音频功率放大电路.doc

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1、 课 程 设 计 说 明 书课程名称：数字电子技术、模拟电子技术 设计题目： 音频功率放大电路 院 系： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 年 月 日 课 程 设 计 任 务 书设计题目音频功率放大电路学生姓名所在院系电子信息与电气工程学院专业、年级、班设计要求：1、设计制作一个音频功率放大电路（带高低音调节）；2、负载电阻为8（扩音器的等效阻抗）；3、额定输出功率为10W；4、带宽大于50Hz15KHz；5、输入阻抗大于500K。学生应完成的工作：设计音频功率放大电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP 软件绘制电路原理图，并设计制作电路的

2、PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读：1 童诗白.模拟电子技术基础 M.北京：高等教育出版社， 2005. 2 臧春华.电子线路设计与应用 M.北京: 高等教育出版社， 2005.3 邱关源，罗先觉.电路（第五版 M.北京：高等教育出版社， 2006.4 阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社， 2005.5 张阳天，韩异凡.Protel DXP电路设计 M.北京：高等教育出版社， 2005.工作计划： 5月14号16号完成仿真图的设计；5月17号 完成原理图设计；5月18号5月21完成PCB图设计；5月22号5月24完

3、成PCB板的制作及电路的安装与调试；5月25完成实验报告。任务下达日期： 年 月 日任务完成日期： 年 月 日指导教师（签名）： 学生（签名）： 音频功率放大电路摘 要：设计了一个音频功放控制电路，该电路具有音频功率放大功能。电路由前置放大级，音调控制级，功率放大级组成。其中，前置放大级电路由NE5532组成的同相比例运算电路来实现，音频控制电路由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路来实现，功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路来实现。验证电路可以由Multisim软件仿真,电路的输入阻抗大于500K,最大不失真功率为11.584W，带宽大于50Hz15KHz。关键词：音频功

4、放；音调控制；功率放大；电路仿真目 录1. 设计背景11.1了解模拟电路系统和模拟电路的定义和组成11.2 功率放大电路概述12. 设计方案12.1任务分析12.2方案论证23. 方案实施23.1原理图设计23.2电路仿真53.3 PCB制作83.4安装与调试94. 结果与结论 95. 收获与致谢96. 参考文献107. 附 件107.1电路原理图107.2 PCB布线图117.3 元器件清单111. 设计背景1.1 了解模拟电路系统和模拟电路的定义和组成对模拟信号处理的电路称为模拟电路。模拟电路系统一般包括放大电路，滤波电路，运算电路，信号转换电路，信号发生电路，直流电源等。放大电路主要作用

5、是将信号的电压、电流或功率放大；滤波电路用于信号的提取、变换或抗干扰；运算电路用来完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算；信号转换电路用于将电流信号转换成电压信号或将电压信号转换成电流信号、将直流信号转换成交流信号或将交流信号转换成直流信号、将直流电压转换成与之成正比的频率的等；信号发生电路用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波；直流电源将220V，50HZ交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子电路的供电电源。1.2 功率放大电路概述 能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路。从能量的控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本

6、的区别：只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。在电源电压确定后，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是功放研究的主要问题。因而围绕这连个性能指标的改善，可组成不同电路行式的功放。目前集成功率放大电路为OTL和OCL电路，前者需要外接输出电容。2. 设计方案2.1 任务分析音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它主要应用于对弱音频信号的放大以及音频信号的传输增强和处理。按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分。本次课程设计要求制作一个带有高低音调节功

7、能的音频功率放大电路，额定输出功率为10W，带宽大于50Hz15KHz，输入阻抗大于500K，可以在Multisim仿真上进行测试。基本设计思路如下图1所示。图1 任务设计分析图2.2 方案论证在音频功放电路中，需要体现的是电路的功率放大功能。前置放大电路可以由分立元件组成，也可由集成运放放大电路组成。分立元件组成的放大电路结构复杂，而集成运放放大电路设计简便，易于实施。常用的音调控制电路有三种形式，一是衰减式RC音调控制电路，其调节范围宽，但容易产生失真；另一种是反馈型音调控制电路，其调节范围小一些，但失真小，而且电路简便易行；第三种是混合式音调控制电路，但其电路复杂，多用于高级收录机。功率

8、放大级可以由三极管与电容组成的复合管放大电路来实现，但这种设计电路结构复杂，也可以由集成功率器件TDA2030来实现，TDA2030是一块性能十分优良的功率放大电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，输出功率大，保护性能比较完善，并且外围电路简单，使用方便。本课程设计中采用由NE5532P组成的前置放大电路放大器，音调集成功率放大电路中采用了由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式。基本设计路线如图2所示。NE5532P组成的放大级负反馈音调控制电路TDA2030A组成的功率放大级音频输出图2 基本设计线路图3. 方案实施3

9、.1 原理图设计1.前置放大电路由NE5532P组成的前置放大电路是一个同相输入比例放大器，电路的闭环特性如下，理想闭环电压增益 ： Au=1+R3/R1。 扩音机电路的增益是很高的，所以扩音机的噪声主要取决于前置放大器的性能。为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选用低噪声的运放。另外，如输入线的屏蔽情况，地线的安装等等都对噪声有很大影响。电路图如图3所示。图3 前置放大电路图该电路实现典雅的放大倍数为：Au=1+R3/R1=112.音频控制电路本音调集成功率电路中采用了由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路。它是通过不同的负反馈网络和输入网络造成放大器闭环放大倍数随信号频率不同而改变，从而

10、达到音调控制的目的。设计图如图4所示。图4 音频控制电路原理图电路图中电位器R4是低音调节电位器，R9是高音调节电位器，电容C6是音频信号输入耦合电容，电容C2、C3是低音提升和衰减电容，电容C4、C5起到高音提升和衰减作用。对于低音信号来说，由于C4和C5的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器R9在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器R4滑动端调到最左端时，C2被短路， 由于电容C3对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。电路的频率响应分析如下： 电压放大倍数表达式为：Au 则其频率范围在fL1与f L2之间，又电路中C2=C3，C4=C5，

11、R5=R6=R，R4=R9=9R，R4R8，C2=C3C4=C5。 在50Hz上下取fL1=34Hz、f L2=340Hz，则近似计算出R=10K、 R4=R9=100K、 C2=C3=47nF。同样当R4的滑动端调到最右端时，电容C3被短路，其等效电路如上图所示。由于电容C2对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。 电路对于高音信号来说，电容C2、C3的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器R9，即可实现对高音信号的提升或衰减。高信号频率范围在fH1与fH2之间， 在15KHz上下取fH1=2085Hz、fH2=15400Hz，近似计算可得到R8=4.7

12、K 、C4=C5=2.2nF。 3.功率放大级TDA2030功率集成放大器的使用十分灵活，可以构成多种输出结构：即可以在正负对称电源下工作构成OCL电路，也可以在单电源下工作，构成OTL电路，还可以用两只放大器一起工作，构成BTL电路等。本课程设计功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式。TDA2030A功率集成电路具有转换速率高，失真小，输出功率大，外围电路简单等特点。TDA2030A功率集成电路的内部电路包含由恒流源差动放大电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式OCL电路构成的输出级；启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。电路如图5所示。图5 功率放大级原

13、理图图中D1、D2是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，二极管D1、D2在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，而如果感生电动势过大，超过了电源电压的范围，则开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，保护功率放大器不会损坏。根据参考手则，这两只二极管采用1A的普通整流二极管1N4001。电阻R15和电容C11串接在电路的输出端，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，其作用是对扬声器的频响特性进行补偿，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯阻性。整个原理图设计见附件7.1。3.2 电路仿真在各单元电路设计的基础上，按照总体电路图在仿真软件Multisim上

14、一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。将电路在Multisim上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值连接，然后打开Multisim的开关，根据彩灯的闪烁情况判断电路是否正常。通过仿真我们的电路原理图无误，可以制板。仿真图如图6所示。图6 电路仿真原理图根据仿真原理图进行一系列的仿真测试来验证电路是否符合设计要求。1.验证频带宽度是否满足设计要求：50Hz时其仿真波特图如图7所示。图7 15Hz仿真波特图1KHz时其仿真波特图如图8所示。图8 1kHz仿真波特图15KHz时其仿真波特图如图9所示。图9 15KHz仿真波特图由上面的波特图可以看出该设计电路的

15、频带宽度满足设计要求。2.测量输出电压放大倍数：通过仿真测量几组分别在50Hz、1KHz、15KHz时电路中各级电路的放大倍数及整机的放大倍数，数据如表1所示。表1 电路仿真数据处理表频率前置放大级音调控制级功率放大级整机f=50HzVi114.142mVVi2155.536mVVi3155.526mVVi14.142mVVo1155.536mVVo2155.526mVVo31.163VVo1.163VAv110.998Av20.998Av37.478Av82.237f=1kHzVi114.142mVVi2155.432mVVi3155.389mVVi14.142mVVo1155.432mVV

16、o2155.389mVVo31.211VVo1.146VAv110.991Av21.001Av37.713Av80.113f=15KHzVi114.142mVVi2155.367mVVi3155.402mVVi15.266mVVo1155.367mVVo2155.402mVVo3894.467mVVo894.467mVAv110.374Av20.995Av35.879Av63.2493.测量输入电阻： 数据如表2所示。表2 输入电阻测试表频率输入电压输入电流输入电阻50Hz14.142mV1.667nA8483K1kHz14.142mV1.894nA7467K15KHz14.142mV1.98

17、8nA7114K由表可知该设计电路的输入电阻远大于500K，满足设计要求。4测量最大不失真功率：经过测试在15V的直流电源，8负载作用下，其允许的最大不失真输入信号为UI=113.137mV，此时，UO=9.619V,其最大不失真功率Po=11.584W10W也满足设计要求。3.3 PCB制作在布线前要在DXP中完成对电路图元件的封装。在封装时，要注意，因为对于同一个元件可能有多种封装方式。封装时根据所给元件的类型选择合适的封装对各个元件进行封装。封装完成后，把原理图导入PCB板。导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。根据仿真原理图画出DXP原理

18、图，将仿真图中的负载8欧电阻换成Header2,再根据需求布线布局，画成的PCB图见附件7.2。作PCB中，根据制作过程的要求，制成单层板，PCB制版中焊盘半径设置为0.9mm，电源和地导线的宽度设置为0.6到0.8mm，信号线设置为0.5mm,当导线从两个焊盘之间穿过时设置宽度为0.5mm。印刷电路板的流程：首先，在制作单层板时把PCB布线图打印为PDF文件，使用油光纸，留bottom layer、multi-layer、keep-out layer；其次，把覆铜板切割成设计要求的尺寸，把打印好的图纸放在覆铜板上，并在转印机上转印；再次，将做好的板子放在盐酸溶液中腐蚀，直到导线周围的铜箔被腐

19、蚀掉然后洗净钻孔，之后用砂纸把覆铜板导线表面的墨擦掉，把铜露出来，在打磨过程中注意不要将比较细的铜线磨掉了。 3.4 安装与调试在安装时，我们要根据原理图将原件对号入座，安装好所有的芯片和电路原件后，按照电路图逐一检查电路有没有漏焊的问题，接下来用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路。在线路没有问题的情况下连接电源调试，之后用电源逐个模块进行检查。将信号输入端对地短路，用万用表或示波器测量每一级电路中关键点的直流电压是否正常，是否和理论计算值相同。另外，也可以用示波器检查电路中是否有自激振荡现象存在。在电路的输入端加上输入信号（一定幅度和频率的正弦信号），观察每一级放大器的输出信号是否

20、正常，信号有无失真，信号的放大幅度是否与设计值相同等。还可以在输入端加入不同频率的正弦信号，调节各个电位器，检查信号是否受控，受控是否正确等。如果发现故障，则应当从第一级电路开始，逐级向后检查，找出原因并排除故障。然后接上15V后电路并没有正常工作，经过老师的指导和仔细的排查，修改后调试成功。4. 结果与结论本课程设计中由NE5532P组成的前置放大电路放大器，由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式的功率放大级实现了带有高低音调节功能的音频功率放大电路、额定输出功率为10W、带宽大于50Hz15KHz、输入阻抗大于500K等设计要求的音频

21、功率放大电路。在设计的过程中也有很多问题的存在，例如噪声和失真现象。噪声的产生原因主要有：电源干扰噪声；电磁辐射干扰噪声；接地回路噪声；设备内部的电路噪声。失真主要有以下几种：谐波失真音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分。瞬态失真瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢。5. 收获与致谢经过两个星期的电子技术课程设计，大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神收获了很多。首先通过实践加深了对数字、模拟电子技术理论知识的理解，并且亲身感觉到与数字生活是如此的近距离，有说不出的喜悦与甜蜜。但是由于软件基本功不行，设计过程中遇到了小

22、难题，尤其在PCB布线的时候，耽误了大量时间，在经过不懈努力后才完成了我们的PCB板。所以我们在设计的过程中，不可对其中任意一个环节不耐心，要认真检查到每一根导线。这次课程设计我深刻意识到认真的重要性，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识认识得不够深刻，掌握得不够牢固，理解的不够透彻。总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维, 增加了实际操作能力。在以后我要更加努力学习，培养自己独立思考的能力，弥补自身的不足，提高自己的综合素质。这次课程设计要特别感谢 老师、 老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在

23、此我表示深深的感谢！6. 参考文献1 童诗白.模拟电子技术基础 M.北京：高等教育出版社， 2005. 2 臧春华.电子线路设计sx与应用 M.北京: 高等教育出版社， 2005.3 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社， 2006.4 阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社， 2005.5 张阳天，韩异凡.Protel DXP电路设计 M.北京：高等教育出版社， 2005. 7. 附件7.1 电路原理图 电路原理图如图10所示。图10 电路原理图7.2 PCB布线图 PCB布线图如图11所示。图11 PCB布线图7.3 元器件清单元器件清单如表3所示。 表3

24、 元器件清单表元件型号数量元件型号数量Res10k6Cap220n1Res22k2Cap22u1Res11Cap2.2n1Res6801Diode1N40012Res4.7k1滑线电阻100k3Res100k1排针5Cap10u4TDA20301Cap47n2NE55321指导教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 40 课程设计其它环节成绩：环节名称：原理图设计与仿真，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称： PCB设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称：电路安装调试 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 总 成 绩： 指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日 13