音頻功率100W放大器設(shè)計全解

1、設(shè)計課題：音頻功率（100W放大器設(shè)計摘要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路被廣泛地應(yīng)用于各類電子電路中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展 和應(yīng)用。音頻功率放大器是功率集成電路的重要組成部分，并且廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品中。我國是全球最大的消費類電子商品市場和 生產(chǎn)基地，音頻功率放大器的需求日益倍增。 因此研究音頻功率放大 器有著非常重要的現(xiàn)實意義。本文通過對音頻功率放大電路知識和技術(shù)指標(biāo)的學(xué)習(xí)及研究，并在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，深入理解功率 放大的基本原理以及功放的類型， 然后選擇不同的方案，比較不同電 路之間的性能指標(biāo)，效率等，最終經(jīng)過綜合考慮設(shè)計了一款集成功率 BTL放

2、大電路，然后進(jìn)行仿真調(diào)試，實現(xiàn)了 100W的音頻功率放大， 但結(jié)合仿真圖像信號失真比較明顯。關(guān)鍵字：100W功率放大;OCL電路；BTL電路；multisim 軟件仿 真;TDA2030音頻放大器一、設(shè)計總體方案1、音頻功率放大電路概述音頻功率放大器是音響系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分， 其作用是將傳聲元器件獲 得的微弱信號放大到足夠的強度去推動放聲系統(tǒng)中的揚聲器或其他 電聲元器件，使原聲響重現(xiàn)。具電路一般可分為兩部分，前一部分進(jìn) 行小信號電壓幅值放大，后一部分采用功率放大器，與揚聲器相連。一般揚聲器的阻值較低，僅有 8左右，需要較大的輸出電流才能達(dá) 到較大的輸出功率，因此，需要功率放大器提供足夠功率，一般

3、電腦 的有源音箱大多采用這種方式。其簡單的構(gòu)成框圖如圖 1-1所示音頻信 號輸入 （麥克 風(fēng)）音頻信號輸出（揚聲器）溝置放K帶通：慮k功率放 人電路EI波器EI）電路圖i-i音頻功率放大器簡單的構(gòu)成框圖2、功率放大器的基本原理音頻功率放大器實際上就是對比較小的音頻信號進(jìn)行放大，使其功率 增加，然后輸出。其原理如圖（一）所示，前置放大主要完成對小信號 的放大，使用一個同向放大電路對輸入的音頻小信號的電壓進(jìn)行放 大，得到后一級所需要的輸入。后一級的主要對音頻進(jìn)行功率放大， 使其能夠驅(qū)動電阻而得到需要的音頻。設(shè)計時首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要 求，對整體電路做出適當(dāng)安排，確定各級的增益分配，然后對各級電路進(jìn)行

4、具體的設(shè)計。3、方案設(shè)計BTL 電 路 的 組 成 及 工 作 原 理 大家知道OCL和OTL兩種功放電路的效率很高，但是他們的缺點就是 電源的利用率都不高，其主要原因是在輸入正弦信號時，在每半個信 號周期中，電路只有一個晶體管和一個電源在工作。為了提高電源的 利用率，也就是在較低電源電壓的作用下， 使負(fù)載獲得較大的輸出功 率，一般采用平衡式無輸出變壓器電路，又稱為 BTL電路。電路如圖 1所示。圖1分立元件RTL電路圖在輸入信號Ui正半周時，V1, V4導(dǎo)通，V2, V3截止，負(fù)載電流由VCC經(jīng)V1, RL, V4流到虛地端。如圖 1中的實線所示。在輸入信號Ui負(fù)半周時，V1, V4載止，V

5、2, V3導(dǎo)通，負(fù)載電流由VCC經(jīng)V2, RL V3流到虛地端。如圖1中虛線所示?？梢姡?1)該電路仍然為乙類推挽放大電路，利用對稱互補的2個電路完成對輸入信號的放大；具輸出電壓的幅值為：UOMmVCC最 大 輸 出 功 率 為：Pom = 了 了一(2)同OTL電路相比，同樣是單電源供電，在 VCC RL相同條件 下，BTL電路輸出功率為OTL電路輸出功率的4倍，即BTL電路電源 利用率高；(3) BTL電路的效率在理想情況下，仍近似為 78.5%。集成功率放大電路構(gòu)成BTL電路的條件在實際工作中經(jīng)常用到集成功率放大電路，兩塊對稱集成功率放大電路也可構(gòu)成BTL電路。用集成電路怎樣才能構(gòu)成 B

6、TL電路。上面 已經(jīng)介紹了分立元件的BTL電路，首先我們來分析分立元件BTL電路 特點：(1)由電路結(jié)構(gòu)中可見，BTL電路由2個互補對稱電路構(gòu)成，A1, A2電路的元件參完全相同；2個互補放大器輸入端電壓極性相反，其值大小相等，即為 差模信號。2個互補集成放大電路輸出端電壓的極性相反，值大小相等， 即負(fù)載RL兩端電壓大小相等，極性相反。根據(jù)以上特點，可采用2種型號、參數(shù)完全相同的集成功率放大 電路，且使2個放大輸入信號極性相反，同時使負(fù)載兩端(輸出端) 的電壓極性相反，便可構(gòu)成BTL電路，在實際中通常這種方法，容易 使電路參數(shù)完全對稱，一般采用雙功率放大電路構(gòu)成。其原理框圖如 圖2所示，要求A

7、1, A2輸入信號大小相等，放大電路輸入、輸出回 路完全相同，只有這樣才能保證負(fù)載 RL兩端電壓大小相等；另一方面要求A1, A2都不具有(或都有)倒相作用，保證負(fù)載兩端電壓極 性相反。另一種方法就是將雙端輸入改為單端輸入，輸入、輸出信號 滿足上述要求即可。 凡u K&3 A2IU2巢血物率BTL組踮原理框用二、器件選擇及參數(shù)計算1、器件選擇：TDA2030音頻放大器芯片，TDA2030音頻放大器電路是最常用到的 音頻功率放大電路，TDA2030是高保真集成功率放大器芯片，輸出功 率大于10W,頻率響應(yīng)為101400Hz輸出電流峰值最大可達(dá)3.5A,其 內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級，且有

8、短路保護(hù)和過熱保護(hù)，可 確保電路工作安全可靠，采用正輸出單電源供電TDA203碰眼參數(shù)券數(shù)居嵇極限值單位電源電壓(Vs)18V輸入電壓回川VsV差分輸入電壓(V叫+ 15V噴值輸出電流0。135A耗散功章(Ptmxvm)20W工作結(jié)溫E)-40-+150七存儲結(jié)溫仃宜。-40-15。2、參數(shù)計算:假設(shè)電路電壓增益分配輸入級為10倍，輸出級為140倍，根據(jù)輸出 級的特點，每一個同相放大電路的電壓增益不低于 70倍即可。據(jù)此 選擇R12=R14=70& R13=R15=1kQ,考慮到電路的靜態(tài)、動態(tài)的對稱 平衡，取 R10=R11=70kQ,R8=R9=1kQo輸入級可以根據(jù)前面的理論分析進(jìn)行估算

9、，若穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5.1V,流過穩(wěn)壓管的電流為10mA,則R7為2.5KQ。取R3=R4=10kQ, R2-=R6=20KQ,R1 = 1kQ,信號的輸入端由戴維南等效電阻為 0.95238kQ,等效信號 為9.5238mv,等效負(fù)載電阻為10| (20+1) =6.774kQo 電流系數(shù)放大 130倍，取 R5=21.6kQ,取 21kQ。3、BTL電路圖其中Q1, Q2, Q3組成帶恒流源的差分放大電路， 使整個電路的輸入 級，其兩個單端輸出的大小相等，相位相反的信號，分別送給兩個完 全相同的同相放大電路，負(fù)載接在 U1和U2的輸出端，所以輸出級 為BTL放大電路。這樣整個電路輸入和輸出

10、特性達(dá)到對稱平衡，電路具有良好的性能指標(biāo)。16.7VVEEVEE16 7V三、用 multisim 仿真BTL電路XSC15 1R 2L$1功率仿真通過不斷的調(diào)整電阻值實現(xiàn)了 100W的功率放大，波形的失真是由于在正弦波上加了多種高次諧波造成的(如3次諧波、5次諧波等)所以稱為總諧波失真。理想的音頻功率放大器沒有諧波失真及 噪聲，所以THD+N=0%實際的音頻功率放大器有各種諧波造成的失 真及由器件內(nèi)或外部造成的噪聲，它有一定的 THD+N的值。這個值一般在0.00n%-10%之間(n=19)。0.1%以下耳朵基本感覺不出來。 結(jié) 果如圖所示四、設(shè)計心得1、收獲通過這次實驗自己查閱了大量的功率

11、放大方面的資料，查找了各種類型的功放電路，并對不同電路的性能指標(biāo)做了深入研究， 不斷的 篩選，然后確定參數(shù)，最后仿真調(diào)試，整個過程不僅加深了對此部分 知識的理解，更鍛煉了自己的實踐能力自學(xué)能力， 比如multisim的正 確安裝及使用，示波器的連接方式，TDA2030集成運放的功能及優(yōu)點。 另外，也讓我學(xué)會了解決問題的方法和在解決問題時要沉著冷靜，不能急于求成，從最基本的開始研究，逐漸找到解決問題的途徑，比如最開始看到這個題目，感覺有點不知從何入手，但是當(dāng)自己靜下心來 仔細(xì)的把教材讀懂，然后看一些參考數(shù)目后就有了自己的想法， 然后 開始實踐覺得輕松了許多，所以在做任何研究時，懂得基本原理是后 續(xù)工作的前提，通過本次的研究，相信會為以后的實驗增加信心。2、存在問題理想的音頻功率放大器，若不考慮該功率放大器的增益大小， 輸 入一定頻率的正弦波信號，其輸出也應(yīng)該是沒有失真（波形沒有變 形）、沒有噪聲的正弦波信號。但真實的音頻功率放大器的輸出音頻 信號總會有一點失真，并且疊加了噪聲（在正弦波上疊加了高頻雜