音频功率放大器设计TDA模电课设.docx
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音频功率放大器设计TDA模电课设
学号:
课程设计
题目
高保真音频功率放大器设计
学院
专业
班级
姓名
指导教师
年
月
日
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
高保真音频功率放大器设计
初始条件:
可选元件:
集成功放LA4100或LA4102;集成功放4430;集成功放TD2030;集成功放TDA2004、2009;集成功放TA7240AP(集成功放的选择应满足技术指标)。
电容、电阻、电位器若干;或自备元器件。
直流电源±12V,或自备电源。
可用仪器:
示波器,万用表,毫伏表
要求完成的主要任务:
(1)设计任务
根据技术指标和已知条件,选择合适的功放电路,如:
OCL、OTL或BTL电路。
完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。
(2)设计要求
输出功率10W/8Ω;
频率响应20~20KHz;
效率>60﹪;
失真小。
选择电路方案,完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图,阐述基本原理。
(选做:
用PSPICE或EWB软件完成仿真)
安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
时间安排:
1、年月日集中,作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、年月日,查阅相关资料,学习电路的工作原理。
2、年月日至年月日,方案选择和电路设计。
2、年月日至年月日,电路调试和设计说明书撰写。
3、年月日上交课程设计成果及报告,同时进行答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要
本文设计的高保真音频功率放大器,带八欧负载,输出功率可达10W,整体电路分为四级:
电源、前置放大电路、音调调节电路、功率放大电路;正负电源用7815和7915设计,前置放大和音调调节电路用NE5532设计,功率放大电路用TDA2030设计,制作和调试后,各项指标已实现。
关键字:
音频功率放大器,音调调节,TDA2030,NE5532。
1设计内容及技术参数指标
1.1设计内容
本次课程设计内容为设计一个高保真音频功率放大器。
根据技术指标和已知条件,选择合适的功放电路,如:
OCL、OTL或BTL电路。
完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。
1.2设计要求和技术参数
输出功率10W/8Ω;
②频率响应20~20KHz;
③效率>60﹪;
④失真小。
2方案论证及电路框图
2.1方案论证
对高保真音频功率放大器可选以下方案:
方案一:
无输出耦合电容的分立元件低功放
分立元件低功放可分输入级,偏置中间级和功率输出级三部分组成。
为保证低频响应电路中采用直接耦合。
采用基极分压式射极偏置电路,这对提高线性,降低波形失真起到很大的作用。
末级输出电路工作在甲乙类状态,这既保证了线性不失真放大,又可使效率达到指标。
方案二:
直接耦合集成功放电路
利用集成运放搭建输入级,中间级和输出级。
优点是采用集成功放,电路总体噪声小,可操作性好。
方案选择:
对于这两种方案均可达到实验目的要求,但对于实际操作性和简易复杂度,以及成本高低,信号失真度选择方案二更优越一些。
2.2电路框图
本设计采用四级电路完成设计目标,分别为电源,前置放大电路,音调调节电路,功率放大电路,总体模块如图2.2所示。
图2.2总体方案设计
3单元模块设计与参数计算
3.1电源模块
根据输出功率,决定采用正负15V电源供电,这里采用常用线性稳压芯片7815和7915【1】设计,输出稳定,文波小。
电路图如图3.1所示。
图3.1电源电路图
本课程设计重点在于功率放大的实现,因此电源部分不做详细分析。
3.2前置放大电路
3.2.1设计的必要性
输入音频信号的幅值约为5mV,输出功率要求10W,输出幅值约为10V,放大倍数约为2000,而功率放大电路主要提高带负载能力,其放大倍数有限,因此必须设计前置放大电路。
3.2.2芯片选择
作为音频前置放大,主要完成对一定频率范围内信号的放大,要求芯片的增益带宽积【2】要大,信号失真度小,噪声小,本身功耗低,经选择查找本设计采用NE5532实现前置放大,NE5532主要参数如下:
供电电压VCC±3~±20V
增益带宽积10Hz
噪声Vn
以上参数满足要求。
设计电路如图3.2.2所示
图3.2.2前置放大电路
NE5532构成反相比例放大器,放大倍数为:
放大倍数1~50可调。
3.3音调调节电路
3.3.1功能
音乐的高音低音,主要是信号频率不同,该电路可以实现对不同频率信号的衰减和放大,具有高音调节和低音调节的功能。
3.3.2电路
该电路由运放NE5532和RC滤波网络【3】构成,电图如图3.3.2所示。
图3.3.2音调调节电路
3.3.3原理说明
图3.3.2所示为负反馈式高低音调节的音调控制电路。
该电路调试方便、信噪比高,目前大多数的普及型功放都采用这种电路。
图中C2、C3的容量大于C4、C5,对于低音信号C2与C3可视为开路,而对于高音信号C4、C5可视为短路。
低音调节时,当R4滑臂到左端时,C2被短路,C3对低音信号容抗很大,可视为开路;低音信号经过R5、R7直接送入运放,输入量最大;而低音输出则经过R6、R4、R7负反馈送入运放,负反馈量最小,因而低音提升最大;当R4滑臂到右端时,则刚好与上述情形相反,因而低音衰减最大。
不论R4的滑臂怎样滑动,因为C2、C3对高音信号可视为是短路的,所以此时对高音信号无任何影响。
高音调节时,当R9滑臂到左端时,因C4、C5对高音信号可视为短路,高音信号经过R8、C4直接送入运放,输入量最大;而高音输出则经过R8、R9、C5负反馈送入运放,负反馈量最小,因而高音提升最大;当R9滑臂到右端时,则刚好相反,因而高音衰减最大。
不论R9的滑臂怎样滑动,因为C4、C5对中低音信号可视为是开路的,所以此时对中低音信号无任何影响。
普及型功放一般都使用这种音调处理电路。
使用时必须注意的是,为避免前级电路对音调调节的影响,接入的前级电路的输出阻抗必需尽可能地小,应与本级电路输入阻抗互相匹配【4】,或本级输入电阻尽可能大。
3.4功率放大电路
3.4.1方案选择
由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小,具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能,所以使用非常广泛。
TDA2030/2030A集成功放【5】,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,但在实际使用的过程中一定要注意,加上散热片,否则,TDA2030很快就会由于温度过高而停止工作!
如图3.4.1(a)、3.4.1(b)所示,TDA2030在双电源供电时有两种连接电路OCL电路和BTL电路,当供电电压为±16V,RL=8Ω时,OCL最大输出功率为11W,BTL最大输出功率为34W,为满足设计要求,采用BTL电路【6】。
图3.4.1(a)OCL电路图3.4.1(b)BTL电路
3.4.2原理说明
同OCL相比,同样是双电源供电,在VCC和RL相同条件下,BTL电路输出功率为OCL电路输出功率的4倍【7】,电源利用率高,BTL电路的效率在理想情况下,约为78.5%,本级电路的电压放大倍数约为40,与前置放大电路配合,总的电压放大倍数为2000,可满足要求。
4PCB电路板制作和焊接
利用AltiumDesigner进行原理图设计和PCB设计
4.1原理图设计
原理图设计包括元件符号的制作和元件电气连接,注意事项,每个元件都要有唯一不同于其他元件的识别号,若该元件有数值在原理图中应标识,原理图和PCB布线当较复杂时应模块化制作,每一个模块注意设计电源接口、输入接口和输出接口。
4.2PCB设计
PCB设计包括元件封装制作和布线,制作元件封装时注意封装尺寸规格和元件实际尺寸规格一致,特别是引脚标号和顺序,平时要制作和积累一些常用的元件封装,布线时,首先要设置布线规则,包括最小间距、线宽、孔径,两项制造规则,然后根据需要和原理图摆放元件位置,尽可能的不跳线,最后布线。
所有布线完成后,注意对电路板进行必要的标识,如电路板功能,电源正负极、输入、输出。
PCB设计完成后,要虚拟打印成PDF,先设置好打印比例,打印层次,过孔,镜像,再打印。
4.3PCB板制作
从设计好的PCB图到实际PCB电路板需要经过:
打印、转印、腐蚀、上锡、打孔五个步骤,分别用到打印机、转印纸、覆铜板、塑封机、盐酸和双氧水、焊台、钻孔机。
注意事项,转印前,要对覆铜板进行打磨,塑封时要预热,注意温度在250摄氏度,腐蚀注意腐蚀度,上锡注意平滑度,打孔注意准确度。
4.4焊接
注意不要虚焊。
5安装与调试
5.1分级测试
5.1.1前置放大级
测试结果:
通频带5Hz~500KHz
最大输出幅值14.8V
放大倍数1~50
正常工作时的供电电压±4V~±20V
5.1.2音调调节级
测试结果:
调节R4和R9明显可改变对不同频率(5Hz~200KHz)信号的衰减和提升
最大输出幅值14.6V
放大倍数0.6~1.8
正常工作时的供电电压±1.7~±20V
5.1.3功率放大级
测试结果:
通频带15Hz~200K
最大输出幅值14V
放大倍数1~40
正常工作时的供电电压±2.3~±18V
5.2联调
5.2.1通频带测试
测试条件:
音调调节电路对不同频率的信号放大倍数【8】不同,因此其通频带没有意义,测试时前级放大电路直接与功率输出级相连。
其中VCC=±15V,总放大倍数为30,空载,输入VPP=200mV。
测试记录数据如表5.2.1所示。
测试电路如图5.2.1所示。
图5.2.1通频带测试电路
表5.2.1通频带测试数据
序号
频率f/Hz
输出VPP
1
10
4.55
2
15
4.87
3
20
5.12
4
200
5.76
5
2K
5.92
6
10K
5.88
7
20K
5.78
8
50K
5,34
9
100K
5.01(有失真)
5.2.2计算
根据以上测试结果可得:
1)电源电压VCC±15V
2)最大输出幅值VOM14V
3)负载RL8Ω
计算:
最大输出功率:
最大转换效率:
总的测试结果:
通频带15Hz~50KHz
最大输出幅值14V
放大倍数1~200以上
正常工作时的供电电压±4~±18V
最大输出功率12.25W
效率73.3%
完全满足课程设计要求。
6总结
从接触这个课程设计开始,到作品完成,最后写报告,前前后后,断断续续大概有两个月的时间,在这段时间里,感触最深的是对电路的理解和分析,在制作的过程中,实践告诉我,理论知识很重要,很多测试调试都要有理论依据,特别是模电这门课的学习,给了我很大帮助,在实践中我学到了很多,对知识也有了更深的理解,感谢老师,同学,在这段时间里,他们给了我很多的帮助,也给了我很多启发,让我能很好的完成课程设计,也感谢这样一门课程设计,给了我们锻炼,成长的机会。
参考文献:
【1】吴友宇编.模拟电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2009
【2】童诗白编.模拟电子技术基础(第三版).北京:
高等教育出版社,2001
【3】杨欣编.电子设计从零开始.北京:
清华大学出版社,2010
【4】王远编,模拟电子技术.北京:
机械工业出版社,1994
【5】邱关源编.电路.北京:
高等教育出版社,1988
【6】李永平编.电路设计实用教程.北京:
国防工业出版社,2004
【7】刘岚编.电路分析基础.北京:
高等教育出版社,2009
【8】铃木雅臣编周南生译.晶体管电路设计.北京:
科学出版社,2004
附录1完整电路图
附录2元件清单
序号
元件名称
数量
1
NE5532P
4
2
TDA2030
4
3
LM7812
1
4
LM7912
1
5
变压器双出15V
6
1N4001
6
7
1000uF/50V电解电容
2
8
10W/8欧喇叭
2
9
100K滑动变阻器
2
10
50K滑动变阻器
4
11
100uF/50V电解电容
10
12
其他电阻电容若干
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
高保真音频功率放大器设计
课程设计答辩或质疑记录:
(1)为什么需要前置放大电路?
答:
输入音频信号的幅值约为5mV,输出功率要求10W,输出幅值约为10V,放大倍数约为2000,而功率放大电路主要提高带负载能力,本身放大倍数有限,因此必须设计前置放大电路。
(2)为什么选择BTL电路?
答:
当供电电压为±16V,RL=8欧时,OCL最大输出功率为11W,BTL最大输出功率为34W,为满足设计要求,故采用BTL电路。
同时,同OCL相比,同样是双电源供电,在VCC和RL相同条件下,BTL电路输出功率为OCL电路输出功率的4倍,电源利用率高。
(3)音调调节电路为什么要满足输入电阻大,输出电阻小的要求?
答:
主要是使前后级电路互相匹配,一方面更多的索取前级输入信号,另一方面使信号更多的输给后级。
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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- 音频 功率放大器 设计 TDA 模电课设