課程設(shè)計報告---高保真音頻功率放大器

1、<p>　　題目名稱：高保真音頻功率放大器</p><p>　　姓 名： </p><p>　　班 級： 測控112 </p><p>　　學 號： </p><p>　　日 期： 2013年*月*日 &l

2、t;/p><p>　　模擬電子電路課程設(shè)計任務(wù)書 </p><p>　　適用專業(yè)：測控技術(shù)與儀器、電子信息工程、電氣工程及其自動化</p><p><b>　　設(shè)計周期：一周</b></p><p>　　一、設(shè)計題目：高保真音頻功率放大器的設(shè)計與調(diào)試</p><p><b>　　二、設(shè)計目的

3、 </b></p><p>　　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(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz～20 kHz，因此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。</p><p>　　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。</p><p>

4、;　　三、設(shè)計要求及主要電路指標 </p><p>　　設(shè)計要求：設(shè)計并仿真高保真音頻功率放大器。</p><p>　　1、方案論證，確定總體電路原理方框圖。 </p><p>　　2、單元電路設(shè)計，元器件選擇。 </p><p>　　3、仿真調(diào)試及測量結(jié)果。 </p><p><b>　　主要電路指標 &l

5、t;/b></p><p>　　輸出功率10W/8Ω，頻率響應(yīng)20~20KHZ，效率>60﹪，失真小。</p><p>　　四、仿真需要的主要電子元器件 </p><p>　　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 </p><p>　　五、設(shè)計報告總結(jié)（要求自己獨立完成，不允許抄襲）。</

6、p><p>　　1、 對所測結(jié)果進行全面分析，總結(jié)消除交越失真的辦法。 </p><p>　　2、 分析討論仿真測試中出現(xiàn)的故障及其排除方法。 </p><p>　　3、 給出完整的電路仿真圖 。</p><p><b>　　4、 體會與收獲。</b></p><p><b>　　一、方案論

7、證與比較</b></p><p><b>　　1.1 方案提出</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　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引人的音質(zhì)。</p><p>　　甲類放大器輸出電路本身具有抵消奇次

8、諧波失真，且甲類放大器管子始終工作在線性曲線內(nèi)，晶體管自始自終處于導通狀態(tài)。因此，不存在開關(guān)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)。 </p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　OCL互補對稱功放電路一般包括驅(qū)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(qū)動負載工作。</p>

9、<p>　　驅(qū)動級應(yīng)用運算放大器μA741來驅(qū)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(gòu)成。 為了克服交越失真，由二極管和電阻構(gòu)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(lián)負反饋。</p><p><b>　　具體實現(xiàn)：</b></p><p>　　驅(qū)動級電路的

10、一般實現(xiàn) </p><p>　　驅(qū)動級由運算放大器組成，并引入電壓串聯(lián)負反饋，帶負反饋的驅(qū)動級的一般實現(xiàn)圖如下：</p><p><b>　　圖 1</b></p><p><b>　　驅(qū)動及電路</b></p><p>　　在實際電路中加入R1、R2 和電位器Rp1來改變電路的放大倍數(shù)。</

11、p><p>　　復(fù)合管準互補推挽電路的一般實現(xiàn)電路</p><p>　　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(yīng)用中廣泛采用復(fù)合功率管。 </p><p>　　如圖2為復(fù)合管準互補對稱功放電路</p><p><b>　　圖 2</b></p><p>　　

12、復(fù)合管準互補推挽電路</p><p>　　輸出保護電路的一般實現(xiàn) </p><p>　　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。</p><p><b>　　圖 3</b></p><p><b>　　輸出保護電路</b></p><p&

13、gt;<b>　　方案二：</b></p><p>　　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(jīng)22k、680Ω分壓器衰減后取得的，并經(jīng)22uF電容后饋給反相輸入端 2腳。兩個功放

14、管的輸出信號相位相反，使輸出電壓加倍。</p><p>　　在輸入信號比較小的情況下，利用集成功率放大電器對信號的放大作用對信號進行處理，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，為了達到設(shè)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2~3倍，TDA2030A屬于經(jīng)濟型集成，使用方便。電路設(shè)計采用阻容耦合方式

15、，體積小，重量輕，頻率響應(yīng)好，各級靜態(tài)工作點獨立。</p><p>　　TDA2030A集成電路的特點是輸出功率大，而且保護性能比較完善，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(zhuǎn)為截止，實現(xiàn)自我保護，使電路更加完善。</p><p><b>　　圖 4</b></p><p><b>　　BTL功放電路</b>

16、</p><p>　　1.2設(shè)計方案的論證和選擇</p><p>　　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范圍，所以能量轉(zhuǎn)換效率很低，理論上最高不超過50%；</p><p>　　對于方案二，電路較復(fù)雜，設(shè)計所需要的原件種類多，這樣使設(shè)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multis

17、im進行仿真模擬也出現(xiàn)較大的問題。 </p><p>　　對于方案三，比較簡練，一目了然，思路清晰，并且采用比較少的電容，采用可調(diào)電阻使得結(jié)果更為精確，且BTL功放輸出功率大，抗干擾強，噪聲低，關(guān)鍵是容易制作成功。本設(shè)計旨在用集成設(shè)計高保真音頻放大電路，揚聲器選擇的是10W/8Ω，并確保輸入信號在20HZ~20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要?。?lt;/p><p>

18、　　由于功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產(chǎn)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(shè)計的主要任務(wù)。</p><p>　　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(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。</p><p&

19、gt;　　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 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 。</p><p>　　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

20、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）。 </p><p>　　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。

21、 TDA2030在電源電壓±14V，負載電阻為4Ω時輸出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在電源電壓 ±16V，負載電阻為4Ω時輸出18瓦功率（失真度≤0．5％）。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。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(xiàn)有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，對于第一次做課程設(shè)計的

22、我們不失為一個較好的選擇。 </p><p>　　綜上，最后選定方案二。</p><p>　　二、系統(tǒng)的功能及設(shè)計框圖</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的全部功能、要求及技術(shù)指標。</p><p>　　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(chǎn)生真實、高效和低失真的輸入音頻信號。音頻頻率范圍約為20 Hz～20 kHz，因

23、此放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。 </p><p>　　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。 </p><p>　　音頻功率放大器的特點： </p><p>　?。?） 輸出功率足夠大 </p><p>　　為獲得足夠大的輸出功率， 功放管的電壓和電流

24、變化范圍應(yīng)很大。 </p><p>　?。?） 效率要高 </p><p>　　功率放大器的效率是指負載上得到的信號功率與電源供給的直流功率之比。</p><p>　?。?） 非線性失真要小 </p><p>　　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</p><p

25、>　　性曲線的線性范圍而進入非線性區(qū)， 造成輸出波形的非線性失真，因此，功率放大器</p><p>　　比小信號的電壓放大器的非線性失真問題嚴重。 </p><p>　　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。</p><p>　　本設(shè)計旨在用集成設(shè)計高保真

26、音頻放大電路，揚聲器選擇的是10W/8Ω，并確保輸入信號在20HZ~20KHZ不失真；輸出功率盡可能的大；效率更高，非線性失真要??；</p><p>　　由于功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產(chǎn)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(shè)計的主要任務(wù)。</p><p>　　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

27、保護性能比較完善，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(zhuǎn)為截止，實現(xiàn)自我保護，使電路更加完善。</p><p>　　2.2確定設(shè)計框圖（系統(tǒng)包含的單元電路及結(jié)構(gòu)）和總體設(shè)計方案</p><p>　　電路的總程序框圖如下：</p><p><b>　　圖 5</b></p><p><b>　　電路

28、總程序框圖</b></p><p>　　先將音頻信號輸入到功率放大器中，再經(jīng)過功率放大器的放大輸出信號（先經(jīng)過同相放大器，再經(jīng)過反相放大器），同時存在負反饋電路對輸出的信號進行反饋，從而起到自動調(diào)節(jié)輸出作用。</p><p>　　方案設(shè)計電路圖如圖6所示：</p><p><b>　　圖 6 </b></p>&l

29、t;p><b>　　方案設(shè)計電路圖</b></p><p>　　該電路用兩塊TDA2030組成入上圖所示的BTL功放電路，TDA2030（1）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/R2≈R3/R2≈30dB。</p><p>　　R3同時又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。<

30、/p><p>　　TDA2030（2）為反相放大器，它的輸入信號是由TDA2030（1）輸入端的U01經(jīng)R5,R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)過電容C6后反相輸入端，它的交流閉環(huán)增益Kvc=R9/R7//R5≈R9/R7≈30dB。</p><p>　　由R9=R5，所以TDA2030（1）與TDA2030（2）的兩個輸入信號U01與U02應(yīng)該是幅度相等相位相反的，即：</p>&l

31、t;p>　　U01≈Uin?R3/R2</p><p>　　U02≈-U01?R9/R5</p><p><b>　　∵R9=R5</b></p><p><b>　　∴U02=-U01</b></p><p>　　因此在揚聲器上得到的交流電電壓應(yīng)為：</p><p>

32、　　Uo=U01-（-U02）=2U01=2U02</p><p>　　揚聲器上得到的功率PY按下式計算： </p><p>　　PY=Uz²/Rl=(2U01)²/Rl=4(U01)²/Rl=4PMONO </p><p>　　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

33、限制，該電路若在Vs=±14V工作時，PO=28W。</p><p>　　2.3單元電路的分析與設(shè)計：</p><p><b>　?。?）反饋電路：</b></p><p>　　引入反饋后，如果輸出電壓（或電流）增大，則反饋信號也增大，結(jié)果使凈輸入信號減少，輸出也趨于減小，從而起到自動調(diào)節(jié)輸出作用。 ?</p>

34、<p>　　由于放大電路中存在非線性器件（三極管，場效應(yīng)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正弦波，而會產(chǎn)生一定的非線性失真。引入負反饋后，非線性失真將會減小。 ?</p><p>　　假設(shè)一放大器在沒加負反饋之前通頻帶BW=Hf-LfHf?,引入負反饋后，放大器的通頻帶BW F =BWAF,這說明引入負反饋后，放大器的通頻帶擴展了（1+AF）倍，負反饋具有穩(wěn)定閉環(huán)增

35、益的作用，因而對于頻率增大（或減?。┮鸬脑鲆嫦陆?，具有穩(wěn)定作用。</p><p>　?。?）功率放大電路：</p><p>　　TDA2030（1）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KVC1＝1＋R3 / R2≈R3 / R2≈30dB。R3 同時又使電路構(gòu)成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。</p><p>

36、　　TAD 2030（2）為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 2030（1）輸出端的U01 經(jīng)R5、R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容C6 后饋給反相輸入端2腳，它的交流閉環(huán)增益KVC2＝R9 / R7//R5≈R9/R7≈30dB。由R9＝R5，所以TDA 2030（1）與TDA 2030（2）的兩個輸出信號U01 和U02 應(yīng)該是幅度相等相位相反的 。</p><p>　　另一方面，大功率集成塊由于所用電源電

37、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。</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真調(diào)試分析</b></p><p>　　3.1軟件仿真原理圖</p><p>　　軟件仿真原理圖如圖8所示：</p>

38、<p><b>　　圖 8</b></p><p><b>　　原件仿真原理圖</b></p><p><b>　　3.2模擬仿真過程</b></p><p>　　利用圖 8所示仿真電路圖進行電路進行了下列電路測試及調(diào)試。</p><p>　?。?）開始時輸入1V，6

39、00HZ的正弦波時，輸出波形出現(xiàn)了嚴重失真。波形如下圖所示。</p><p><b>　　圖9</b></p><p><b>　　輸出失真波形圖</b></p><p>　　（2）于是繼續(xù)調(diào)節(jié)，不斷減小電壓值，調(diào)整輸入1V，600Hz為230mV，600Hz的正弦波時，輸出曲線不再失真，而功率值也達到了要求的 10W 值

40、。波形如下圖所示。</p><p><b>　　圖10</b></p><p><b>　　輸出未失真波形圖</b></p><p><b>　　3.3各項指標測試</b></p><p>　　當輸入0.38V，600HZ的正弦波時，達到最大不失真電壓，且達到最大功率。輸出波形

41、如下圖所示：</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　輸出最大功率波形圖</b></p><p>　　從仿真可以看出，該電路圖的設(shè)計是成功的，達到了設(shè)計要求，輸入交流電壓為 0.38伏時，可以使功率最大達到 27W。 </p><p>　　（2）為得到最小頻率，慢慢減

42、小輸入的頻率，直到波形剛出現(xiàn)失真，當輸入0.23V，15HZ的正弦波時，達到最小不失真頻率，輸出波形如下圖所示：</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　最小不失真頻率波形圖</p><p>　?。?）為得到最大頻率，慢慢增大輸入的頻率，直到波形剛出現(xiàn)失真，當輸入0.23V，20KHZ的正弦波時，達到最大不失真頻率，輸出

43、波形如下圖所示：</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　最大不失真頻率波形圖</p><p><b>　　四、結(jié)語</b></p><p>　　這一次模電課程設(shè)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

44、的過程，感覺挺不錯的。覺得這個仿真軟件真是好玩，真后悔在剛開始學模電的時候就應(yīng)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(shè)的目的吧！ </p><p>　　這次課程設(shè)計的學習，學到了很多關(guān)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力，也加深了對音頻功能功率放大器方面知識的理解。</p>

45、;<p>　　我們最先要做的是繪制一份合理的高保真音頻功率放大器的電路原理圖，在這過程中我根據(jù)各種元件的用途，型號及實際應(yīng)用效果，查找了許多有關(guān)這方面的資料，也觀察分析了許多功率放大器的電路圖，學會了如何繪制一張實際的功率放大器的電路原理圖。</p><p>　　期間我發(fā)現(xiàn)了很多問題，經(jīng)過反復(fù)思考分析，發(fā)現(xiàn)原來許多理論的功率放大器原理圖與實踐有很大的區(qū)別，我耐心的一個個對原理圖進行分析，最后我確定了

46、自己的合理原理圖，進行了分析和元件參數(shù)的一定程度的修改，最后確定了實際功率放大器的元件參數(shù)。</p><p>　　通過者集體那的短暫學習，讓我體會到想要創(chuàng)造一個實用的電子設(shè)備要經(jīng)過很長時間的設(shè)計與改造因為實際與理論有很大的區(qū)別。在我們的學習過程中，不考驗了我們對知識的吸收和掌握，而且也考驗了我們的細心和耐心。</p><p>　　完成這次課程設(shè)計，我覺得收獲很多，不但進一步掌握了知識，還提

47、高了自己的設(shè)計能力以及動手能力。更多的是看清了自己，明白了凡是需要耐心，時間是檢驗真理的標準。</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　[1] 吳友宇．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：清華大學出版社，2009。</p><p>　　[2] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社, 2006 年01月。 </p

48、><p>　　[3] 吳慎山. 電子線路設(shè)計與實踐——高等學校電子信息類教材. 電子工業(yè)出版社, 2005 年 </p><p><b>　　09 月 。</b></p><p>　　[4] 金鳳蓮. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗及課程設(shè)計，北京：清華大學出版 社，2009年09月。 </p><p>　　[5] 王遠.