1.2 設(shè)計任務(wù)：根據(jù)技術(shù)指標和已知條件，選擇合適的

2、功放電路，如：ocl、otl、或btl電路。完成對高保真音頻功率放大器的設(shè)計、裝備與調(diào)試。 1.3設(shè)計要求：在8揚聲器的負載下，達到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電路中選擇其一進行設(shè)計。 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。是一種輸出級與揚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頻響也有一定影響。otl電路的主要特點有：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；輸出端與負載之間采用大容量電容耦合，揚聲器一端接地；具有恒壓輸出特性，允許揚聲器阻抗在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)置保護電路；具有恒壓輸出特性；允許選擇4、8或16負載；最大輸出電壓振幅為正負電源值，額定輸出功率

4、約為 /(2rl)。需要指出，若正負電源值取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。它由兩組對稱的 otl或ocl電路組成，揚聲器接在兩組otl 或ocl電路輸出端之間，即揚聲器兩端都不接地。btl電路的主要特點有：可采用單電源供電，兩個輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚聲器，與otl、ocl電路相比，在相同電源電壓、相同負載情況下，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也可獲得較大的輸功率，但是，揚聲器沒有接地端，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，該集成功放的一個重要優(yōu)點。 tda2030 集成電路的另一特點是輸出功率大，而保護性能以較完善。根據(jù)掌握的資料，在各國生產(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)計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當?shù)剡M行使用）。 tda2030 集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，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，負載電阻為4時輸出14瓦功

7、率（失真度05）；在電源電壓 16v，負載電阻為4時輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價廉質(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和高保真立體聲設(shè)備中。該電路可供低頻課程設(shè)計選用。 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簡稱iit公司)推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。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，并對電路進行仿真。multisim提煉了spice仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學教育。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計工程師和電子學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)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。2.2 仿真軟件的優(yōu)點及應(yīng)用范圍通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路通過交互式spice仿真, 迅速了解電路行為借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試通過改進、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短上市時間

9、ni multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借ni multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準spice模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級spice分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與ni labview和signalexpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。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穩(wěn)定。tad 2030（2）為反相放大器，它的輸入信號是由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）的兩個輸出信號u01 和u02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的，即： u01uinr3 / r2u02u01r9 /

11、r5 r9r5 u02 u01因此在揚聲器上得到的交流電壓應(yīng)為：uy u01 -（ -u02） 2u01 2u02揚聲器得到的功率 py 按下式計算：py =4pmono3.2 理論分析 r11為變阻器，用來控制揚聲器上的端電壓。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是起到對稱作用。4 仿真部分 上圖為接入交流電源后的測試圖形，偏置電源用12伏。4.1仿真曲線分析 第一次：輸入電壓時1v的交流電，1khz。

12、失真嚴重。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，當輸入電壓為0.3v，1khz時：輸出曲線不再失真，而功率值也達到了要求的10w值。于是確實輸入電壓。從圖中也可以看出，輸入波形相對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交流電時的波形圖：下面是輸入20khz交流電時的波形圖：4.2 仿真分析結(jié)論 從仿真可以看出，該電路圖的設(shè)計是成功的，達到了設(shè)計要求，輸入交流電壓為0.3伏時，可以是功率最大達到24w。5 實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 揚聲器：8x1 5.2 實物展示： 6 心得體會 7 參考文獻參考文獻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