音频功率放大器电路设计

1/7一、设计的题目及其要求（1）设计题目音频功率放大器电路仿真设计（2）课程设计的目标、基本要求及其功能：设计并实现OTL功率放大器，功率放大器的作用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的小，效率尽可能的高。用multisim软件对OTL功率放大器进行仿真实现。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用multisim软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。二、设计的基本思路及其设计出发点（1）设计的基本思路功率放大器的作用是给负载RL提供一定的输出功率，当RL一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真可能小，且效率尽可能高。由于OTL电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采取有效措施抑制零点漂移。为了获得足够大的输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的OTL功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。2/7（2）芯片的选择TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在电源电压±16V，负载电阻为4Ω时输出18瓦功率（失真度≤0．5％）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。3/7三、工作原理该电路是由前置输入级、中间级和输出级三部分组成的。前置输入级是由集成运放1/4μPC324C组成的源级输出器，它具有输入阻抗较高而输出阻抗较低的特点。中间级是由集成运放1/4μPC324C以及由R4、R5、R6；C4、C5、C6；Rw2、Rw3、组成的选频网络一起构成的电压并联负反馈式音调控制放大电路。它具有高低音提升或衰减功能。其工作原理如下：输入信号通过C4耦合，分两路输入运放，一路由R4、C4、Rw3输入到5反相端。集成运放B输出端经过R6、C5反馈到反相端，形成电压并联反馈；另一路由Rw2、C6、R5、输入到反相端。在此电路中，选频网络中电容量较大的C4、C5对高频信号（高音）可看作短路，电容量叫小的C6对低频信号(低音)可看作开路，所有这些电容对中频信号（中音）可认为开路。根据反相比例运算关系可知，当Rw2、Rw3滑臂在中点时，放大倍数为-1。当Rw3滑点在A端，C4被短路，C5、Rw3并联与R6串联后阻抗增加，对低频信号来说负反馈增强，增益下降，其低音衰减过程，当Rw2滑至C处，R5、R6和R3并联后的阻抗减小，对高频信号负反馈削弱，增益提高，对高音起提升作用；在D点，R5、C6与R6并联后的阻抗减小，并联后阻抗减小,对高频信号负反馈增强，对高音起衰减作用。输出级是功率放大器，它由集成运放TDA2030和桥式整流电路组成，其中组件C8、R9为电源退耦电路。图1集成功率放大器电路图用两块TDA2030组成如图1所示的BTL功放电路，TDA2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1馈入同相输入端①脚，交流闭环增益为KVC①＝1＋R3/R2≈R3/R2≈30dB。R3同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流4/7工作点稳定。TAD2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA2030（1）输出端的U01经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6后馈给反相输入端②脚，它的交流闭环增益KVC②＝R9/R7//R5≈R9/R7≈30dB。由R9＝R5，所以TDA2030（1）与TDA2030（2）的两个输出信号U01和U02应该是幅度相等相位相反的，即：U01≈Uin·R3/R2U02≈－U01·R9/R5∵R9＝R5∴U02＝－U01因此在扬声器上得到的交流电压应为：UY＝U01-（-U02）＝2U01＝2U02扬声器得到的功率PY按下式计算：PY＝＝＝４=4pmono四、仿真设计分析（1）仿真软件Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。5/7Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。（2）仿真软件优点及应用范围1.通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；2.通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；3.借助高级电路分析,理解基本设计特征；4.通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试；5.通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。（3）仿真音频功率放大器图2输入电压为1V的波形图2为输入电压时1V的交流电，1KHZ。失真严重。分析为输入电压太大。调节电压，不断减小电压值，当输入电压为0.3V，1KHZ时，输出曲线不再失真，而功率值也达到了要求的10W值。于是确实输入电压。从图3也可以看出，输入波形相对于输出其峰值微不可见，可见放大倍数之大。图3输入电压为0.3V的波形6/7图4输入电压为20HZ的交流电的波形图5输入电压为20KHZ的交流电的波形（4）仿真结论分析从仿真可以看出，该电路图的设计是成功的，达到了设计要求，输入交流电压为0.3伏时，可以是功率最大达到24W。五、电路的实际应用音频功率放大器是一个技术相当成熟的领域，在现代音响普及中，得到很大的发展和应用。音频功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备，还广泛应用于控制系统和测量系统中。六、结束语此次设计过程中，一方面，通过原理图的设计与绘制，巩固了这学期所学的电子7/7电路设计和Multisim的相关知识，在PCB电路板的制作中也顺利地解决了出现的一些困难，在此次设计完成后，我已对利用Multisim软件绘制电路原理图的方法、步骤等流程都有了较为全面的掌握。另外，通过电路中各参数的具体分析比较和计算，以及电路的原理、工作方式的深入细化学习，回顾了模拟电路的有关运放的相关知识，当时一些不懂的概念也在这次设计中得到了补充，对模拟电路的相关知识的学习起到了巩固和温习的作用。参考文献[1]何希才、邹炳强，通用电子电路应用400例[M]，电子工业出版社，2004[2]康华光，高等教育出版社出版[M]，电子技术基础模拟部分，2003.[3]郑步生，Multisim2001电路设计及仿真入门与应用[M]，电子工业出版，2002[4]潘永雄，电子线路CAD实用教程，西安电子科技大学出版社，2001.