音響放大器的設(shè)計

1、一 實驗?zāi)康囊辉O(shè)計目的1. 了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理。2. 掌握其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)的測試方法。3. 掌握音響放大器的設(shè)計方法與電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)。 二設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個音響放大器，要求具有前置放大，音調(diào)輸出控制，功率放大輸出。二 方案選擇一 音響放大電路的設(shè)計方案的選擇與比較論證:音響放大電路設(shè)計由三部分組成:混合前置放大模塊，音調(diào)輸出控制模塊，功率放大模塊?；旌锨爸梅糯竽K作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號混合放大。音調(diào)輸出控制模塊作用是主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性。功率放大模塊作用是給音響放大的負載RL（揚聲器）提供一定的輸出功率。(一) 混合前置放大模塊比較

2、論證與選擇(二) 音調(diào)輸出控制模塊比較論證與選擇(三) 功率放大模塊比較論證與選擇功率放大器可以選擇芯片很多，經(jīng)過比較覺的TDA2030A和TDA2040還可以。（1） TDA2030TDA 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

3、 2030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

4、輸出14瓦功率（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。(2) TDA2040TDA2040是德律風根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路在32V電源電壓下，RL=4時可獲得22W的輸出功率。廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內(nèi)部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品

5、生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。電路特點：1.單列5腳直插塑料封裝，僅5只引腳。2.外接元件非常少。3.輸出功率大，Po=22W(RL=4)。4.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。5.開機沖擊極小。6.內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。綜上所述:TDA2030外圍電路少，輸出功率大，而且電源電壓±16V普通電源足夠用，而且TDA2030在市場銷售比較多易購買成本也比較低，適合要求不太高用戶。所以我們這次設(shè)計選擇TDA2030A芯片

6、。三 設(shè)計要求及技術(shù)指標一 設(shè)計要求設(shè)計一款額定輸出功率為5 20W的低失真集成電路功率放大器，要求電路簡潔，制作方便、性能可靠。具有音調(diào)控制，音量控制， 等功能。二 性能主要指標：1.輸出功率：5 20W（額定功率）；2. 頻率響應(yīng)：20Hz 100kHz（3dB）；3. 諧波失真：1 (10W,30Hz20kHz)；4. 輸出阻抗：0.16；5. 輸入靈敏度：600mV（1000Hz，額定輸出時）；6. 音調(diào)控制特性1kHz 處增益為0dB，100Hz和10kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AuL=AuH+20dB；7. 負載阻抗RL=8W；8. 輸入阻抗Ri>>20k

7、W；四 設(shè)計原理(一)混合前置放大器混合前置放大器的作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大，其電路如圖A2所示。這是一個反相加æRFRFö法器電路，輸出與輸入電壓間的關(guān)系為Vo=çV1çRV1+RV2÷÷式中，2è1ø為話筒放大器輸出電壓；V2為放音機輸出電壓。音響放大器的性能主要由音調(diào)控制器與功率放大器決定。1. 前置放大器的功能任何功率放大器總是要將節(jié)目源輸入的信號進行放大，然后輸出給揚聲器。節(jié)目源的種類有多種多樣，如：傳聲器、收音頭、電唱機、錄音機（放音磁頭）、線路傳輸以及新近出現(xiàn)的C

8、D唱機等。這類節(jié)目源設(shè)備的輸出信號電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏，甚至12伏。而功率放大器的輸入靈敏度是一定的，如果我們在前面設(shè)計的例子中為50mV。這些節(jié)目源信號如果從同一輸入接口輸入放大器，或者由于輸入電平過低，使功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；或者由于輸入電平過高，使放大器的輸出信號產(chǎn)生嚴重過載失真，失去高保真放大的意義。因此，必須設(shè)置前置放大器，對輸入放大器的各種輸入信號進行處理；或放大，或衰減，或進行阻抗變換，使其與功率放大器的是輸入靈敏度相匹配。在各種音源信號中，除了電平差別外，他們的頻率特性有的也不同，如電唱機輸出信號的頻率特性曲線呈上翹形，磁帶放音的頻率特

9、性曲線也呈上翹形，即低音呈衰減，高音被提升，但他們的衰減和提升的程度又各不相同。這樣，在輸入功率放大器之前，必須進行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復到接近平坦的狀態(tài)。綜上所述，前置放大器的主要功能為：(1)對輸入功率放大器的各種音源信號進行加工處理，或放大，或衰減，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配，使功率放大器充分發(fā)揮其放大和保真的功能。(2)進行阻抗變換，使各種音源信號的輸出阻抗能與功率放大的輸入阻抗相匹配，實現(xiàn)信號的高效傳輸。(3)進行頻率均衡處理，使電唱機和磁帶機輸出信號的頻率特性恢復成平坦的狀態(tài)。2.對前置放大器的技術(shù)要求對前置放大器的技術(shù)要求，就是必須要和功率放大器的特性相適應(yīng)，即對

10、功率放大器的技術(shù)要求，同樣也適用于前置放大器，而且對前置放大器還應(yīng)略高一些。否則就不能成為一個高保真“系統(tǒng)”，也就是說，構(gòu)成高保真系統(tǒng)的每一個單元都必須是一個高保真單元。（1） 失真度:包括諧波失真和 互調(diào)失真，要求分別小于0.1%和0.05%。（2） 信噪比：應(yīng)大于90dB.（3） 頻率響應(yīng)：在20Hz20kHz±0.5dB（4） 轉(zhuǎn)換速度：應(yīng)大于5V/ms。（5） 動態(tài)范圍：應(yīng)大于7580dB。（6） 輸入/輸出信號匹配：前置放大器的輸入端和輸出端分別和節(jié)目源設(shè)備以及功率放大器相連。要使信號高質(zhì)量傳輸，必須滿足匹配條件，包括阻抗匹配、電平匹配、傳輸方式匹配等。（7） 均衡網(wǎng)絡(luò)要符

11、合RIAA標準和NAB標準。（8） 電源：高質(zhì)量的電源是前置放大器性能好壞的因素之一，應(yīng)包括低噪聲、大容量和低內(nèi)租等條件。前置放大器的電源應(yīng)與功率放大器的電源分開，單獨供電。(四) 音調(diào)控制器音調(diào)控制器是控制、調(diào)節(jié)音響放大器輸出頻率高低的電路，其控制曲線如圖4-2-1中折線所示。圖中 fo=1kHz中音頻率，要求增益Auo=0dB；fL1=1kHz低音轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十赫芝；fL2=10fL1中音頻轉(zhuǎn)折頻率；fH1=1kHz中音頻轉(zhuǎn)折頻率；fH2=10fH1高音頻轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫芝。圖4-2-1音調(diào)控制曲線 從圖中可見，音調(diào)控制器只對低音頻或高音頻進行提升或衰減，中音頻增益保持不變，

12、音調(diào)控制器由低通濾波器和高通濾波器共同組成。采用集成運放構(gòu)成音調(diào)控制器，如圖4-2-2所示。圖4-2-2 音調(diào)控制電路設(shè)C1=C2>>C3，在中、低音頻區(qū)，C3可視開路，在高音頻區(qū)，C1、C2可視為短路。當 f<f0時，音調(diào)控制器低頻等效電路如圖4-2-3所示，其中圖4-2-3（a）為RP1的滑臂在最左端，對應(yīng)于低音頻提升最大的情況，圖4-2-3（b）為RP1滑臂在最右端，對應(yīng)于低音頻衰減最大情況。圖4-2-3（a）實質(zhì)上是一個一階有源低通濾波器，其傳遞函數(shù)表達式為（a） (b)圖4-2-3 音調(diào)控制器低頻等效電路(a)低音頻提升 ( b)低音頻衰減 A(S)=·.

13、UoUi··RP1+R21+jw/w2=-·R11+jw/w1 4.2.1 式中 11f= w1= 或 L1 2pRP1C2RP1C2RP+R2w2=1RP1R2C2 或 fL2=RP1+R2 2pRP1R2C2f<fL1 時，C2可視為開路，運放的反相輸入端為虛地，因運放輸入電流I»0，R4影響可忽略，此時電壓增益為： AuLf=fL1時，由式RP1+R2= 4.2.2 R14.2.1得Au1模為 ·RP1+R2(1+0.1j)W=-·R1(1+j)W 4.2.3Au1=RP1+R22R1=AuL2 4.2.4此時電壓增益相對

14、AuL下降了3dB。f=fL2時，由式4.2.3得Au2=-·RP1+R2(1+j)W· 4.2.5 模為 R1(1+10j)WAu2RP1+R22=·=0.14AuL 4.2.6 R110此時電壓增益相對AuL下降了17dB。fL1<fLx<fL2范圍內(nèi)，電壓增益衰減速率為-20dB/10倍頻程。 同樣可得出圖4-2-3(b)所示電路表達式，其增益相對于中頻為衰減量。音調(diào)控制器工作在低音頻時，幅頻特性如圖4-2-1左半部虛線所示。當f>fo時，音調(diào)控制器高音頻等效電路如圖4-2-4(a)所示。在高音頻段C1、C2可視為短路，R4與R1、R2 組

15、成星形聯(lián)接，為分析方便，將其轉(zhuǎn)換成三角形聯(lián)接后的等效電路如圖4-2-4(b)所示。(a) (b)圖4-2-4 音調(diào)控制器高頻等效電路(a)高音頻等效電路 (b) 三角形聯(lián)接后的等效電路電阻關(guān)系式為Ra=R1+R4+(R1R4/R2)Rb=R2+R4+(R2R4/R1)Rc=R1+R2+(R1R2/R4)若取R1=R2=R4，則Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4這時高頻等效電路如圖4-2-5所示，圖4-2-5（a）為RP2的滑臂在最右端時，對應(yīng)于高頻提升最大的情況，圖4-2-5（b）為RP2滑臂在最左端時，對應(yīng)于高頻衰減最大的情況。該電路為一階有源高通濾波器，其傳遞函數(shù)表達式為A·

16、;.·(S)=Uo=-Rb1+jw/w3U·iR·w/w 4.2.7 a1+j4w3=1(R 或 fL1=12p(Ra+R3)C3a+R3)C3w14=1RCf=33 或 H22pR3C3（a） （b）圖4-2-5 高頻等效電路（a）高頻提升 （b）高頻衰減通過低頻等效電路相同方法分析，可得到以下關(guān)系式：f<fH1 時，C3可視為開路，Au0=1(0dB)f=fH1 時， Au3=2Au0=1.4(2.9dB)f=fH2 時， Au4=10/2Au0=7.1(17dB)f>fH2 時，C3可視為短路，電壓增益為AuH=Ra+R3)/R3 4.2.8fH

17、1<fHx<fH2范圍內(nèi),電壓提升速率為20dB/10倍頻程，音調(diào)控制器高頻時幅頻特性如圖4-2-1中右半部虛線所示。實際應(yīng)用中，通常是給出低頻區(qū)fLx和高頻區(qū)fHx處的提升量或衰減量x(dB),再根據(jù)下式求出轉(zhuǎn)折頻率fL2(fL1)和fH1(fH2)。即 fL2=fLxfH1=fLx(五) 功率放大器1.集成芯片TDA2030ATDA2030A使用于收錄機和有源音箱中, 作音頻功率放大器, 也可作其它電子設(shè)備中的功率放大。 因其內(nèi)部采用的是直接耦合, 亦可以作直流放大。2. TDA2030內(nèi)部原理圖如下4-3-1所示 x´26 4.2.9 4.2.10 x/26

18、3;«UCC£UCC圖4-3-1 TDA2030A集成功放的內(nèi)部電路2.單電源（OTL）應(yīng)用電路-組成功率放大電路對僅有一組電源的中、小型錄音機的音響系統(tǒng), 可采用單電源連接方式, 如圖4-3-2所示。 由于采用單電源供電, 故同相輸入端用阻值相同的R1、 R2組成分壓電路, 使K點電位為UCC/2,經(jīng)R3加至同相輸入端。 在靜態(tài)時, 同相輸入端、 反向輸入端和輸出端皆為UCC/2。£uo£«圖4-3-2 由TDA2030A構(gòu)成的單電源功放電路五 設(shè)計參數(shù)計算1混合前置放大器參數(shù)計算混合前置放大器電路由運放N2組成，為反相輸入加法器電路。Uo2

19、=-(R22/R21)Uo1+(R22/R23)ui2根據(jù)增益分配，混合級輸出電壓Uo2³37.5mV，而話筒放大器輸出Uo1已達到Uo2的要求。即Uo1=Au1Ui1=(7.8´0.5)mV=39mV，所以取R21=R22=39kW。錄音機插孔輸出的信號ui2一般為100mV，已遠大于Uo1要求，要對ui2進行適當衰減，否則會產(chǎn)生限幅失真（截頂失真）。取R23為100kW，為使音量可調(diào)，電位器RP21取10kW。2.音調(diào)控制器參數(shù)計算根據(jù)題意，100Hz和10kHz處有±12dB調(diào)節(jié)范圍。即fLx=100Hz,x=12dB，代入式（4.2.9）得fL2=fLx´2x/6=100Hz´212/6=400Hz 5.1 則 fL1=fL2/10=40Hz 5.2 又 fL1=10kHz x=12dB 代入式（4.2.10）得fH1=fLxx/26=10kHz/212/6=2.5kHz 5.3 則 fH2=10fH1=25kHz 5.3 因此 AuLRP31+R32=³20dB 5.4 R31R31 、R32、RP31不能取得太大，否則運放