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學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計 題 目 音頻功率放大器的設(shè)計仿真與實現(xiàn) 學(xué) 院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 指導(dǎo)教師 年 月 日 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 音頻功率放大器的設(shè)計仿真與實現(xiàn) 初始條件： 可選元件：集成功放，電容、電阻、電位器若干；或自選元器件。 可用儀器：示波器，萬用表，毫伏表等。 要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計任務(wù) 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。完成對音頻功率放大器的設(shè)計、仿真、裝配與調(diào)試，并自制直流電源。 （2）設(shè)計要求 ① 輸出功率10W/8Ω；頻率響應(yīng)20~20KHz；效率>60﹪；失真小。 ② 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。 ③ 利用Proteus或Multisim仿真設(shè)計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 ④ 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計報告書。 ⑤ 選做：利用仿真軟件的PCB設(shè)計功能進行PCB設(shè)計。 時間安排： 1、 2016年12月 查閱資料，確定設(shè)計方案； 2、 2017年01月4日-2017年01月7日 完成仿真、制作實物等； 3、 2017年01月8日-2017年01月9日 調(diào)試修改； 4、 2017年01月9日-2017年01月10日 完成課程設(shè)計報告； 5、 2016年01月 11日 完成答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目 錄 摘 要 I 1引言 1 2音頻功率放大器的工作原理及組成 2 2.1前置放大電路 2 2.2功率放大電路 2 3方案設(shè)計與選擇 4 3.1 功率放大器的選擇 4 3.1.1 OTL互補對稱功率放大器 4 3.1.2用集成器件TDA2030實現(xiàn) 5 3.1.3 基于TDA2030的雙電源互補對稱功放 6 3.1.4 基于TDA2030的雙電源橋式推挽互補對稱功放 6 3.1.5 比較與選擇 8 3.2 整體電路 8 3.2.1 主要元件：TDA2030 8 3.2.2 放大電路的基本設(shè)計 9 3.3 各模塊功能與設(shè)計 10 3.3.1 放大模塊 10 3.3.2 輸入模塊 11 4電路原理及分析 13 4.1電路圖 13 4.2 波特圖輸出如圖 13 4.3 輸入輸出波形仿真 14 4.3.1 仿真波形情況 14 4.3.2 靈敏度測量 15 5 實際測試 16 6 主要元件介紹及參數(shù) 17 6.1 TDA2030 17 6.1.1 TDA2030參數(shù) 17 6.1.2 TDA2030介紹 18 6.2 1N4007G基本參數(shù) 18 6.3 2N2222A基本參數(shù) 18 7 電路仿真與調(diào)試 19 7.1 Proteus仿真 19 7.2 Multisim軟件對直流穩(wěn)壓電源仿真 20 8 實物展示 21 9 元件清單 22 10 心得體會 23 參考文獻 25 摘 要 音響放大器的設(shè)計目的是為了更好的掌握集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理，學(xué)會其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)測量方法以及掌握音響放大器的設(shè)計與電子線路系統(tǒng)的裝試和調(diào)試技術(shù)。本文主要介紹了基于TDA2030以及LM324的音響功放電路和前置放大電路。其中前置放大電路基于2N2222型號的BJT共集放大電路，功放電路基于TDA2030芯片，功放電路采用單電源互補對稱放大電路。 關(guān)鍵詞 TDA2030、射級跟隨器輸入級、單電源供電的TDA2030基本應(yīng)用電路。 26 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計 1引言 音頻功率放大器是功率集成電路中的一個重要組成部分,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,音頻功放的需求日益增加,因此研究音頻功率放大器具有非常重要的意義。 本文中介紹的是有前置放大電路和第二級功放電路構(gòu)成的印象放大電路，其中前置放大電路主要作用是將通過3.5mm音頻插頭傳入的微弱音頻信號進行放大，TDA2030基本應(yīng)用電路的作用是將前置放大后的音頻信號進行二次放大并帶動揚聲器發(fā)聲。 TDA2030的輸出功率大，失真小，有內(nèi)部保護電路，最大輸出功率能夠達到35W左右，其靜態(tài)電流小，帶負載能力強，可帶動4~16Ω的揚聲器。 共集放大電路則具有以下特性： 1、輸入輸入信號與輸出信號同相； 2、無電壓放大作用，電壓增益小于1且接近于1，因此共集電極電路又有“電壓跟 隨器”之稱 ； 3、電流增益高，輸入回路中的電流iB?輸出回路中的電流iE和iC； 4、有功率放大作用； 5、適用于作功率放大和阻抗匹配電路。 2音頻功率放大器的工作原理及組成 音頻功率放大器最主要組成部分是音頻放大器，用于對各種音源輸出的音頻信號進行加工處理和不失真的放大，使之達到一定功率，然后去推動揚聲器發(fā)聲。音頻功率放大器一般由兩部分組成，第一部分是前置放大器，第二部分是功率放大器。 音頻功率放大器的系統(tǒng)框圖如圖2.1。 音頻信號輸入 前置放大 （對輸入的音頻信號進行處理） 功放電路 (對音頻信號進一步放大并推動揚聲器發(fā)聲) 圖2.1 音響放大器的系統(tǒng)框圖 2.1前置放大電路 日常生活中話筒的輸出信號非常小，若直接通過功放電路輸出則可能達不到功率要求，故應(yīng)采用前置放大電路對輸入信號進行第一次放大。 前置放大器是把音頻信號放大，使放大后的信號在功率放大器的輸入范圍內(nèi)。 音響放大器輸入的聲音差別很大，輸出電壓范圍也很大。前置放大器的主要作用有以下兩個：第一是阻抗相匹配，第二是電壓幅度和靈敏度相匹配。前置放大器的要求一是功率管的噪聲要很低，二是保證它的頻帶足夠?qū)挘@樣才可以保證信號不失真的輸出。 2.2功率放大電路 功放應(yīng)該具有向負載輸出大信號功率的能力，即負載電阻上的信號電流、電壓的幅度都要求較大。功率放大器的主要任務(wù)是向額定的負載輸出額定的“不失真”信號功率。功率放大器是整個放大器系統(tǒng)的主體部分。它的設(shè)計制作水平對整個系統(tǒng)的音質(zhì)起著十分重要的作用。 功率放大電路的性能指標(biāo)有以下幾個： （1） 輸出功率：輸出功率是指功率放大器負載上所能獲得的功率。直接決定了功率放大電路的放大效果，是評定功放電路的主要性能指標(biāo)。本次課程設(shè)計所要求的輸出功率為8W。 （2） 頻率響應(yīng)：當(dāng)頻率超出放大電路的通頻帶時輸出信號會有明顯的衰減，所以在設(shè)計中應(yīng)該盡可能的是功放電路的通頻帶包含20Hz~20kHz的人可以聽見的頻率范圍（本次課程設(shè)計要求20Hz~20kHz），功放電路的頻率響應(yīng)特性決定了音響電路對不同頻率的音頻信號的輸出效果。 （3） 輸入阻抗：輸入阻抗越大則其索取信號能力越強，所以較高的輸入電阻可以減少信號的損失。 3方案設(shè)計與選擇 音頻功率放大器電路設(shè)計已經(jīng)比較成熟，前置放大器主要是對信號進行初步放大原理基本相同，效果相差不大故在此采用較為實用的基本共集電極放大電路。功率放大電路采用基于TDA2030的放大電路，在此對幾種普遍使用的功放電路進行介紹并對其主要特性進行比較。 3.1 功率放大器的選擇 3.1.1 OTL互補對稱功率放大器 OTL電路通常由兩個對稱的異型管構(gòu)成，因此又稱為互補對稱電路，圖 3-1 為單電源OTL互補對稱功率放大電路。電路中T1是推動級（電壓放大，也叫激勵級），其中Rb1、Rb2是T1的基極偏置電阻，Re為T1發(fā)射極電阻，Rb為T1集電極負載電阻，它們共同構(gòu)成T1的穩(wěn)定靜態(tài)工作點；T2、T3組成互補對稱功率放大電路的輸出級，且T2、T3工作在乙類狀態(tài)；C2為輸出耦合電容。功率放大器采用射極輸出器，提高了輸入電阻和帶負載的能力。 圖3.1 單電源OTL互補對稱功率放大電路 性能分析： 乙類互補推挽功放(OTL)的輸出功率的計算公式如下： 輸出功率： Po=UoIo=Uo2/Rl （3.1） 輸出最大功率：Pom=UoIo=Uo2Rl=Uom22Rl=Vcc28Rl 顯然Pom與電源電壓及負載有關(guān) 當(dāng)輸入功率為8W，阻抗8W時，有： Pom=Vcc28R （3.2） 另Vcc=888≈22.6V 則電路所需的電源為22.6V。 3.1.2用集成器件TDA2030實現(xiàn) TDA2030簡介：TDA2030是德律風(fēng)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)。該集成電路廣泛應(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。 電路特點：　　 [1].外接元件非常少。（基本應(yīng)用電路圖3.2） 　 [2].輸出功率大，Po=18W(Rl=4Ω)。 　　 [3].采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。 　　 [4].開機沖擊極小。 [5].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。 　　 [6].TDA2030A能在最低6V最高22V的電壓下工作在19V、8Ω阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD≤0.1%。用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。 圖3.2 使用單電源供電的TDA2030基本應(yīng)用電路 3.1.3 基于TDA2030的雙電源互補對稱功放 圖3.3 基于TDA2030的雙電源互補對稱功放 3.1.4 基于TDA2030的雙電源橋式推挽互補對稱功放 圖3.4 雙電源橋式推挽功放電路 橋式推挽功放電路利用雙電源供電，最大效率可達78.5%，并且使用使用雙電源由計算公式： Pv=2VccVomπRL （3.3） 知使用雙電源時Vcc為單電源的2倍，可以獲得更大的輸出功率。如圖5為雙電源互補對稱放大電路的圖解。 Vce O Vces Vces A O Q ic Vcom ic 圖3.5 雙電源互補對稱放大電路圖解 3.1.5 比較與選擇 通過比較，使用分立元件需要的元件較多，且必須考慮三級管的各種性能上的差異，和保護電路，并且該電路所需要的電源要求較高，功耗也比較大，輸出效率比較低。使用集成電路，外圍電路簡單，容易實現(xiàn)各項功能。運用集成芯片TDA2030完成音頻功率放大電路的設(shè)計，能夠更好地達到設(shè)計任務(wù)和要求。 而橋式推挽功放在相同的條件下，電源利用率（理想情況下）是100%，比OTL或OCL電路提高了50%，TL輸出功率是OCL或OTL的四倍但電路形式更為復(fù)雜，使用不方便。 綜上本次課程設(shè)計，單電源互補對稱放大電路只需要一個電源，并且要求的輸出功率為0.5W，單電源互補對稱放大電路和橋式推挽功放兩種電路均可以滿足，故采用單電源互補放大電路。 3.2 整體電路 3.2.1 主要元件：TDA2030 TDA2030A的外形和引腳圖如圖3.1所示。 1-同相輸入端，2-反相輸入端，3-負電源端，4-輸出端，5-正電源端。 圖3.3 TDA2030A引腳圖 TDA2030A音頻集成功放主要參數(shù)如表3.1所示： 表3.1 TDA2030A音頻集成功放主要參數(shù) 電源電壓 輸出峰值電流 3.5 A 輸入電阻 >0.5 MΩ 電壓增益 30 dB 頻響帶寬(BW) 0-140 kHz 3.2.2 放大電路的基本設(shè)計 整體電路設(shè)計：使用TDA2030加少量外圍元件，輸入端使用共集放大電路增加輸入阻抗。 圖3.4 放大器Multisim仿真圖 3.3 各模塊功能與設(shè)計 3.3.1 放大模塊 根據(jù)TDA2030的經(jīng)典應(yīng)用電路，在Multisim中的電路如圖3.3.1所示。 a）電路工作原理：該電路使用15v的單電源供電，TDA2030作為功率放大器，電阻R5和R4構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋電路，其電壓放大倍數(shù)： Auf≈1+R5R4 （3.3） 其值為30.6。 b）為了TDA2030能夠正常工作，1腳和2腳的電壓必須相同。其中R2和R3起分壓作用，使1腳的工作電壓Vcc/2。22uF的電容是Vcc/2電壓的濾波電容，為防止1腳電壓產(chǎn)生大波動。輸出端接的1Ω電阻和0.1uF電容式防止電路產(chǎn)生自激振蕩。 c）2個二級管為保護TDA2030作用，防止電源反接時流過電流運放過大。 R7為滑動變阻器，改變輸入端的電阻，可以改變輸入信號的大小。 d）當(dāng)電壓Vcc=15V時，電路的輸出功率可以達到8W以上。 圖3.5 TDA基本應(yīng)用電路Multisim仿真 3.3.2 輸入模塊 基本共集放大電路：共集放大電路又叫射極跟隨器，放大電路的放大倍數(shù)接近1，該放大電路的輸出跟輸入信號相同，即輸出信號隨輸入信號的變化發(fā)生相同的變化，具有“跟隨”的作用。它具有輸入電阻大（索取信號能量的能力大），輸出電阻小（給予負載信號能量的能力大）的特點，可以做多級放大器的輸入級。 圖3.6 以共射放大電路作為輸入級的Multisim仿真 電路如圖3.6所示，其中三級管使用2N2222A。放大倍數(shù)為100~300倍 2N2222A是一種最常用的普通三極管。它是一種低電壓，大電流，小信號的NPN型硅三極管 特性： 封裝：TO92極性：NPN 主要參數(shù)：60V，0.8A，500mW，300MHZ，HFE=100～300 理論計算：由圖可計算得，共集放大電路的放大倍數(shù)約等于1。 RL負載電阻約為20kΩ 其中輸入阻抗的計算，由共集放大電路的輸入阻抗公式可得： Ri=rbe+1+βRe//Rl//R2 （3.4） 由于2N2222的rbe約為1k，Re為3K，R2為200k 對輸入電阻作近似計算 Ri=（200*3）//200≈150k 故此電路的輸入阻抗近似為150k 4電路原理及分析 4.1電路圖 根據(jù)要求，仿真軟件選用Multisim和Proteus，在軟件中連接電路如圖4.1所示： 圖4.1 放大器電路Multisim仿真圖 4.2 波特圖輸出如圖 由圖4.2可以看出，其仿真的結(jié)果，在20Hz-20kHz內(nèi)的波形放大能力基本保持不變化。符合題目要求。 圖4.2 20Hz——20kHz的輸出波特圖 4.3 輸入輸出波形仿真 4.3.1 仿真波形情況 選用信號源1kHz，輸入100mvp，將R7調(diào)節(jié)到0%的位置。用示波器觀察仿真電路的情況。 圖4.3 輸入輸出波形Multisim仿真圖 其中，在仿真電路中Auf≈30.6 由上圖仿真可得，當(dāng)輸入為196.676mV時，輸出值為6.004V。 則放大倍數(shù)Auf=6.004/0.1967≈30.5。與近似計算理論值30.6比較接近。符合要求。 4.3.2 靈敏度測量 圖4.4 出現(xiàn)輕微失真的靈敏度測量Multisim仿真圖 當(dāng)繼續(xù)增大輸入電壓到100mVp時，輸出波形開始出現(xiàn)失真的現(xiàn)象，此時在輸入端接入電壓表，可以測量得電壓為144mV。則輸入靈敏度為144mV。 5 實際測試 圖5.1 輸出波形設(shè)置 圖5.2 輸出波形圖 由圖中可以看出，實物能夠起到放大作用，并且調(diào)整輸出功率在相應(yīng)要求內(nèi)，波形相應(yīng)變化且不失真。符合要求。 6 主要元件介紹及參數(shù) 6.1 TDA2030 6.1.1 TDA2030參數(shù) 圖6.1 TDA2030參數(shù) 圖6.2 TDA2030引腳圖 6.1.2 TDA2030介紹 TDA2030是德律風(fēng)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)。如圖11所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(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。 圖6.3 TDA2030封裝 6.2 1N4007G基本參數(shù) 最大平均正向電流(A):1 峰值反向電壓Vrrm(V):1000 最大全周期正向壓降VFM(V):1.100 最大非重復(fù)浪涌電流IFSM(A):30 最大反向電流IR(mA):0.010 封裝/溫度(℃):DO41/-65~175 6.3 2N2222A基本參數(shù) 極限工作電壓:60V 最大電流允許值:0.8A 最大工作頻率:<1MHZ 未知引腳數(shù):3 最大耗散功率:0.5W 放大倍數(shù):β>100 7 電路仿真與調(diào)試 本次課程設(shè)計選擇的Multisim和Proteus兩種仿真軟件，以上只列出了Multisim一種軟件的仿真，在合作之下，我們做出了Proteus的仿真，如下。 7.1 Proteus仿真 圖7.1 直流穩(wěn)壓電源的Proteus設(shè)計仿真 圖7.2 直流穩(wěn)壓電源和放大器電路的Proteus仿真 7.2 Multisim軟件對直流穩(wěn)壓電源仿真 圖7.3 直流穩(wěn)壓電源的Multisim仿真 圖7.4 Multisim中萬用表測直流穩(wěn)壓電源輸出端 8 實物展示 圖8.1 穩(wěn)壓直流電源和放大器實物正面 圖8.2 穩(wěn)壓直流電源和放大器實物背面 9 元件清單 元件清單如表9.1： 表9.1 元件清單 名稱 規(guī)格 數(shù)量 名稱 規(guī)格 數(shù)量 電阻 100kΩ 2 電容 2200uF 1 電阻 100Ω 2 電容 4.7 uF 1 電阻 4.7kΩ 1 電容 1uF 1 電阻 51kΩ 1 電容 0.1uF 1 電阻 1Ω 1 電容 220uF 2 電阻 20kΩ 1 BJT IN4007 7 電阻 3kΩ 1 插頭 1 電阻 200kΩ 1 芯片 LM317AH 1 電阻 300Ω 1 運放 TDA2030 1 電阻 3kΩ 1 喇叭 1 電容 1uF 2 話筒 1 10 心得體會 此次課程設(shè)計驗證了TDA2030基本應(yīng)用電路和共集放大電路的組合對音頻信號的放大，自主選擇了元件參數(shù)并參與選購，做出了音頻功率放大器和直流穩(wěn)壓電源的實物并且進行了測試。 在此過程中發(fā)現(xiàn)自己獨立設(shè)計電路的能力不足，在直流穩(wěn)壓電源的第一次設(shè)計時，未考慮到電容的最高擊穿電壓甚至接反了電容正負極，這直接導(dǎo)致了在插上電源過段時間后電路中電容的爆炸。在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)理論可行跟實際可行之間有一定的偏差，再設(shè)計電路時應(yīng)該綜合考慮元件實際的誤差和運行時發(fā)熱等對其參數(shù)的影響。更有在實物中線路的電阻問題，這與在軟件上仿真是完全不同的。 通過本次課程設(shè)計，將模擬電子電路中的有關(guān)功率放大，負反饋，集成運放電路等知識進行了運用，在一次次失敗中一點點發(fā)現(xiàn)問題然后去修改電路，重新摸索，是一種完全不同的學(xué)習(xí)方式，在電路的設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)很多基礎(chǔ)的知識都遺忘了所以不得不一次次的重新翻開課本去熟悉相關(guān)的內(nèi)容。 在搜集資料的過程中，發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上有很多聚集了很多高水平的電子愛好者的論壇、網(wǎng)站，如電子愛好者之家，在這里尋找資料同時也會被他人精妙的設(shè)計所吸引，從而對電子技術(shù)產(chǎn)生興趣，在很多作品中發(fā)現(xiàn)理論上的知識在實際運用中需要進行必要的修改和精簡，而且很多電路設(shè)計中的原理都是相同的掌握了它的本質(zhì)，就能根據(jù)自己的需要進行更改、組合，從而形成新的電路。另外發(fā)現(xiàn)了一本《電子制作》的雜志，內(nèi)容豐富，半月一刊，內(nèi)容不是特別難，可以適合我們學(xué)生動手制作。 平時對常用電路的積累也很重要，例如如果對典型的集成運放電路和常用的功率放大電路比較熟悉，在進行音頻功率放大放大器的設(shè)計和制作過程中，就能夠組合形成很多種方案從而不用一開始在設(shè)計時焦頭爛額。 對比不同的方案的差異性，能夠加深對電路的特性的認(rèn)識。比如這次課程設(shè)計中，我們小組對分立元件對信號的放大以及運放的基本應(yīng)用電路的比較和仿真，發(fā)現(xiàn)了運算放大器作為基本的集成運放是有著天然的優(yōu)勢的，當(dāng)然具體情況需要具體分析，也需要具體實際的電路來適應(yīng)環(huán)境。 此次課程設(shè)計中經(jīng)歷了很多次失敗，每一次的原因不盡相同，有的是由于接線時不夠仔細，接錯線，有的是因為基礎(chǔ)知識掌握的不牢固，影響最大的是對電路分析的欠缺，設(shè)計一個電路是選擇元件并不能很快就確定好大概的范圍，而是需要通過仿真軟件進行一點一點的修改，最后湊出一些參數(shù)的值，雖然最后仿真的結(jié)果正確，但是在實際操作的過程中有可能就因為元件的誤差而得不到想要的結(jié)果，并且如果是較復(fù)雜的電路，不能掌握電路的基本原理和計算方法很難迅速找出對結(jié)果有較大影響的元件，會浪費大量的時間。所以在平時應(yīng)該多了解一些常用的電路，熟能生巧，在練習(xí)中逐漸掌握相關(guān)的知識。 收獲最大的是在整個設(shè)計制作過程之中有小組成員的鼎力配合與積極應(yīng)對，并且在合作中更快的學(xué)會了使用Multisim這一仿真軟件，其中尋找元件、用線組裝、用表測量等行為都讓人對這個軟件欲罷不能。受益匪淺。 參考文獻 [1] 張翔,陳澄. 基于 NE5532 和 TDA2030 集成電路的音響放大器[J]. 電子制作，2014，14期. 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