音频功率放大电路课程设计报告

课程设计课程名称_模拟电子技术课程设计题目名称音频功率放大电路学生学院专业班级学号学生姓名__指导教师2010年6月20日音频功率放大电路课程设计报告一、设计题目题目：音频功率放大电路二、设计任务和要求1）设计任务设计并制作一个音频功率放大电路（电路形式不限），负载为扬声器，阻抗8。2）设计要求频带宽50HZ～20kHZ，输出波形基本不失真；电路输出功率大于8W；输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47K。三、原理电路设计功率放大电路：功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构等。也就是把输入的模拟信号经被放大后,去推动一个实际的负载工作，所以要求放大电路有足够大的输出功率，这样的放大电路统称为功率放大电路。而音频功率放大器的作用就是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能地小，效率尽可能的高。随着半导体工艺,技术的不断发展,输出功率几十瓦以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率VMOS管的出现,也给功率放大器的发展带来了新的生机。总之，功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率,故功率放大器应具有以下几个主要特点：1.输出功率要足够大工作在大信号状态下,输出电压和输出电流都很大.要求在允许的失真条件下,尽可能提高输出功率。2.效率要高功率放大器实质上是一个能量转换器,它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载,因此,要求转换效率高.在直流电源提供相同直流功率的条件下,输出信号功率愈大,电路的效率愈高。3.非线性失真要小功率放大器是在大信号状态下工作,电压,电流摆动幅度很大,而且由于三极管是非线性器件,在大信号工作状态下,器件本身的非线性问题十分突出,因此,输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真.在实际应用中,要采取措施减少失真,使之满足负载要求.设计流程：开始设计任务和要求分析原理电路设计原理图仿真焊接电路电路调试总结结束（1）方案比较与确定方案一．用分立元件实现分立元件是电子电路的基础元件，一直以来都是在它的基础之上分析和设计电路的。但是随着科技的发展，近年来出现了各式各样的集成器件，使分立元件的主体地位逐渐被集成元件所取代。虽然如此，不过在一些小型的电子电路中，它的优势依然不减。总的来说，分立元件，散热快，价格便宜，在设计中自由性也比较大。方案二.用集成器件实现集成功率放大器是在集成运算放大电路的基础之上发展起来的，其内部的电路和原理与集成运算放大电路基本类似。但是它又和集成运放有很大的不同，这在于它的安全性，高效性，低失真上优于集成运放，并且输出功率大。电路内部多施加深度负反馈。集成功率放大器广泛应用于各种各样的电器中，输出功率由几百毫瓦到几十瓦。除了单片集成功放电路外，还有集成功率驱动器，它与外配的大功率管及少量阻容元件构成大功率放大电路，有的集成电路本身包含两个功率放大器，称为双声道功放。集成功率放大器不仅具有体积小，重量轻，成本低，外围元件少，安装调试简单，使用方便等优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小，失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热，过电流，过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。通过比较，由于使用分立元件所用的单个器件比较多，从而考虑的各种反馈电路和保护电路会比较多，实现起来会相对复杂；另外，集成器件在很多方面明显优于分立元件。所以我们运用集成芯片TDA2030完成音频功率放大电路的设计，能够更好地达到设计任务和要求。TDA2030简介：TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，它是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。TDA2030功率放大器采用晶体三极管的电流放大作用将电源的输入功率转换为按照输入信号变化的放大电流。声音可以看做不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，基于这个原理，若将小信号注入基极，则集电极的电流等于基极电流的β倍，接着将这个信号用隔直电容隔离出来，就可以得到电流是原先的β倍的放大信号，这就是晶体三极管的放大作用。经过接连不断的电流放大，就可以实现功率的放大。据统计，已生产成的各种单片功率集成电路中，输出功率最大的不过20W，但是TDA2030的输出功率却可以达到18W，倘若把两块集成电路组成BTL电路，那么输出功率可以达到35W。另外，大功率集成电路由于所需的电源电压很高，输出的电流很大，在使用过程中如果不小心很可能使它烧坏，不过在TDA2030集成电路中，内部设计了较为完善的自我保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成电路能自动地减流或截止，使自己得到保护。电路特点：[1].外接元件非常少。[2].输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。[4].开机冲击极小。[5].内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。引脚情况：1脚是正相输入端2脚是反向输入端3脚是负电源输入端4脚是功率输出端5脚是正电源输入端。TDA2030示意图：（2）整体电路框图的确定（3）元件选择ComponentDescriptionFamilyU1TDA2030OPAMPD11N4001DIODED21N4001DIODER1100KRESISTORR2100KRESISTORR3100KRESISTORR468KRESISTORR53.6KRESISTORR61RESISTORC12.2uFCAPACITORC2104nFCAPACITORC3220uFCAPACITORC410uFCAPACITORC5224nFCAPACITORC62.2mFCAPACITORVCCVCCPOWER-SOURCESTDA2030输入输出元器件和电源元器件和接地（4）总的电路图四、电路调试过程与结果（1）.测试工具：信号发生器，示波器，数字万用表（2）.测试数据：输出电压：Uo=Ui*（1+R4/R5）输出功率：Po=Uo2/Ro放大倍数：Au=1+R4/R5≈19.9测试条件：直流电源电压15v，输入信号100mv，输入频率1KHz，负载电阻8。理论数据：UiUoPo100mv1.99v0.49w300mv5.97v4.46w由上表可以求得输出电压放大倍数：Au≈19.9实测数据：UiUoPo100mv2v0.5w300mv6v4.5w由上表可以求得输出电压放大倍数：Au19.9（3）.误差分析：从波形图中可以看出实测数据与理论数据存在误差，电压放大倍数不是理论上的20倍，而是有所偏大。因为电路板的原理设计不是很合理，元件的数值与理论有一定的差距，元件相互之间的影响，还有集成功放芯片会发热，周围环境温度对它会产生影响，从而也导致了一定的误差。（4）.波形图：运用Multisim仿真就得到了仿真的波形：在下图中，波形小的为输入波形Ui，输入端为B端；大的为输出波形Uo，输入端为A端。由图形可以看出在一定的范围内信号得到了放大，达到了实际的效果，基本上完成了任务的要求。五、总结优点：仅需一个集成功放和较少的外部元件就可以组成一个电路，以完成音频功率放大的功能，简单易行，并且装置调整方便、性能指标好。而核心元件TDA2030具有体积小、输出功率大、失真小等特点，并且内部设计有完整的保护电路，能自我保护。缺点：电路板的原理设计不是很合理，元件的数值和理论有些偏差，加上集成功放芯片会发热，从而导致测得的数值与理论的数值存在误差。改进方案：在下次的设计中，使电路板的原理设计更加合理，尽量使元件的数值接近理论的数值，并且想办法安装散热器，使周围环境温度对集成功放产生的影响降到最低。心得体会：通过这次模拟电子课程设计，我学到了很多东西，受益匪浅。第一，学到了在模电理论方面和实践方面的知识；第二，锻炼了自己的动手能力；第三，巩固了对Multisim仿真软件的应用；第四，加深了对模电元器件认识；第五，使我对这门课程设计非常感兴趣。总的来说，使我认识到课本上的知识只有应用到实践中，才会真正地体会到知识的力量，它是多么的奥妙。以前对模电的知识有许多疑惑的地方，通过这次课程设计，都很快豁然开朗了。原来模电是应用性这么强的一门学科，如果透彻掌握它的话，就可以设计出许多可以实现各种各样功能的电路，然后做出实物来。多么美妙啊，使我对它的兴趣大大加深，以后我要好好的学习和研究模电，尽量做到可以得心应手地应用它。在设计的过程中，也加强了我的思考和解决问题的能力，要完成一项任务并不是轻易成功的，过程中少不了困难，这时需要的是耐心和永不放弃的毅力，所以这次课程设计亦锻炼了我的意志。我知道因为个人能力的局限性，肯定有不足的地方，不过我会再接再厉，更加努力学习模电，不断提高自己的能力，争取在下次的设计中做到更好。附录：完整的装配图