課程設計報告高保真音頻功率放大器

1、-. z.題目名稱：高保真音頻功率放大器姓 名： 朱* 班 級： 測控112 學 號： 日 期： 2013年*月*日 模擬電子電路課程設計任務書適用專業(yè)：測控技術與儀器、電子信息工程、電氣工程及其自動化設計周期：一周一、設計題目：高保真音頻功率放大器的設計與調試二、設計目的音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率*圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率*圍內具有良好的頻率響應。音頻功率放大器的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。三、設計要求及主要電路指標設計要求：設計并

2、仿真高保真音頻功率放大器。1、方案論證，確定總體電路原理方框圖。2、單元電路設計，元器件選擇。3、仿真調試及測量結果。主要電路指標輸出功率10W/8，頻率響應2020KHZ，效率60，失真小。四、仿真需要的主要電子元器件1、運算放大電路 2、BJT 三極管3、滑線變阻器4、電阻器、電容器等五、設計報告總結要求自己獨立完成，不允許抄襲。1、對所測結果進展全面分析，總結消除交越失真的方法。2、分析討論仿真測試中出現的故障及其排除方法。3、給出完整的電路仿真圖。4、體會與收獲。一、方案論證與比擬1.1 方案提出方案一：甲類放大器作為一種最古老，效率最低，最耗電，最笨重，最耗資，失真最小的放大器它有吸

3、引人的音質。甲類放大器輸出電路本身具有抵消奇次諧波失真，且甲類放大器管子始終工作在線性曲線內，晶體管自始自終處于導通狀態(tài)。因此，不存在開關失真和交越失真等問題。甲類放大器始終保持大電流的工作狀態(tài)。 方案二：OCL互補對稱功放電路一般包括驅動級和功率輸出級，前者為后者提供一定的電壓幅度，后者則向負載提供足夠的信號頻率，以驅動負載工作。驅動級應用運算放大器A741來驅動互補輸出級功放電路。 功率輸出級由雙電源供電的OCL互補對稱功放電路構成。 為了克制交越失真，由二極管和電阻構成輸出級的偏置電路，以使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)。 為了穩(wěn)定工作狀態(tài)和功率增益并減小失真，電路中引入電壓串聯負反應。具體實現

4、：驅動級電路的一般實現 驅動級由運算放大器組成，并引入電壓串聯負反應，帶負反應的驅動級的一般實現圖如下：圖 1驅動及電路在實際電路中參加R1、R2 和電位器Rp1來改變電路的放大倍數。復合管準互補推挽電路的一般實現電路 由于大功率的NPN和PNP管不容易做到良好的對稱性，為了提高功放電路的性能。在實際應用中廣泛采用復合功率管。 如圖2為復合管準互補對稱功放電路圖 2復合管準互補推挽電路輸出保護電路的一般實現 輸出保護電路如圖3所示是一個三極管式正、負向直流電壓檢測電路。對其原理作簡要說明。圖 3輸出保護電路方案二：該方案用兩塊TDA2030組成如圖4所示的BTL功放電路，TDA 2030上為同

5、相放大器，輸入信號Vin通過2.2uF交流耦合電容饋入同相輸入端1腳; TAD 2030下為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 2030上輸出端的 01 U 經22k、680分壓器衰減后取得的，并經22uF電容后饋給反相輸入端 2腳。兩個功放管的輸出信號相位相反，使輸出電壓加倍。在輸入信號比擬小的情況下，利用集成功率放大電器對信號的放大作用對信號進展處理，集成功率放大器性能穩(wěn)定，特別是TDA2030A，它是最常用的音頻集成功放，性能十分優(yōu)良，輸出功率大，為了到達設計要求輸出功率10W，使用兩塊TDA2030A組成BTL電路，它的功率要比OTL電路增大23倍，TDA2030A屬于經濟型集成，使用

6、方便。電路設計采用阻容耦合方式，體積小，重量輕，頻率響應好，各級靜態(tài)工作點獨立。TDA2030A集成電路的特點是輸出功率大，而且保護性能比擬完善，當輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動的減少電流或轉為截止，實現自我保護，使電路更加完善。圖 4BTL功放電路1.2設計方案的論證和選擇對于方案一，甲類放大器通常需要偏置電壓才能工作，放大輸出的電壓幅度不能超出偏置*圍，所以能量轉換效率很低，理論上最高不超過50%；對于方案二，電路較復雜，設計所需要的原件種類多，這樣使設計過程中存在諸多變化因素，致使所做出來的電路音頻放大效果不好，而且在選電路前用multisim進展仿真模擬也出現較大的問題。 對于方

7、案三，比擬簡練，一目了然，思路清晰，并且采用比擬少的電容，采用可調電阻使得結果更為準確，且BTL功放輸出功率大，抗干擾強，噪聲低，關鍵是容易制作成功。本設計旨在用集成設計高保真音頻放大電路，揚聲器選擇的是10W/8，并確保輸入信號在20HZ20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要??；由于功率放大電路是在大信號下工作，所以不可防止地會產生非線性失真，但隨著消費的不斷提升，人們對音響的要求也越來越高，所以減小失真就是設計的主要任務。元件的選取方面，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)互調失真小，在目前流行的數十種功率放大集成電路中，

8、規(guī)定瞬態(tài)互調失真指標的僅有包括TDA 2030在內的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調失真是決定放大器品質的重要因素，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。根據掌握的資料，在各國生產的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA 2030的輸出功率卻能達18W，假設使用兩塊電路組成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

9、條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當地進展使用。 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。該電路由于價廉質優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。而且此電路采用的是性能十分優(yōu)良的TDA 2030功率放大集成電路，且其外圍電路簡單，使用方便，在現有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，對于第

10、一次做課程設計的我們不失為一個較好的選擇。 綜上，最后選定方案二。二、系統的功能及設計框圖2.1 系統的全部功能、要求及技術指標。音頻放大器的目的是以要求的音量和功率水平在發(fā)聲輸出元件上重新產生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率*圍約為20 Hz20 kHz，因此放大器必須在此頻率*圍內具有良好的頻率響應。 音頻功率放大器的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，效率盡可能高。非線性失真盡可能小。 音頻功率放大器的特點： 1 輸出功率足夠大 為獲得足夠大的輸出功率， 功放管的電壓和電流變化*圍應很大。 2 效率要高 功率放大器的效率是指負載上得到的信號功率與電源供應的直流功率之

11、比。 3 非線性失真要小 功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、 電流擺動幅度很大，極易超出管子特 性曲線的線性*圍而進入非線性區(qū)， 造成輸出波形的非線性失真，因此，功率放大器比小信號的電壓放大器的非線性失真問題嚴重。 功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補對稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽電路和變壓器耦合功放電路，等等。 本設計旨在用集成設計高保真音頻放大電路，揚聲器選擇的是10W/8，并確保輸入信號在20HZ20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要??； 由于功率放大電路是在大信號下工作，所以不可防止地會產生非線性失真，但隨著消費的不斷

12、提升，人們對音響的要求也越來越高，所以減小失真就是設計的主要任務。 元件的選取方面，由于TDA2030A集成電路的特點是輸出功率大，而且保護性能比擬完善，當輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動的減少電流或轉為截止，實現自我保護，使電路更加完善。2.2確定設計框圖系統包含的單元電路及構造和總體設計方案電路的總程序框圖如下：圖 5電路總程序框圖 先將音頻信號輸入到功率放大器中，再經過功率放大器的放大輸出信號先經過同相放大器，再經過反相放大器，同時存在負反應電路對輸出的信號進展反應，從而起到自動調節(jié)輸出作用。方案設計電路圖如圖6所示：圖 6 方案設計電路圖該電路用兩塊TDA2030組成入上圖所示的B

13、TL功放電路，TDA20301為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1輸入放大器的同相輸入端，交流閉環(huán)增益為Kvc=1+R3/R2R3/R230dB。R3同時又使電路構成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。TDA20302為反相放大器，它的輸入信號是由TDA20301輸入端的U01經R5,R7分壓器衰減后取得的，并經過電容C6后反相輸入端，它的交流閉環(huán)增益Kvc=R9/R7/R5R9/R730dB。由R9=R5，所以TDA20301與TDA20302的兩個輸入信號U01與U02應該是幅度相等相位相反的，即：U01UinR3/R2 U02-U01R9/R5R9=R5U02=-U01因

14、此在揚聲器上得到的交流電電壓應為：Uo=U01-U02=2U01=2U02揚聲器上得到的功率PY按下式計算： PY=Uz/Rl=(2U01)/Rl=4(U01)/Rl=4PMONO BTL功放電路能把單電路功放的輸出功率PMONO擴展4倍，但實際上卻受到集成電路本身功耗和最大輸出電流的限制，該電路假設在Vs=14V工作時，PO=28W。2.3單元電路的分析與設計：1反應電路：引入反應后，如果輸出電壓或電流增大，則反應信號也增大，結果使凈輸入信號減少，輸出也趨于減小，從而起到自動調節(jié)輸出作用。 由于放大電路中存在非線性器件三極管，場效應管等，所以即使輸入信號Vi為正弦波信號，輸出也不可能是標準的

15、正弦波，而會產生一定的非線性失真。引入負反應后，非線性失真將會減小。 假設一放大器在沒加負反應之前通頻帶BW=Hf-LfHf,引入負反應后，放大器的通頻帶BW F =BWAF,這說明引入負反應后，放大器的通頻帶擴展了1+AF倍，負反應具有穩(wěn)定閉環(huán)增益的作用，因而對于頻率增大或減小引起的增益下降，具有穩(wěn)定作用。2功率放大電路：TDA20301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1腳，交流閉環(huán)增益為KVC11R3 / R2R3 / R230dB。R3 同時又使電路構成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。TAD 20302為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 20301

16、輸出端的U01 經R5、R7分壓器衰減后取得的，并經電容C6 后饋給反相輸入端2腳，它的交流閉環(huán)增益KVC2R9 / R7/R5R9/R730dB。由R9R5，所以TDA 20301與TDA 20302的兩個輸出信號U01 和U02 應該是幅度相等相位相反的 。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。系統仿真調試分析3.1軟件仿真原理圖軟件仿真原理圖如圖8所示：圖 8原件仿真原理圖3.2模擬仿真過程利用圖 8所示仿真電路圖

17、進展電路進展了以下電路測試及調試。1開場時輸入1V，600HZ的正弦波時，輸出波形出現了嚴重失真。波形如以下圖所示。圖9輸出失真波形圖2于是繼續(xù)調節(jié)，不斷減小電壓值，調整輸入1V，600Hz為230mV，600Hz的正弦波時，輸出曲線不再失真，而功率值也到達了要求的 10W 值。波形如以下圖所示。圖10輸出未失真波形圖3.3各項指標測試當輸入0.38V，600HZ的正弦波時，到達最大不失真電壓，且到達最大功率。輸出波形如以下圖所示：圖11輸出最大功率波形圖 從仿真可以看出，該電路圖的設計是成功的，到達了設計要求，輸入交流電壓為 0.38伏時，可以使功率最大到達 27W。 2為得到最小頻率，慢慢

18、減小輸入的頻率，直到波形剛出現失真，當輸入0.23V，15HZ的正弦波時，到達最小不失真頻率，輸出波形如以下圖所示：圖12最小不失真頻率波形圖3為得到最大頻率，慢慢增大輸入的頻率，直到波形剛出現失真，當輸入0.23V，20KHZ的正弦波時，到達最大不失真頻率，輸出波形如以下圖所示：圖13最大不失真頻率波形圖四、結語這一次模電課程設計做完之后收獲很多。因為之前對仿真完全不會，只是聽說過，不會用。雖然花了一些時間去學習它的用法，但在這個查資料自學的過程，感覺挺不錯的。覺得這個仿真軟件真是好玩，真懊悔在剛開場學模電的時候就應該學著用multisim，用這個軟件可以提高學習興趣，還可以加深我們對理論的理解，是個好軟件，以后學習一定要主動，不能再被動了，這也是課設的目的吧！ 這次課程設計的學習，學到了很多關于電路理論方面和時間方面的知識，受益匪淺。從中不僅鍛煉了自己的動手能