音响放大器的设计

一 实验目的

一设计目的

1. 了解集成功率放大器内部电路工作原理。

2. 掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。

3. 掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术。

二设计任务

设计一个音响放大器，要求具有前置放大，音调输出控制，功率放大输出。

二 方案选择

一 音响放大电路的设计方案的选择与比较论证:

音响放大电路设计由三部分组成:混合前置放大模块，音调输出控制模块，功率放大模块。混合前置放大模块作用是将磁带放音机输出的音乐信号混合放大。音调输出控制模块作用是主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。功率放大模块作用是给音响放大的负载（扬声器）提供一定的输出功率。

(一)     混合前置放大模块比较论证与选择

(二)     音调输出控制模块比较论证与选择

(三)     功率放大模块比较论证与选择

功率放大器可以选择芯片很多，经过比较觉的TDA2030A和TDA2040还可以。

（1）        TDA2030

TDA 20## 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TDA 20## 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TDA 2030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TDA 2030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。

(2) TDA2040

TDA2040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。该集成电路在32V电源电压下，RL=4Ω时可获得22W的输出功率。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。

电路特点：
1.单列5脚直插塑料封装，仅5只引脚。

2.外接元件非常少。
3.输出功率大，Po=22W(RL=4Ω)。
4.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。
5.开机冲击极小。

6.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。

综上所述:TDA2030外围电路少，输出功率大，而且电源电压V普通电源足够用，而且TDA2030在市场销售比较多易购买成本也比较低，适合要求不太高用户。所以我们这次设计选择TDA2030A芯片。

三 设计要求及技术指标

一 设计要求

 设计一款额定输出功率为5 ~ 20W的低失真集成电路功率放大器，要求电路简洁，制作方便、性能可靠。具有音调控制，音量控制，

等功能。

二 性能主要指标：

1.输出功率：5 ~ 20W（额定功率）；

2. 频率响应：20Hz ~ 100kHz（≤3dB）；

3. 谐波失真：≤1％ (10W,30Hz~20kHz)；

4. 输出阻抗：≤0.16Ω；

5. 输入灵敏度：600mV（1000Hz，额定输出时）；

6. 音调控制特性1kHz 处增益为0dB，100Hz和10kHz处有±12dB的调节范围，≥+20dB；

7. 负载阻抗；

8. 输入阻抗；

四 设计原理

(一)混合前置放大器

混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大，其电路如图A2所示。这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为式中，为话筒放大器输出电压；为放音机输出电压。音响放大器的性能主要由音调控制器与功率放大器决定。

1.     前置放大器的功能

任何功率放大器总是要将节目源输入的信号进行放大，然后输出给扬声器。节目源的种类有多种多样，如：传声器、收音头、电唱机、录音机（放音磁头）、线路传输以及新近出现的CD唱机等。这类节目源设备的输出信号电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏，甚至1～2伏。而功率放大器的输入灵敏度是一定的，如果我们在前面设计的例子中为50mV。这些节目源信号如果从同一输入接口输入放大器，或者由于输入电平过低，使功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；或者由于输入电平过高，使放大器的输出信号产生严重过载失真，失去高保真放大的意义。因此，必须设置前置放大器，对输入放大器的各种输入信号进行处理；或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的是输入灵敏度相匹配。

   在各种音源信号中，除了电平差别外，他们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号的频率特性曲线呈上翘形，磁带放音的频率特性曲线也呈上翘形，即低音呈衰减，高音被提升，但他们的衰减和提升的程度又各不相同。这样，在输入功率放大器之前，必须进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态。

  综上所述，前置放大器的主要功能为：

(1)对输入功率放大器的各种音源信号进行加工处理，或放大，或衰减，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配，使功率放大器充分发挥其放大和保真的功能。

(2)进行阻抗变换，使各种音源信号的输出阻抗能与功率放大的输入阻抗相匹配，实现信号的高效传输。

(3)进行频率均衡处理，使电唱机和磁带机输出信号的频率特性恢复成平坦的状态。

2.对前置放大器的技术要求

对前置放大器的技术要求，就是必须要和功率放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求，同样也适用于前置放大器，而且对前置放大器还应略高一些。否则就不能成为一个高保真“系统”，也就是说，构成高保真系统的每一个单元都必须是一个高保真单元。

（1）失真度:包括谐波失真和 互调失真，要求分别小于0.1%和0.05%。

（2）信噪比：应大于90dB.

（3）频率响应：在20Hz~20kHz0.5dB

（4）转换速度：应大于5V/s。

（5）动态范围：应大于75~80dB。

（6）输入/输出信号匹配：前置放大器的输入端和输出端分别和节目源设备以及功率放大器相连。要使信号高质量传输，必须满足匹配条件，包括阻抗匹配、电平匹配、传输方式匹配等。

（7）均衡网络要符合RIAA标准和NAB标准。

（8）电源：高质量的电源是前置放大器性能好坏的因素之一，应包括低噪声、大容量和低内租等条件。前置放大器的电源应与功率放大器的电源分开，单独供电。

(四)         音调控制器

音调控制器是控制、调节音响放大器输出频率高低的电路，其控制曲线如图4-2-1中折线所示。

图中  ——中音频率，要求增益；

——低音转折频率，一般为几十赫芝；

——中音频转折频率；

——中音频转折频率；

——高音频转折频率，一般为几十千赫芝。

             

                     图4-2-1音调控制曲线                  

从图中可见，音调控制器只对低音频或高音频进行提升或衰减，中音频增益保持不变，音调控制器由低通滤波器和高通滤波器共同组成。

采用集成运放构成音调控制器，如图4-2-2所示。

图4-2-2 音调控制电路

设，在中、低音频区，可视开路，在高音频区，、可视为短路。

①当 时，音调控制器低频等效电路如图4-2-3所示，其中图4-2-3（a）为的滑臂在最左端，对应于低音频提升最大的情况，图4-2-3（b）为滑臂在最右端，对应于低音频衰减最大情况。图4-2-3（a）实质上是一个一阶有源低通滤波器，其传递函数表达式为

            （a）                          (b)

 图4-2-3 音调控制器低频等效电路

(a)低音频提升          ( b)低音频衰减

          4.2.1   式中

  或 

  或 

时，可视为开路，运放的反相输入端为虚地，因运放输入电流，影响可忽略，此时电压增益为：

                           4.2.2

时，由式4.2.1得

        4.2.3

模为

             4.2.4

此时电压增益相对下降了。

时，由式4.2.3得

          4.2.5     模为

         4.2.6

此时电压增益相对下降了。

范围内，电压增益衰减速率为/10倍频程。

同样可得出图4-2-3(b)所示电路表达式，其增益相对于中频为衰减量。音调控制器工作在低音频时，幅频特性如图4-2-1左半部虚线所示。

②当时，音调控制器高音频等效电路如图4-2-4(a)所示。在高音频段、可视为短路，与、 组成星形联接，为分析方便，将其转换成三角形联接后的等效电路如图4-2-4(b)所示。

         (a)                   (b)

图4-2-4  音调控制器高频等效电路

(a)高音频等效电路      (b) 三角形联接后的等效电路

电阻关系式为

若取，则

这时高频等效电路如图4-2-5所示，图4-2-5（a）为的滑臂在最右端时，对应于高频提升最大的情况，图4-2-5（b）为滑臂在最左端时，对应于高频衰减最大的情况。该电路为一阶有源高通滤波器，其传递函数表达式为

        4.2.7

  或 

  或 

                                

（a）                      （b）

图4-2-5  高频等效电路

  （a）高频提升          （b）高频衰减

通过低频等效电路相同方法分析，可得到以下关系式：

时，可视为开路，

   时，

时，

  时，可视为短路，电压增益为

                  4.2.8

范围内,电压提升速率为20dB/10倍频程，音调控制器高频时幅频特性如图4-2-1中右半部虚线所示。

实际应用中，通常是给出低频区和高频区处的提升量或衰减量x(dB),再根据下式求出转折频率和。

即                                    4.2.9

                                      4.2.10

(五)         功率放大器

1.集成芯片TDA2030A

TDA2030A使用于收录机和有源音箱中, 作音频功率放大器, 也可作其它电子设备中的功率放大。 因其内部采用的是直接耦合, 亦可以作直流放大。

2.     TDA2030内部原理图

如下4-3-1所示

图4-3-1   TDA2030A集成功放的内部电路

2.单电源（OTL）应用电路-组成功率放大电路

     对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统, 可采用单电源连接方式, 如图4-3-2所示。 由于采用单电源供电, 故同相输入端用阻值相同的R1、 R2组成分压电路, 使K点电位为UCC/2,经R3加至同相输入端。 在静态时, 同相输入端、 反向输入端和输出端皆为UCC/2。

图4-3-2  由TDA2030A构成的单电源功放电路

五 设计参数计算

1．混合前置放大器参数计算

混合前置放大器电路由运放组成，为反相输入加法器电路。

根据增益分配，混合级输出电压，而话筒放大器输出已达到的要求。即，所以取。

录音机插孔输出的信号一般为，已远大于要求，要对进行适当衰减，否则会产生限幅失真（截顶失真）。取为，为使音量可调，电位器取。

2.音调控制器参数计算

根据题意，100Hz和10kHz处有±12dB调节范围。即，代入式（4.2.9）得

        5.1

则                            5.2

又            代入式（4.2.10）得

         5.3

则                           5.3

因此                       5.4

、、不能取得太大，否则运放漂移电流影响不能忽略不计。同时也不能太小，否则流过电流将超出运放输出能力。一般取几千欧至几百千欧。取*=470, ==47，取值正确与否代入式（5.2）进行验算。

满足设计要求。

由式（5.2）求得值

取标称值0.01μF，

可得

因此

取标称值。

由式（5.3）得

取标称值。

与等值取470，级间耦合与隔直电容，取10μF。

3.功率放大器参数计算

查阅手册，可选择功放外围元器件值。TDA2030A功放集成电路，

功放外围元器件值为:

C1=100uF,

C2=0.1uF,

C3=22uF,

C4=22uF,

C5=22uF,

C7=2200uF,

R1=100K

R2=100K,

R5=4.7K,

R4=150K,

R3=100K

六 设计流程及设计图

1.设计流程图

音响放大器的基本组成

音响放大器的基本组成框图如图6-1,各部分电路的作用如下。

2.设计原理图

音响放大器原如图6-2所示

图6-2

3.     PCB图

图6-3

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