音頻功率放大電路設(shè)計(jì)

1、成績(jī)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題 目： 音頻功率放大電路設(shè)計(jì) 課程名稱： 模擬電子技術(shù) 學(xué) 院： 電子信息與電氣工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 201102010063 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化2011級(jí)2班 指導(dǎo)教師： 張?zhí)禊i 2013 年 6 月 7日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)題目音頻功率放大電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名周亞運(yùn)所在學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)、年級(jí)、班自動(dòng)化 2011級(jí)2班設(shè)計(jì)要求： 1、設(shè)計(jì)制作一個(gè)音頻功率放大電路（帶高低音調(diào)節(jié)）； 2、負(fù)載電阻為8（擴(kuò)音器的等效阻抗）； 3、額定輸出功率為4W； 4、帶寬大于50Hz15kHz； 5、音調(diào)控制為：低音（100Hz）12dB,高音（10KHz）1

2、2dB； 6、輸入阻抗約100K；學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)： 設(shè)計(jì)一個(gè)音頻功率放大電路，并利用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真。利用DXP軟件繪制電路原理圖，并設(shè)計(jì)制作電路的PCB板。根據(jù)設(shè)計(jì)原理對(duì)電路進(jìn)行安裝調(diào)試，完成課程設(shè)計(jì)工作，并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。參考文獻(xiàn)：1 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦長(zhǎng)海，張?zhí)禊i，翟亞芳.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社，2012.3 邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻 石.數(shù)字電子技術(shù)（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.工作計(jì)劃：5月27日29日完成原理圖的設(shè)計(jì)；5月29日31日進(jìn)行

3、PCB設(shè)計(jì)；6月3日號(hào)4日制作PCB板；6月5日7日電路板安裝與調(diào)試，提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。任務(wù)下達(dá)日期： 2013 年 5 月 27日任務(wù)完成日期： 2013 年 6 月 7日 指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）：音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)摘 要：設(shè)計(jì)一個(gè)音頻功率放大電路,該電路由前置放大、音調(diào)調(diào)節(jié)、功率放大三個(gè)部分組成，并且?guī)в懈叩鸵粽{(diào)節(jié)，負(fù)載電阻為8（擴(kuò)音器的等效阻抗）；額定輸出功率為4W；帶寬大于50Hz15kHz；音調(diào)控制為：低音（100Hz）12dB,高音（10KHz）12dB。 輸入阻抗約100K。前置放大是由反向比例運(yùn)算放大器組成，主要元器件是NE5532P。音調(diào)放大由運(yùn)算放大器構(gòu)成，可

4、以對(duì)高頻段和低頻段的增益分別進(jìn)行提升和衰減。功率放大是OTL電路構(gòu)成，主要元器件是TDA2030。關(guān)鍵詞：音頻放大；前置放大；音調(diào)調(diào)節(jié)；功率放大目 錄1. 設(shè)計(jì)背景11.1 學(xué)習(xí)集成運(yùn)算放大電路的基本知識(shí)1 1.2了解有源濾波電路的基本原理.12. 設(shè)計(jì)方案.12.1 設(shè)計(jì)方案12.1 任務(wù)分析12.2 方案論證13. 方案實(shí)施33.1 原理圖設(shè)計(jì)33.2 電路模擬73.3 PCB制作93.4 安裝與調(diào)試104. 結(jié)果與結(jié)論104.1結(jié)果104.2結(jié)論105. 收獲與致謝106. 參考文獻(xiàn)117. 附件117.1 電路原理圖117.2 PCB布線圖117.3元器件清單127.4. 實(shí)物拍圖13

5、1. 設(shè)計(jì)背景1.1 學(xué)習(xí)集成運(yùn)算放大電路的基本知識(shí) 集成運(yùn)放實(shí)際上是一種高性能的直接耦合放大電路，從外部看，可等效為雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。通常由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成。對(duì)于由雙極型管組成的集成運(yùn)放，輸入級(jí)多用差分放大電路，中間級(jí)為共射電路，輸出級(jí)多用互補(bǔ)輸出級(jí)，偏置電路是多路電流源電路。1.2 了解有源濾波電路的基本原理 通常，按照濾波電路的工作頻帶為其命名，分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、和全通濾波器（APF）.設(shè)截止頻率為，頻率低于的信號(hào)能夠通過(guò)，高于的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為低通濾波器，反之稱為

6、高通濾波器。設(shè)低頻段的截止頻率為，高頻段的截止頻率為，頻率在、之間的信號(hào)能夠通過(guò)，低于和高于的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為帶通濾波器，反之稱為帶阻濾波器。2. 設(shè)計(jì)方案2.1 任務(wù)分析 根據(jù)實(shí)習(xí)要求可知，本次實(shí)習(xí)是設(shè)計(jì)一個(gè)音頻功率放大電路，因?yàn)橐獙?duì)音源信號(hào)進(jìn)行放大，因此必須有一個(gè)前置放大電路。因?yàn)檫€要對(duì)音調(diào)進(jìn)行控制，因此必須有一個(gè)音調(diào)調(diào)節(jié)電路。音調(diào)調(diào)節(jié)由低通、高通、帶通等濾波信號(hào)組成，可以根據(jù)要求對(duì)聲音中某些頻率段的增益進(jìn)行提升或衰減。2.2 方案論證前置放大是將外部的音源信號(hào)進(jìn)行放大并且輸出。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。聲音源的種類有多種，如傳聲器（話筒

7、）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、CD唱機(jī)及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般功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中的話，對(duì)于輸入過(guò)低的信號(hào)，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號(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，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大系統(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在這里我們的主要元器件采用了NE5532P，因?yàn)镹E5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)

8、放）集成電路,與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時(shí)音色溫暖，保真度高，在上世紀(jì)九十年代初的音響界被發(fā)燒友們譽(yù)為“運(yùn)放之皇”，至今仍是很多音響發(fā)燒友手中必備的運(yùn)放之一。 音調(diào)調(diào)節(jié)是由低通、高通、帶通、等濾波器組成，可以對(duì)音調(diào)進(jìn)行控制的電路，可以使使用者根據(jù)具體的使用要求，對(duì)聲音信號(hào)中某些頻率段的增益進(jìn)行調(diào)整。音調(diào)控制電路大致可分為三大類：（1） 衰減式音調(diào)控制電路（2（晶體管、 運(yùn)放） 負(fù)反饋音調(diào)控制電路 （3）負(fù)反饋混合式音調(diào)控制電路。電路一

9、般使用高音、 低音兩個(gè)調(diào)節(jié)電位器；音調(diào)控制電路的于中音頻而言。 所謂衰減， 就是比中音頻的衰減還要大一些。 一個(gè)良好的音調(diào)控制電路， 要有足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，但又同時(shí)要求高、 低音從最強(qiáng)到最弱的整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程里，中音信號(hào)不發(fā)生明顯的幅度變化， 以保證音質(zhì)大致不變。而衰減式和負(fù)反饋式相比。衰減式音調(diào)控制電路的調(diào)節(jié)范圍可以做得較寬，但因中音電平要作很大衷減，并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中整個(gè)電路的阻抗也在變。所以噪聲和失真大一些。負(fù)反饋式音調(diào)控制電路的噪聲和失真較小，但調(diào)節(jié)范圍受最大負(fù)反饋量的限制，所以實(shí)際的電路常和輸入衷減聯(lián)合使用，成為衰減負(fù)反饋混合式。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在本次實(shí)習(xí)中我們采用了反向負(fù)反饋。 功

10、率放大電路通常作為多級(jí)放大電路的輸出級(jí)。在很多電子設(shè)備中，要求放大電路的輸出級(jí)能夠帶動(dòng)某種負(fù)載，例如驅(qū)動(dòng)儀表，使指針偏轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，使之發(fā)聲；或驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。總之，要求放大電路有足夠大的輸出功率。這樣的放大電路統(tǒng)稱為功率放大電路。外部音源信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大、音調(diào)調(diào)節(jié)后，輸入最后的功率放大級(jí)，然后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，發(fā)出聲音。本次試驗(yàn)中的功率放大器采用TDA2030集成塊，其本質(zhì)就死一個(gè)運(yùn)算放大器，與其他運(yùn)放相比，它有比較大的電流輸出能力，可以輸出較大的電流。功率放大電路原理圖如圖1所示。圖1 功率放大電路原理圖音源前置放大音調(diào)調(diào)節(jié)功率放大3 方案實(shí)施3.1 原理圖設(shè)計(jì)1、前置放大 本

11、次試驗(yàn)，前置放大電路，均衡電路均使用的是NE5532P，是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。 相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。這使該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備，儀器和控制電路和電話通道放大器。NE5532P的極限額定值如表1所示。表1 NE5532P極限額定值符號(hào)參數(shù)數(shù)值單位VSSupply voltage 電源電壓22VVINInput voltage 輸入電壓VSUPPLYVVDIFFDifferential input voltage1 差分輸入電壓0.5VTambOperating temperature ra

12、nge 工作溫度范圍0 to 70TstgStorage temperature 存儲(chǔ)溫度65 to +150TjJunction temperature 結(jié)溫150PD最大功耗， Tamb = 25 1200mWTsld焊接溫度（極限值10秒）230在反相比例運(yùn)算電路中，如圖2所示，輸入電阻為，同時(shí)與的比值就是放大倍數(shù)，減小可以提高放大倍數(shù)，但也減小了輸入電阻。=100K；=510K；=-5.1；人耳朵聽到的最低頻率是20Hz，因此0.08uF，由元器件清單可知=10uF圖2 前置放大設(shè)計(jì)電路圖2、 音調(diào)調(diào)節(jié) 音調(diào)控制電路的主要功能是通過(guò)對(duì)放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應(yīng)曲線的形狀進(jìn)行控制，從而達(dá)

13、到控制放音音色的目的。此外還能補(bǔ)償信號(hào)中所欠缺的頻率分量，使音質(zhì)得到改善，從而提高放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個(gè)良好的音調(diào)控制電路，要求有足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)有要求在高、低音從最強(qiáng)調(diào)到最弱的整個(gè)過(guò)程中，中音信號(hào)（一般指1kHz）不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音量在音調(diào)控制過(guò)程中不至于有太大的變化。由于集成運(yùn)算放大器具有電壓增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，用它制作的音調(diào)控制電路。如圖3所示，是高音調(diào)節(jié)電位器，是笛音調(diào)節(jié)電位器，電容是音頻信號(hào)輸入耦合電容，、是低音提升和衰減電容，一般情況下=，電容起到高音提升和衰減作用，要求遠(yuǎn)小于、。電路中

14、各元器件一般滿足的關(guān)系為=；=；=；由電路可知10K；100K；=3.3K；由于沒有3.3K的電阻，在此處選擇=4.7K。fL2 =fL22=400Hz； fL1 =400/10=40Hz；fH1 =fH2-2=2.5KHz；fH2 =10fH1=25KHz；為低頻頻率，為高頻頻率，為低頻轉(zhuǎn)折頻率，為中低頻轉(zhuǎn)折頻率，為中高頻轉(zhuǎn)折頻率，為高頻轉(zhuǎn)折頻率。由此可知：帶寬大于4025KHz，滿足設(shè)計(jì)要求。由fH2=25KHz；計(jì)算出：C5=1.9nF；因?yàn)橹荒苓x擇大于1.9nF的電容，因此=2.2nF。fL1=40Hz；計(jì)算出：C3=C4=C=40nF。因?yàn)闆]有40nF的電容，因此選擇47nF。圖3

15、音調(diào)調(diào)節(jié)電路3 、功率放大 功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應(yīng)和效率。目前常見的電路結(jié)構(gòu)有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運(yùn)算放大器和大功率晶體管構(gòu)成的功率放大器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應(yīng)用越來(lái)越多。由于集成功率放大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩(wěn)定性好，功耗低，電源利用率高，失真小，具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及自啟動(dòng)、消噪等功能，所以使用非常廣泛。功率放大電路中使用TDA2030，TDA 2030 是一塊性

16、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. 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。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(lái)不少方便。TDA2030的極限參數(shù)如表2所示。 表2 TDA2030極限參數(shù)TDA2030極限參數(shù)參數(shù)名稱極限值單位電源電壓(Vs)18V輸入電壓(Vin)VsV差分輸入電壓(Vdi)15V峰值輸出電流(Io)3.5A耗散功率(Ptot)(Vdi)20W工作結(jié)溫(Tj)-40-+150存儲(chǔ)結(jié)溫(T

17、stg)-40-+150功率放大電路的放大倍數(shù)Au=1+33倍。圖4 功率放大電路3.2 電路模擬 在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上用Multisim軟件進(jìn)行模擬，在軟件上連接好電路圖，閉合開關(guān)進(jìn)行電路圖模擬，模擬電路圖如圖5所示。圖5 Multisim模擬電路 用 Multisim軟件進(jìn)行模擬，示波器的輸入輸出波形如圖6所示。圖6 示波器波形 在用Multisim軟件進(jìn)行模擬的過(guò)程中，讀出了萬(wàn)用表的讀數(shù)，如圖7所示。圖7 萬(wàn)用表讀數(shù)在用Multisim軟件進(jìn)行模擬的過(guò)程中查看了波特圖示儀的波形，如圖8所示。圖8 波特圖輸出波形3.3 PCB制作制作時(shí)須采用公制單位（mm），并且電源線和地線要求采用0.8m

18、m, 信號(hào)線采用0.5mm。另外焊盤的內(nèi)徑用0.9mm，外徑采用一般為X方向1.5 mm，Y方向2.0mm要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行修改。注意打孔時(shí)，鉆頭的大小采用0.8mm。制作出的PCB版圖如圖9所示。圖9 PCB版圖3.4 安裝與調(diào)試 安裝過(guò)程中要注意焊接的過(guò)程中有沒有漏焊，虛焊，焊接錯(cuò)誤，仔細(xì)檢查有沒有斷點(diǎn)，等等。調(diào)試的過(guò)程要把設(shè)計(jì)的電路板上連接的喇叭進(jìn)行測(cè)試，電源接。如果能夠符合設(shè)計(jì)要求代表設(shè)計(jì)成功，如果沒有成功需要檢查檢查電路，以及電路板。4. 結(jié)果與結(jié)論4.1 結(jié)果 經(jīng)過(guò)我們多天的實(shí)踐，在我們的不懈努力之下，克服了重重困難，終于使元器件得以正常工作，其播放效果不下于市場(chǎng)上價(jià)格60-70

19、元的播放器，這讓我們十分高興。4.2 結(jié)論 本次實(shí)踐，利用NE5532P、TDA2030、前置放大電路、音調(diào)調(diào)節(jié)、功率放大幾個(gè)電路完成了電路設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)仿真，并且觀察了波形，設(shè)計(jì)了原理圖，制作了PCB板，對(duì)原器件進(jìn)行了安裝與調(diào)試。在本次實(shí)踐中我還有很多不足之處，例如對(duì)元器件認(rèn)識(shí)不夠，基礎(chǔ)知識(shí)掌握不夠牢靠，需要加強(qiáng)學(xué)習(xí)，理論知識(shí)不會(huì)靈活運(yùn)用等不足之處，我會(huì)努力改正。5. 收獲與致謝通過(guò)這次模擬電子課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，受益匪淺。第一，學(xué)到了在模電理論方面和實(shí)踐方面的知識(shí)；第二，鍛煉了自己的動(dòng)手能力；第三，鞏固了對(duì)Multisim仿真軟件的應(yīng)用；第四，加深了對(duì)模電元器件認(rèn)識(shí)；總的來(lái)說(shuō)，使我認(rèn)識(shí)

20、到課本上的知識(shí)只有應(yīng)用到實(shí)踐中，才會(huì)真正地體會(huì)到知識(shí)的力量.以前對(duì)模電的知識(shí)有許多疑惑的地方，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，都很快理解了。原來(lái)模電是應(yīng)用性這么強(qiáng)的一門學(xué)科，如果完全掌握它的話，就可以設(shè)計(jì)出許多可以實(shí)現(xiàn)各種各樣功能的電路。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也加強(qiáng)了我的思考和解決問(wèn)題的能力，要完成一項(xiàng)任務(wù)并不是輕易成功的，過(guò)程中少不了困難，這時(shí)需要的是耐心和永不放棄的毅力，所以這次課程設(shè)計(jì)亦鍛煉了我的意志。我知道因?yàn)閭€(gè)人能力的局限性，肯定有不足的地方，不過(guò)我會(huì)再接再厲，更加努力學(xué)習(xí)，不斷提高自己的能力，爭(zhēng)取在下次的設(shè)計(jì)中做到更好。在這兩個(gè)星期的實(shí)踐中，多虧了我的指導(dǎo)老師張?zhí)禊i，他給了我很大的啟發(fā)和幫助，使我在這次實(shí)踐中能夠順利的完成課程設(shè)計(jì)活動(dòng)，同時(shí)還要感謝我的隊(duì)友吳亞