音頻功率放大器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　音頻放大器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)械與電子工程學(xué)院 </p><p>　　年級(jí)專業(yè)： 機(jī)械電子工程102 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

2、;　　本次課程設(shè)計(jì)題目為音頻功率放大器，簡(jiǎn)稱音頻功放。音頻功率放大器主要用于推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。幾乎所有發(fā)聲的電子產(chǎn)品中都要用到音頻功放，比如手機(jī)、MP4播放器、筆記本電腦、電視機(jī)、音響設(shè)備等，給我們的生活和學(xué)習(xí)工作帶來(lái)了不可替代的方便享受。</p><p>　　這款功放采用了典型的OCL功放電路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出功率大，失真小等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。本設(shè)計(jì)主要包括兩部分放大電路電路：前置放大電路、OCL功率放大電路

3、。前置放大級(jí)采用的是集成運(yùn)算放大器NE5532AP，NE5532AP在噪聲、轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積等方面具有優(yōu)異的指標(biāo)。 OCL功率放大電路采用TDA2030音頻放大器芯片，其性能優(yōu)良，由它組成的功率放大器可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)將通過(guò)電路分析設(shè)計(jì)、NI Multisim電路仿真及分析完成。</p><p>　　關(guān)鍵詞：NE5532AP；TDA2030；失真??；音頻功率放大器</p><p

4、><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)- 1 -</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)目的和意義- 1 -</p><p>　　1.2 放大指標(biāo)- 1 -</p><p>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 1 -</p><p>　　2.1 總體方案設(shè)計(jì)- 1 -</

5、p><p>　　2.2 具體電路設(shè)計(jì)- 2 -</p><p>　　2.2.1前置放大電路的設(shè)計(jì)- 2 -</p><p>　　2.2.2功率放大電路的設(shè)計(jì)- 3 -</p><p>　　2.3 系統(tǒng)總體電路- 4 -</p><p>　　2.4 系統(tǒng)所用元器件- 4 -</p><p>

6、　　3 系統(tǒng)調(diào)試與仿真- 5 -</p><p>　　3.1 前置放大器調(diào)試- 5 -</p><p>　　3.2 OCL功率放大電路的調(diào)試- 7 -</p><p>　　3.3 總電路調(diào)試- 8 -</p><p>　　4 總結(jié)- 10 -</p><p>　　4.1 本系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)- 10 -</

7、p><p>　　4.2 心得體會(huì)- 10 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 10 -</p><p>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù) 音頻功率放大器設(shè)計(jì)</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)目的和意義</p><p>　　日常生活中涉及到發(fā)聲的電子設(shè)備大多數(shù)都要用到音頻功率放大器，本設(shè)計(jì)的目的就是為了滿足其需要，要求在較小失真的情況

8、下滿足一定的放大倍數(shù)以推動(dòng)負(fù)載（如揚(yáng)聲器）正常運(yùn)行。</p><p><b>　　1.2放大指標(biāo)</b></p><p>　　1、最大不失真輸出功率：POM≥0.5W</p><p>　　2、負(fù)載電阻RL=4Ω</p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>

9、;　　2.1 總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)課題的要求，該音頻功率放大器可由圖所示框圖實(shí)現(xiàn)。下面主要介紹各部分電路的特點(diǎn)及要求。</p><p>　　圖1音頻功率放大器組成框圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的音頻功率放大器是一個(gè)多級(jí)放大系統(tǒng)。首先根據(jù)輸出功率的確定電源大小和整個(gè)系統(tǒng)的增益。因?yàn)橐纛l功率放大器的最大不失真輸出功率POM≥0.5W。所以音頻功率

10、放大器的輸出幅值VOM≥√(2POMRL)= √(2*0.5*4)=2（V）。當(dāng)輸入信號(hào)最小值為1mV時(shí)，整個(gè)放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為：AV=VOM/Vi=2/(1*10^(-3))=2000倍，即20lg(2000)=66(dB)。根據(jù)整個(gè)放大系統(tǒng)的電壓增益，合理分配各級(jí)單元電路的增益。前置放大器的電壓放大倍數(shù)取80；功率放大器級(jí)（采用集成功放）電壓放大倍數(shù)取30倍（考慮到實(shí)際電路中有衰減）。</p><p>

11、　　音頻功率放大器供電電源的選取主要從效率和輸出失真大小方面考慮。如上所述，該系統(tǒng)的輸出信號(hào)幅值為11.3V，從提高效率的角度考慮，電源電壓越接近11.3V越好，但這樣輸出信號(hào)的失真將增大；從減小失真的角度考慮，可適當(dāng)?shù)奶岣唠娫措妷?。綜合考慮，音頻功率放大器整個(gè)系統(tǒng)的電源電壓采用±15V供電。</p><p>　　下面將對(duì)兩個(gè)放大電路分別進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。</p><p>&

12、lt;b>　　2.2具體電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.2.1 前置放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　前置電路的作用：將節(jié)目源輸出的電信號(hào)進(jìn)行加工處理和不失真電壓放大，使之達(dá)到一定幅度去推動(dòng)功率放大器，確保功率放大器正常工作，并能對(duì)重放聲音的音調(diào)、音量、響度和立體聲進(jìn)行一系列控制。</p><p>　　聲音源的種類有多種，如傳聲器（話

13、筒）、電唱機(jī)、錄音機(jī)（放音磁頭）、CD唱機(jī)及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號(hào)如果直接輸入到功率放大器中的話，對(duì)于輸入過(guò)低的信號(hào)，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過(guò)載失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入信

14、號(hào)，或放大，或衰減，或進(jìn)行阻抗變換，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。另外在各種聲音源中，除了信號(hào)的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機(jī)輸出信號(hào)和磁帶放音的輸出信號(hào)頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對(duì)于這樣的輸入信號(hào)，在進(jìn)行功率放大器之前，需要進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使其頻率特性曲線恢復(fù)到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡(luò)放大器。</p><p>　　對(duì)于話筒和線路輸入信號(hào)，一般只需將輸入信號(hào)進(jìn)行

15、放大和衰減，不需要進(jìn)行頻率均衡。前置放大器的主要功能一是使話筒的輸出阻抗與前置放大器的輸入阻抗相匹配；二是使前置放大器的輸出電壓幅度與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。由于話筒輸出信號(hào)非常微弱，一般只有100μV~幾毫伏，所以前置放大器輸入級(jí)的噪聲對(duì)整個(gè)放大器的信噪比影響很大。前置放大器的輸入級(jí)首先采用低噪聲電路，對(duì)于由晶體管組成的分立元件組成的前置放大器，首先要選擇低噪聲的晶體管，另外還要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)一般比

16、晶體管小，而且它幾乎與靜態(tài)工作點(diǎn)無(wú)關(guān)，在要求高輸入阻抗的前置放大器的情況下，采用低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管組成放大器是合理的選擇。如果采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器，一定要選擇低噪聲、低漂移的集成運(yùn)算放大器。對(duì)于前置放大器的另外一要求是要有足夠?qū)挼念l帶，以保證音頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。</p><p>　　根據(jù)音頻信號(hào)的特點(diǎn)，前置放大器選擇由NE5532AP集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓放大器完成。NE5532AP在噪聲、轉(zhuǎn)換速

17、率、增益帶寬積等方面具有優(yōu)異的指標(biāo)，由它組成的電壓放大器可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求，電路如圖2所示。</p><p>　　前置放大器由兩級(jí)放大器組成，第一級(jí)采用NE5532AP構(gòu)成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)。第二放大器采用NE5532AP組成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，該電路具有輸出電阻小、抗共模干擾信號(hào)強(qiáng)的特點(diǎn)。</p><p>　　第一級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為：1+R3/R2=1

18、+47/10=5.7；第二級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為：-R5/R4≈-20；電容C5、C6的作用是高頻濾波，電容C3、C4是去耦電容，消除低頻自激振蕩。前置放大器的下限頻率由電容C1和電阻R1決定。</p><p>　　信號(hào)經(jīng)前置放大電路加工處理和不失真電壓放大，進(jìn)入功率放大電路。Vo1端作為功率放大電路的輸入級(jí)直接與Vo2端直接相連。</p><p><b>　　圖2前置放大電路

19、</b></p><p>　　2.2.2 功率放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　功率放大器的常見(jiàn)電路形式有OTL電路和OCL電路。有用運(yùn)算放大器和晶體管組成的功率放大器，也有專集成電路功率放大器。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)OCL功率放大器，該放大器采用TDA2030音頻放大器芯片，TDA2030音頻放大器電路是最常用到的功率放大器，其內(nèi)部電路包含輸入級(jí)，中間級(jí)和輸出級(jí)，且有短路保護(hù)和

20、過(guò)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。是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點(diǎn)是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小，在目前流行的數(shù)十種功率放大器中，規(guī)定瞬態(tài)互調(diào)失真指標(biāo)的僅有包括TDA2030在內(nèi)的幾種。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(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　TDA2030集成電路的另一特點(diǎn)是輸出功率大，而保護(hù)性能比較完善。根據(jù)掌握的資料，在各國(guó)生產(chǎn)的單

21、片集成電路中，輸出功率最大的不過(guò)20W，而TDA2030的輸出功率卻能達(dá)18W，若使用兩塊電路組成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TDA2030集成電路中，設(shè)計(jì)了較為完整的保護(hù)電路，一旦輸出電流過(guò)大或管殼過(guò)熱，集成塊能自動(dòng)地減流或截止，使自己得到保護(hù)（當(dāng)然這保護(hù)是有條件的，我們決不能因?yàn)橛斜Ｗo(hù)功能而不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行使用）。TDA2030集成電路的第三

22、個(gè)特點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)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(lái)不少方便。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選取SGS公司生產(chǎn)的TDA2030/2030A集成功放，該器件具有輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過(guò)熱保護(hù)，外圍電路簡(jiǎn)單，可以作OTL使用，也可作OCL使用。</p><p>　　TDA2030/2030A的外引線如圖3所

23、示。1腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，4腳為輸出端，3腳接負(fù)電源，5腳接正電源。電路特點(diǎn)是引腳和外接元件少。其主要特點(diǎn)為：電源電壓范圍為6V~18V，靜態(tài)電流小于60A，頻響為10Hz~140kHz，諧波失真小于0.5，在VCC=14V，RL=4Ω時(shí)，輸出功率為14W。在4Ω負(fù)載上的輸出功率為10W。</p><p>　　圖3 TDA2030管腳圖 圖4 TDA2030組成的OC

24、L功率放大器電路</p><p>　　由TDA2030/2030A構(gòu)成的OCL功率放大器電路如圖4所示。該電路由TDA2030組成的負(fù)反饋電路，其交流電壓放大倍數(shù)Avf=1+R1/R2=1+22/0.68≈33（倍），滿足設(shè)計(jì)要求。二極管D1、D2起保護(hù)作用，一是限制輸入信號(hào)過(guò)大，二是防止電源極性接反。R4、C2組成輸出相移校正網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載接近純電阻。電容C1是輸入耦合電容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容C

25、3、C6是低頻旁路電容，電容C 5、C 4是高頻旁路電容。電位器RP是音量調(diào)節(jié)電位器。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)總體電路</p><p>　　圖5 音頻放大器中電路圖 </p><p>　　2.4 系統(tǒng)所用元器件</p><p>　　本系統(tǒng)所用的元器件清單如表1所示。</p><p>　　表1

26、本系統(tǒng)所用的元器件</p><p>　　3. 系統(tǒng)調(diào)試與仿真</p><p>　　3.1 前置放大器調(diào)試</p><p>　　安裝電路時(shí)注意電解電容的極性不要接反，電源電壓的極性不要接反。同時(shí)不加入交流信號(hào)(DC:1mV)時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量每級(jí)放大器的靜態(tài)輸出值；然后用示波器觀察每級(jí)輸出有無(wú)自激振蕩現(xiàn)象。加入幅值1mV、頻率1kHz的交流正弦波信號(hào)，測(cè)量前置放大器的

27、輸出大小，驗(yàn)證前置放大器的電壓放大倍數(shù)。</p><p>　　圖6 前置放大電路仿真</p><p>　　一級(jí)二級(jí)靜態(tài)輸出分別如下圖：</p><p>　　圖7 前置放大電路各級(jí)靜態(tài)輸出（左：U1;右：U2）</p><p>　　可以看出U1=-553.941uV U2=622.469mV </p><p>　　圖

28、8 各級(jí)波形輸出（A通道：第一級(jí)；B通道：第二級(jí)）</p><p>　　由上圖可以看出一級(jí)和二級(jí)放大均無(wú)無(wú)自激振蕩現(xiàn)象。</p><p>　　圖9前置放大電路示波器輸出圖（A通道：輸出信號(hào)；B通道：輸入信號(hào)）</p><p>　　前置放大電路的電壓放大倍數(shù)為： 56.289/(681.325*10^(-3))=78.2倍，符合設(shè)計(jì)要求。</p><

29、;p>　　3.2 OCL功率放大電路的調(diào)試</p><p>　　圖10 OCL功率放大電路</p><p>　　(1)靜態(tài)測(cè)試。將功率放大器的輸入信號(hào)接地，測(cè)量輸出端對(duì)地的電位應(yīng)為0V左右，電源提供的靜態(tài)電流一般為幾十mA左右。若不符合要求，應(yīng)仔細(xì)檢查外圍元件及接線是否有誤；若無(wú)誤，可考慮更換集成功放器件。（2）動(dòng)態(tài)測(cè)試。在功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)條件下，

30、功率放大器輸入端加入1mV/1kHz的正弦波信號(hào)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的大小，觀察輸出信號(hào)的波形。若輸出波形變粗或帶有毛刺，則說(shuō)明電路發(fā)生自激振蕩，應(yīng)嘗試改變外接電路的分布參數(shù)，直至自激振蕩消除。然后逐漸增大輸入電壓，觀察測(cè)量輸出電壓的失真及幅值，計(jì)算輸出最大不失真功率。</p><p>　　圖11功率放大電路輸出波形</p><p>　　由上圖可以看出，該電路沒(méi)有發(fā)生自激振蕩。</p>

31、;<p>　　Umax=29.542mV，所以最大不失真輸出功率為POM=((29.542*10^(-3))^2)/4=7.39W</p><p>　　3.3 總電路調(diào)試</p><p>　　將每個(gè)單元電路互相級(jí)聯(lián)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。將頻率等于1kHz，幅值等于1mV的正弦波信號(hào)接入音頻功率放大器的輸入端，觀察其輸出端的波形有無(wú)自激振蕩和失真，測(cè)量輸出最大不失真電壓幅度，計(jì)算最

32、大不失真輸出功率。</p><p>　　圖12總電路Multisim仿真圖</p><p>　　圖13系統(tǒng)總電路輸出波形</p><p>　　由上圖可以看出，輸出沒(méi)有出現(xiàn)自激振蕩和失真現(xiàn)象，說(shuō)明設(shè)計(jì)符合要求。</p><p>　　輸出最大不失真電壓為UOM=2.414V，所以最大不失真輸出功率為：POM=(2.414^2)/4=1.46W，符

33、合預(yù)先設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　4. 總結(jié)</b></p><p>　　4.1 本系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　本系統(tǒng)電路各環(huán)節(jié)放大電路各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)均符合設(shè)計(jì)要求：放大倍數(shù)和最大不失真功率均達(dá)到要求并且失真較小。該電路使用了NE5532AP集成運(yùn)放和TDA2030集成功放，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，能很好的滿足設(shè)計(jì)需要。但是，

34、由于本系統(tǒng)只設(shè)置了兩個(gè)放大電路，沒(méi)有穩(wěn)壓電源和音調(diào)控制環(huán)節(jié)，輸出信號(hào)不夠穩(wěn)定，不能對(duì)輸出音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。</p><p><b>　　4.2 心得體會(huì)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)至此已經(jīng)接近尾聲，設(shè)計(jì)的時(shí)間雖然不是很長(zhǎng)，但在整個(gè)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

35、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)模擬電路的了解及運(yùn)用能力，對(duì)課本以及以前學(xué)過(guò)的知識(shí)有了一個(gè)更好的總結(jié)與理解。以前的模電實(shí)驗(yàn)只是針對(duì)某一個(gè)小的功能設(shè)計(jì)，而此次課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的總體電路的設(shè)計(jì)的要求更嚴(yán)格，需要通過(guò)翻閱復(fù)習(xí)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)確立了實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)方案，然后逐步細(xì)化進(jìn)行各模塊的設(shè)計(jì)。另外，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)設(shè)計(jì)所用到的軟件有了更加深刻地了解，這對(duì)我們以后的工作和學(xué)習(xí)的幫助都很有用處。 通過(guò)這次課設(shè)讓我明白

36、了理論和實(shí)際操作之間差距，而且也讓我很明確得意識(shí)到自己在模電上有很多的知識(shí)漏洞，以后應(yīng)該多鉆研一下。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 童詩(shī)白，華成英主編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）. 北京：高等教育出版社，2009.</p><p>　　[2] 邱關(guān)源 主編. 電路（第五版）. 北京：高等教育出版