电子技术课程设计报告

 

音频放大器的设计

               

学    院：机械与电子工程学院

年级专业：机械电子工程102   

学    号： 2010012325        

姓    名：      杨建平        

指导教师：      龙燕          

完成时间：    2013.1.10        

成    绩：                   

中国  陕西  杨凌

摘  要[cie1] [guo2] 

本次课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放。音频功率放大器主要用于推动扬声器发声。几乎所有发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等，给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。

这款功放采用了典型的OCL功放电路，具有结构简单，输出功率大，失真小等特点，应用十分广泛。本设计主要包括两部分放大电路电路：前置放大电路、OCL功率放大电路。前置放大级采用的是集成运算放大器NE5532AP，NE5532AP在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具有优异的指标。 OCL功率放大电路采用TDA2030音频放大器芯片，其性能优良，由它组成的功率放大器可以很好的满足设计要求。本设计将通过电路分析设计、NI Multisim电路仿真及分析完成。

关键词：[cie3] NE5532AP；TDA2030；失真小；音频功率放大器

                                               目 录[c4]                

1 设计任务... - 1 -

1.1 设计目的和意义... - 1 -

1.2 放大指标... - 1 -

2系统设计... - 1 -

2.1 总体方案设计... - 1 -

2.2 具体电路设计... - 2 -

2.2.1前置放大电路的设计... - 2 -

2.2.2功率放大电路的设计... - 3 -

2.3 系统总体电路... - 4 -

2.4 系统所用元器件... - 4 -

3 系统调试与仿真... - 5 -

3.1 前置放大器调试... - 5 -

3.2 OCL功率放大电路的调试... - 7 -

3.3 总电路调试... - 8 -

4总结... - 10 -

4.1 本系统的优缺点... - 10 -

4.2 心得体会... - 10 -

参考文献... - 10 -

                                                     

1  设计任务 音频功率放大器设计

1.1 设计目的和意义

    日常生活中涉及到发声的电子设备大多数都要用到音频功率放大器，本设计的目的就是为了满足其需要，要求在较小失真的情况下满足一定的放大倍数以推动负载（如扬声器）正常运行。

1.2放大指标

1、最大不失真输出功率：P_OM≥0.5W

2、负载电阻R_L=4Ω

2 系统设计

2.1 总体方案设计

    根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图所示框图实现。下面主要介绍各部分电路的特点及要求。

图1音频功率放大器组成框图

本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。首先根据输出功率的确定电源大小和整个系统的增益。因为音频功率放大器的最大不失真输出功率P_OM≥0.5W。所以音频功率放大器的输出幅值V_OM≥√(2P_OMR_L)= √(2*0.5*4)=2（V）。当输入信号最小值为1mV时，整个放大系统的电压放大倍数为：A_V=V_OM/V_i=2/(1*10^(-3))=2000倍，即20lg(2000)=66(dB)。根据整个放大系统的电压增益，合理分配各级单元电路的增益。前置放大器的电压放大倍数取80；功率放大器级（采用集成功放）电压放大倍数取30倍（考虑到实际电路中有衰减）。

   音频功率放大器供电电源的选取主要从效率和输出失真大小方面考虑。如上所述，该系统的输出信号幅值为11.3V，从提高效率的角度考虑，电源电压越接近11.3V越好，但这样输出信号的失真将增大；从减小失真的角度考虑，可适当的提高电源电压。综合考虑，音频功率放大器整个系统的电源电压采用±15V供电。

下面将对两个放大电路分别进行详细的分析和设计。

2.2具体电路设计

2.2.1  前置放大电路的设计

前置电路的作用：将节目源输出的电信号进行加工处理和不失真电压放大，使之达到一定幅度去推动功率放大器，确保功率放大器正常工作，并能对重放声音的音调、音量、响度和立体声进行一系列控制。

声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。

    对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。

根据音频信号的特点，前置放大器选择由NE5532AP集成运算放大器构成的电压放大器完成。NE5532AP在噪声、转换速率、增益带宽积等方面具有优异的指标，由它组成的电压放大器可以很好的满足设计要求，电路如图2所示。

前置放大器由两级放大器组成，第一级采用NE5532AP构成的电压串联负反馈电路，具有输入阻抗高的特点。第二放大器采用NE5532AP组成的电压并联负反馈电路，该电路具有输出电阻小、抗共模干扰信号强的特点。

第一级放大器的电压放大倍数为：1+R₃/R₂=1+47/10=5.7；第二级放大器的电压放大倍数为：-R₅/R₄≈-20；电容C₅、C₆的作用是高频滤波，电容C₃、C₄是去耦电容，消除低频自激振荡。前置放大器的下限频率由电容C₁和电阻R₁决定。

信号经前置放大电路加工处理和不失真电压放大，进入功率放大电路。V_o1端作为功率放大电路的输入级直接与V_o2端直接相连。

                 图2前置放大电路

2.2.2  功率放大电路的设计

功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专集成电路功率放大器。本文设计的是一个OCL功率放大器，该放大器采用TDA2030音频放大器芯片，TDA2030音频放大器电路是最常用到的功率放大器，其内部电路包含输入级，中间级和输出级，且有短路保护和过热保护，可确保电路工作安全可靠。采用正输出单电源供电。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器中，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，而保护性能比较完善。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，设计了较为完整的保护电路，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。

本设计选取SGS公司生产的TDA2030/2030A集成功放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单，可以作OTL使用，也可作OCL使用。

TDA2030/2030A的外引线如图3所示。1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4脚为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。电路特点是引脚和外接元件少。其主要特点为：电源电压范围为6V~18V，静态电流小于60A，频响为10Hz~140kHz，谐波失真小于0.5，在V_CC=14V，R_L=4Ω时，输出功率为14W。在4Ω负载上的输出功率为10W。

 

图3 TDA2030管脚图                 图4 TDA2030组成的OCL功率放大器电路

由TDA2030/2030A构成的OCL功率放大器电路如图4所示。该电路由TDA2030组成的负反馈电路，其交流电压放大倍数A_vf=1+R₁/R₂=1+22/0.68≈33（倍），满足设计要求。二极管D₁、D₂起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。R₄、C₂组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容C₁是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。电容C₃、C₆是低频旁路电容，电容C ₅、C₄是高频旁路电容。电位器R_P是音量调节电位器。

2.3  系统总体电路

                            图5  音频放大器中电路图    

2.4  系统所用元器件

本系统所用的元器件清单如表1所示。

表1  本系统所用的元器件[guo5] 

3. 系统调试与仿真

3.1  前置放大器调试

安装电路时注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反。同时不加入交流信号(DC:1mV)时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象。加入幅值1mV、频率1kHz的交流正弦波信号，测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。

    

                    图6 前置放大电路仿真

一级二级静态输出分别如下图：

  图7 前置放大电路各级静态输出（左：U₁;右：U₂）

可以看出U₁=-553.941uV   U₂=622.469mV

图8 各级波形输出（A通道：第一级；B通道：第二级）

由上图可以看出一级和二级放大均无无自激振荡现象。

   图9前置放大电路示波器输出图（A通道：输出信号；B通道：输入信号）

前置放大电路的电压放大倍数为： 56.289/(681.325*10^(-3))=78.2倍，符合设计要求。

3.2  OCL功率放大电路的调试

                 图10 OCL功率放大电路

(1)静态测试。将功率放大器的输入信号接地，测量输出端对地的电位应为0V左右，电源提供的静态电流一般为几十mA左右。若不符合要求，应仔细检查外围元件及接线是否有误；若无误，可考虑更换集成功放器件。（2）动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电阻R_L(代替扬声器)条件下，功率放大器输入端加入1mV/1kHz的正弦波信号，调节输入信号的大小，观察输出信号的波形。若输出波形变粗或带有毛刺，则说明电路发生自激振荡，应尝试改变外接电路的分布参数，直至自激振荡消除。然后逐渐增大输入电压，观察测量输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。

               图11功率放大电路输出波形

由上图可以看出，该电路没有发生自激振荡。

U_max=29.542mV，所以最大不失真输出功率为P_OM=((29.542*10^(-3))^2)/4=7.39W

3.3  总电路调试

将每个单元电路互相级联，进行系统调试。将频率等于1kHz，幅值等于1mV的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端，观察其输出端的波形有无自激振荡和失真，测量输出最大不失真电压幅度，计算最大不失真输出功率。

                           图12总电路Multisim仿真图

                   图13系统总电路输出波形

由上图可以看出，输出没有出现自激振荡和失真现象，说明设计符合要求。

输出最大不失真电压为U_OM=2.414V，所以最大不失真输出功率为：P_OM=(2.414^2)/4=1.46W，符合预先设计要求。

4. 总结

4.1 本系统的优缺点

   本系统电路各环节放大电路各项参数指标经过检验均符合设计要求：放大倍数和最大不失真功率均达到要求并且失真较小。该电路使用了NE5532AP集成运放和TDA2030集成功放，电路结构简单明了，能很好的满足设计需要。但是，由于本系统只设置了两个放大电路，没有稳压电源和音调控制环节，输出信号不够稳定，不能对输出音频信号进行调节和优化。

4.2 心得体会

本次课程设计至此已经接近尾声，设计的时间虽然不是很长，但在整个设计过程中收获颇丰。整个课程设计过程中首先对模拟电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对模拟电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解。以前的模电实验只是针对某一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。另外，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。 通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。

参考文献

[1] 童诗白，华成英主编.  模拟电子技术基础（第四版）. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] 邱关源 主编.  电路（第五版）. 北京：高等教育出版社，2010

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 [cie1]小三号黑体，居中，字间空一个字，下空一行写摘要内容。

 [guo2]摘要包括研究的目的意义，研究方法，结果和结论

 [cie3]小四号黑体，

 [c4]“目录“两字为三号黑体，居中；段前空1.5行，段后空1行。按照三级层次组织，并单独成页，包括章、节和小节标题以及相对应的页码。

 [guo5]5号宋体

 [guo6]表头为5号宋体加粗。表中内容为5号宋体。