課程設(shè)計(jì)-高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

1、學(xué) 號(hào)： 0120709330316課 程 設(shè) 計(jì)題 目高保真音頻功率放大器設(shè)計(jì)學(xué) 院信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)0703班姓 名 指導(dǎo)教師 2009年1月15日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)0703 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)目的根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成對(duì)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)。進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)Protel軟件的應(yīng)用和對(duì)模擬電子技術(shù)知識(shí)的理解。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求根據(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)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。 輸出功率10W/8；頻率響應(yīng)

2、2020KHz；效率>60；失真小。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。三、初始條件可選元件：集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的選擇應(yīng)滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)）。電容、電阻、電位器若干；或自備元器件。直流電源±12V，或自備電源?？捎脙x器：示波器，萬(wàn)用表，毫伏表四、時(shí)間安排1、2009年1月4日集中，作課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)

3、計(jì)報(bào)告格式的要求說(shuō)明。2、2009年1月12日至2009年1月13日，查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)電路的工作原理。3、2009年1月13日至2009年1月14日，電路裝配與調(diào)試。4、2009年1月15日撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。5、2009年1月16日課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行答辯。課設(shè)答疑地點(diǎn)：鑒主13樓電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日13武漢理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目 錄摘 要11設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求21.1 設(shè)計(jì)目的及主要任務(wù)2 1.1.1 設(shè)計(jì)目的 2 1.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)21.2 設(shè)計(jì)思想22 方案論證及整體電路

4、工作原理32.1方案確定與論證32.2整體電路工作原理33電路單元模塊設(shè)計(jì)43.1 電源電路的設(shè)計(jì)43.2 音頻輸入的設(shè)計(jì)43.3 集成功放的設(shè)計(jì)43.3.1 TEA2025B的OTL電路 44器件選擇及參數(shù)計(jì)算54.3 輸入電容的選取54.3自舉電容的選取54.3反饋電阻電容的選取54.4輸出電容的計(jì)算64.5音頻輸出器的選取65電路安裝與調(diào)試65.1 電路的安裝65.2 電路的調(diào)試與數(shù)據(jù)測(cè)定65.2.1 輸出電壓的測(cè)定75.2.2 輸出功率的計(jì)算75.2.3 電源供電功率的測(cè)定75.2.4 效率的計(jì)算75.2.5 輸出電壓波形圖 76 電路主要參數(shù)測(cè)定86.1 極限使用條件86.2典型工作

5、點(diǎn)主要電參數(shù)86.3 波形參數(shù)97設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn)107.1 設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)107.2 電路改進(jìn)意見(jiàn)108 元件列表109 心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)11摘要 本文介紹了采用集成功放芯片TEA2025設(shè)計(jì)高保真音頻功率放大器的原理與方法，闡述了集成芯片的比較選取，重點(diǎn)分析了TEA2025功放電路的結(jié)構(gòu)，記錄了其各項(xiàng)性能指標(biāo)。該功放的設(shè)計(jì)避免了單立元件組合電路布線(xiàn)復(fù)雜，輸出信號(hào)失真大的缺點(diǎn)，TEA2025單聲道功率放大集成電路，該電路具有聲道分離度高、電源接通時(shí)沖擊噪聲小、外接元件少，最大電壓增益可由外接電阻調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：TEA2025；高保真；失真??；效率高Abstract This

6、paper introduces an integrated power amplifier chip TEA2025 high-fidelity audio power amplifier design principle and method of chip on the comparative selection, focused on analyzing the structure of TEA2025 amplifier circuit record of its performance indicators. The amplifier design to avoid a sing

7、le element circuit wiring complexity, the output signal distortion major shortcomings, TEA2025 single channel power amplifier integrated circuits, the circuit has a high channel separation, the impact of noise when connected to power a small external components less, the biggest gain by external res

8、istor voltage regulator and so on.Key words: TEA2025; fidelity;small distortion ; efficient1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1設(shè)計(jì)目的及主要任務(wù)1.1.1設(shè)計(jì)目的要求了解集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理，掌握其外圍電路的設(shè)計(jì)與主要性能參數(shù)的測(cè)試方法。要求掌握音頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法與小型電子線(xiàn)路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)。 1.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)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)高保真音頻功率放大器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。 輸出功率10W/8；頻率響應(yīng)2020KHz；效率&

9、gt;60；失真小。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。1.2設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)首先在眾多集成功率放大器中選出符合設(shè)計(jì)要求且工作性能最佳的集成芯片。而整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分就在功放模塊電路的設(shè)計(jì)，該模塊完成的功能主要包括放大輸入音頻以及調(diào)節(jié)輸出音頻。隨后運(yùn)用Pspice軟件中的仿真功能對(duì)其予以仿真，從仿真的結(jié)果中分析程序的正確性。待所有模塊的功能正確之后，運(yùn)用原理圖搭建頂層電路并進(jìn)行整體仿真直至達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求，最后再在實(shí)驗(yàn)箱上檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確與

10、否。2 方案論證及整體電路工作原理2.1 方案確定與論證功率放大器的常見(jiàn)電路形式有單電源供電的OTL電路和正負(fù)雙電源供電的OCL電路。有集成運(yùn)放和晶體管組成的功率放大器，也有專(zhuān)用集成電路功率放大器芯片。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求，選擇TEA2025B功放芯片的OTL典型電路，該芯片具有音色甜美動(dòng)聽(tīng)、性能優(yōu)良，工作可靠，外圍元件少以及安裝方便等特點(diǎn)，電源電壓從2.2V到16.8V均可以正常工作，對(duì)電源電壓的適應(yīng)范圍很寬，靜態(tài)電流小，電源電壓增高時(shí)，輸出功率增大。另有一種方案為集成功放芯片的OCL電路，這種電路采用正負(fù)雙電源供電，該電路全部是直流耦合的，當(dāng)某一級(jí)電路某一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，多數(shù)情況下都將造成其余

11、放大級(jí)電路靜態(tài)工作點(diǎn)的牽連變化，出現(xiàn)聲音失真甚至燒機(jī)。2.2 整體電路工作原理由一片TEA2025B接成OTL功率放大器，電路書(shū)要分為電源電路（由電源輸入、電源穩(wěn)壓電路組成）、音頻輸入、TEA2025功放主體電路和音頻輸出。電路擬采用兩種電源輸入形式，USB接口輸入和CK插頭輸入，適用于不同場(chǎng)合使用，USB主要用于電腦隨放，CK 插頭可接自制直流穩(wěn)壓電源亦可接一般隨身聽(tīng)電源，非常方便。下圖為設(shè)計(jì)電路整體框圖： USB 電 源 輸 入 CK插頭 電 源 輸 入AMS1117 穩(wěn)壓電路音 頻 輸 入 TEA2025 集 成 功 放 電 路 音 頻 輸 出3 電路單元模塊設(shè)計(jì)3.1電源電路的設(shè)計(jì)考慮

12、到電源獲取的方便性，選取USB輸出+5V電源和一般隨身聽(tīng)4.5-6V電源作為本電源的供電模塊。但如果上述電源直接輸入，噪音太大，影響音質(zhì)。故選取了噪聲較低的集成穩(wěn)壓塊1117-33作穩(wěn)壓作用，+5V輸入，3.3V輸出。經(jīng)驗(yàn)證，此電壓經(jīng)TEA2025輸出可以驅(qū)動(dòng)8/3W喇叭發(fā)聲。下面是1117整流電路圖：圖3-1 AMS1117整流電路3.2音頻輸入的設(shè)計(jì)音頻輸入用一般的耳機(jī)輸出線(xiàn)改裝而成。去掉耳機(jī)頭，刮掉信號(hào)線(xiàn)表面膠漆，直接到集成功放輸入端。3.3集成功放的設(shè)計(jì)3.3.1 TEA2025B的OTL電路TEA2025集成電路的輸出功率由電源電壓和負(fù)載阻抗大小決定。既可以構(gòu)成單聲道OTL功放，又可

13、以組成BTL功放。本次課程設(shè)計(jì)采用其OTL典型電路，應(yīng)用電路如下圖所示：下面以表格的形式對(duì)各引腳做功能說(shuō)明：表3-3-1 TEA2025集成電路的引腳功能及數(shù)據(jù)說(shuō)明4 器件選擇及參數(shù)計(jì)算4.1輸入電容的選取該電路要加一輸入耦合電容，以減小噪聲輸入選取一小電容足矣，故取0.22F瓷片電容。4.2自舉電容的選取自舉電容使輸出幅值增加。建議值為100uF。自舉電容器避免減少輸出信號(hào)。此外，在低頻和低電源電壓時(shí)，有較好的減小失真的作用。4.3反饋電阻電容的計(jì)算圖4-6 TEA2025反饋電路輸出電壓由電阻人R1、R2、C1決定，其增益由下式?jīng)Q定：當(dāng)Rf=0，C1=100F，f=32Hz時(shí)，增益為46d

14、B。4.4輸出電容的計(jì)算最低輸出頻率由輸出電容決定根據(jù)以下式子給出：當(dāng)FL=100Hz,RL=8時(shí)，C=198.9 F，為留有余地，選取470F鋁電解電容。4.5音頻輸出器的選擇本設(shè)計(jì)選取了8/3W大紙盆喇叭。5 電路安裝與調(diào)試5.1電路的安裝按照電路設(shè)計(jì)圖，在線(xiàn)路板上合理布局后，將元件焊接在線(xiàn)路板上，安裝過(guò)程中，注意將電容盡量焊得離主芯片近些， AMS1117要加散熱片；另外要避免虛焊。這樣制作出的TEA2025B單聲道OTL電路。其音效好，音質(zhì)高，失真??；功率達(dá)標(biāo)；響應(yīng)頻帶寬；效率高。5.2電路的調(diào)試與數(shù)據(jù)測(cè)定要想功放各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到要求，有三大關(guān)鍵：1.要求電源品質(zhì)高。最初的設(shè)計(jì)中并未使用

15、1117穩(wěn)壓電路，電流噪聲大，幾乎完全壓倒音頻信號(hào)的輸出。加1117穩(wěn)壓電路后，電源性能好，對(duì)音頻信號(hào)干擾小。2.要求輸入、輸出濾波好。濾波不好，會(huì)輸出很大噪音或者產(chǎn)生嚴(yán)重失真。音頻信號(hào)輸入端串接了0.22F瓷片電容，輸出端串接470F電解電容，并聯(lián)0.15F瓷片電容，起到了很好的濾波作用。3.要求喇叭性能好。經(jīng)試音比較，選取了大紙盆喇叭，音質(zhì)更好。5.2.1 輸出電壓的測(cè)定用函數(shù)發(fā)生器給安裝好的電路提供頻率為1KHz，峰峰值為300mV的正弦交流電壓，用示波器觀(guān)察輸出端的波形，記錄此時(shí)輸出波電壓的有效值，并記錄下此時(shí)的波形圖。實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，測(cè)得輸出電壓的值為176.8mV。5.2.2 輸出

16、功率的計(jì)算在加8負(fù)載的情況下，根據(jù)功率計(jì)算公式求得輸出功率為=4mW。5.2.3 電源供電功率的測(cè)定用開(kāi)關(guān)電源給所設(shè)計(jì)的電路提供+5V的直流電壓，將電路輸入端斷開(kāi)，用萬(wàn)用表測(cè)得輸入電流=20mA。應(yīng)注意經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓后，提供給TEA2025B電路的電壓只有3.3V，故根據(jù)功率計(jì)算公式可得電源供電功率=66mW。5.2.4 效率的計(jì)算根據(jù)上面測(cè)量計(jì)算出的輸出功率和電源供電功率，可根據(jù)公式=，可計(jì)算出實(shí)際測(cè)試的效率只有6.06%。5.2.5 輸出電壓波形圖根據(jù)5.2.1節(jié)的條件，示波器上顯示的輸出電壓的波形圖如下：圖5-2-5 輸出電壓波形6 電路主要參數(shù)測(cè)定6.1極限使用條件在T.=25

17、-C時(shí)，電源電壓Vcc=15 V.輸出峰值電流10=1.5A。6.2典型工作點(diǎn)主要電參數(shù)TEA2025集成電路工作電源電壓范圍為3-12 V.典型工作電壓6-9 V。在Vcc=9 V,RL=8。Ta=25條件下，有以下主要電參數(shù)。1) 靜態(tài)電流ICQ 最大值為50 mA,典型值為40 mA。2) 電壓增益GV 雙聲道時(shí)的最大值為47 dB，最小值為43 dB，典型值為45 dB; BTL 時(shí)的最大值 為53 dB，最小值為49 dB，典型值為51 dB。3) 輸出功率PO 當(dāng)THD=10%,P=1 kHz時(shí)，雙聲道時(shí)的典型值為1.3 W, BTL時(shí)的典型 值為4.7 W。4) 諧波失真THD

18、當(dāng)F=1 kHz，Po=250 mW，RL=4。時(shí)，雙聲道時(shí)的最大值為1.5%，典型值為0.3%，BTL時(shí)的典型值為0.5%.列表如下：表6-2 典型工作點(diǎn)電參數(shù)6.3波形參數(shù)TEA2025輸出電壓-電流關(guān)系曲線(xiàn)，輸入-輸出電壓關(guān)系曲線(xiàn)，輸入電壓-輸出功率關(guān)系曲線(xiàn)，輸出功率-總諧波失真關(guān)系曲線(xiàn)圖。圖6-3 參數(shù)曲線(xiàn)圖7 設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn)7.1設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)本次課程設(shè)計(jì)所用的電路具有性能優(yōu)良，工作可靠，外圍元件少以及安裝方便等特點(diǎn)，電源電壓從2.2V到16.8V均可以正常工作，對(duì)電源電壓的適應(yīng)范圍很寬，靜態(tài)電流小，電源電壓增高時(shí)，輸出功率增大。7.2電路改進(jìn)意見(jiàn)因在調(diào)試電路過(guò)程中發(fā)現(xiàn)輸出

19、功率及效率都不夠指標(biāo)的要求，分析電路可知，TEA2025B所構(gòu)成的電路本身提供的輸出功率就小，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，可考慮添加電路中TEA2025B芯片的數(shù)量，也可擴(kuò)展其外圍電路，使得輸出功率及效率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。8元件列表元 件 列 表元件名稱(chēng)與規(guī)格數(shù)量元件名稱(chēng)與規(guī)格數(shù)量TEA2025B1片AMS11171片470F鋁電解電容1個(gè)100F鋁電解電容6個(gè)0.22F瓷片電容1個(gè)103J瓷片電容1個(gè)200電阻2個(gè)0.1F瓷片電容1個(gè)1電位器1個(gè)8、3W喇叭1個(gè)USB接口1個(gè)CK插頭1個(gè)自制音頻輸出線(xiàn)1根導(dǎo)線(xiàn)若干9心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)至此已經(jīng)接近尾聲，一周的時(shí)間雖然很短暫，但在這一個(gè)個(gè)星期的設(shè)計(jì)過(guò)程中收獲頗豐。整個(gè)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中首先對(duì)模擬電路這門(mén)課程有了更深的了解，因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)本身要求將以前所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中去，在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)形中便加深了對(duì)模擬電路