高保真音频功率放大器设计报告书瞿凡.docx
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高保真音频功率放大器设计报告书瞿凡
模拟系统课程设计
题目
高保真音频功率放大器设计
信息工程学院
专业
通信工程
班级
10级通信工程本
(1)班
姓名
张媛
指导教师
周玉林
2011
年
12
月
16
日
课程设计任务书
学生姓名:
张媛专业班级:
10级通信工程本
(1)班
指导教师:
周玉林工作单位:
信息工程学院
题目:
高保真音频功率放大器的设计
一、设计目的
①根据设计要求,完成对高保真音频功率放大器的设计。
②进一步加强对Protel(或Multisim)软件的应用和对音频功率放大器的理解。
二、设计内容和要求
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Multisim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。
三、初始条件
可选元件:
集成功放LA4100或LA4102;集成功放4430;集成功放TDA2030;
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
四、时间安排
1、2011年12月12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、2011年12月12日至2011年12月13日,查阅相关资料,学习电路的工作原理。
3、2011年12月14日至2011年12月15日,电路装配与调试。
4、2011年12月16日撰写课程设计报告书。
指导教师签名:
周玉林2011年12月16日
目录
摘要………………………………………………………………………………1
1设计内容及要求……………………………………………………………………2
1.1设计目的及主要任务…………………………………………………………2
1.1.1设计目的………………………………………………………………2
1.1.2设计任务及主要技术指标…………………………………………………2
1.2设计思想……………………………………………………………………2
2方案论证及整体电路工作原理…………………………………………………3
2.1方案确定与论证…………………………………………………………………3
2.2整体电路工作原理………………………………………………………………3
3电路单元模块设计………………………………………………………………4
3.1电源电路的设计………………………………………………………4
3.2音频输入的设计………………………………………………………4
3.3集成功放的设计……………………………………………………………4
3.3.1TDA2030的OTL电路………………………………………………………4
4器件选择及参数计算……………………………………………………………5
4.1输入电容的选取………………………………………………………5
4.2自举电容的选取………………………………………………………5
4.3反馈电阻电容的选取………………………………………………………5
4.4输出电容的计算………………………………………………………6
4.5音频输出器的选取………………………………………………………6
5电路安装与调试…………………………………………………………………6
5.1电路的安装………………………………………………………6
5.2电路的调试与数据测定………………………………………………………6
5.2.1输出电压的测定……………………………………………………………7
5.2.2输出功率的计算……………………………………………………………7
5.2.3电源供电功率的测定…………………………………………………7
5.2.4效率的计算……………………………………………………………7
5.2.5输出电压波形图……………………………………………………………8
6电路主要参数测定………………………………………………………………8
6.1极限使用条件………………………………………………………8
6.2典型工作点主要电参数………………………………………………………9
6.3波形参数………………………………………………………10
6.4实物图………………………………………………………12
7设计电路的特点及改进意见……………………………………………………13
7.1设计电路的特点………………………………………………………13
7.2电路改进意见………………………………………………………13
8元件列表…………………………………………………………………………13
9心得体会…………………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………………16
摘要
本文介绍了采用集成功放芯片TDA2030设计高保真音频功率放大器的原理与方法,阐述了集成芯片的比较选取,重点分析了TDA2030功放电路的结构,记录了其各项性能指标。
该功放的设计避免了单立元件组合电路布线复杂,输出信号失真大的缺点,TDA2030双声道功率放大集成电路,该电路具有声道分离度高、电源接通时冲击噪声小、外接元件少,最大电压增益可由外接电阻调节等特点。
关键词:
TDA2030;高保真;失真小;效率高
Abstract
ThispaperintroducesanintegratedpoweramplifierchipTDA2030high-fidelityaudiopoweramplifierdesignprincipleandmethodofchiponthecomparativeselection,focusedonanalyzingthestructureofTDA2030amplifiercircuitrecordofitsperformanceindicators.Theamplifierdesigntoavoidasingleelementcircuitwiringcomplexity,theoutputsignaldistortionmajorshortcomings,TDA2030dualchannelpoweramplifierintegratedcircuits,thecircuithasahighchannelseparation,theimpactofnoisewhenconnectedtopowerasmallexternalcomponentsless,thebiggestgainbyexternalresistorvoltageregulatorandsoon.
Keywords:
TDA2030;fidelity;smalldistortion;efficient
1设计内容及要求
1.1设计目的及主要任务
1.1.1设计目的
①要求了解集成功率放大器内部电路工作原理,掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。
②要求掌握音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。
1.1.2设计任务及主要技术指标
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Multisim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。
1.2设计思想
本次设计首先在众多集成功率放大器中选出符合设计要求且工作性能最佳的集成芯片。
而整个设计的核心部分就在功放模块电路的设计,该模块完成的功能主要包括放大输入音频以及调节输出音频。
随后运用Multisim软件中的仿真功能对其予以仿真,从仿真的结果中分析程序的正确性。
待所有模块的功能正确之后,运用原理图搭建顶层电路并进行整体仿真直至达到最初的设计要求,最后再在实验箱上检验设计的正确与否。
2方案论证及整体电路工作原理
2.1方案确定与论证
功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路和正负双电源供电的OCL电路。
有集成运放和晶体管组成的功率放大器,也有专用集成电路功率放大器芯片。
根据设计指标及要求,选择TDA2030功放芯片的OTL典型电路,该芯片具有音色甜美动听、性能优良,工作可靠,外围元件少以及安装方便等特点,电源电压从2.2V到16.8V均可以正常工作,对电源电压的适应范围很宽,静态电流小,电源电压增高时,输出功率增大。
另有一种方案为集成功放芯片的OCL电路,这种电路采用正负双电源供电,该电路全部是直流耦合的,当某一级电路某一点出现故障时,多数情况下都将造成其余放大级电路静态工作点的牵连变化,出现声音失真甚至烧机。
2.2整体电路工作原理
由两片TDA2030接成OTL功率放大器,电路书要分为电源电路(由电源输入、电源稳压电路组成)、音频输入、TDA2030功放主体电路和音频输出。
电路拟采用两种电源输入形式,CK插头输入,适用于不同场合使用,USB主要用于电脑随放,CK插头可接自制直流稳压电源亦可接一般随身听电源,非常方便。
下图为设计电路整体框图:
3电路单元模块设计
3.1电源电路的设计
考虑到电源获取的方便性,选取家用电(220V)电源作为本电源的供电模块。
但如果上述电源直接输入,噪音太大,影响音质。
故选取了噪声较低的集成稳压块KBP206G作稳压作用,交流220V输入,直流12V输出。
经验证明,此电压经TDA2030输出可以驱动8Ω/3W喇叭发声。
下面是KBP206G整流桥堆电路图:
图3-1KBP206G整流桥堆电路
3.2音频输入的设计
音频输入用一般的耳机输出线改装而成。
去掉耳机头,刮掉信号线表面胶漆,直接到集成功放输入端。
3.3集成功放的设计
3.3.1TDA2030的OTL电路
TDA2030集成电路的输出功率由电源电压和负载阻抗大小决定。
既可以构成双声道OTL功放,又可以组成BTL功放。
本次课程设计采用其OTL典型电路,应用电路如下图所示:
4器件选择及参数计算
4.1输入电容的选取
该电路要加一输入耦合电容,以减小噪声输入选取一小电容足矣,故取0.22μF瓷片电容。
4.2自举电容的选取
自举电容使输出幅值增加。
建议值为100uF。
自举电容器避免减少输出信号。
此外,在低频和低电源电压时,有较好的减小失真的作用。
4.3反馈电阻电容的计算
图4-6TDA2030反馈电路
输出电压由电阻人R1、R2、C1决定,其增益由下式决定:
当Rf=0,C1=100μF,f=32Hz时,增益为46dB。
4.4输出电容的计算
最低输出频率由输出电容决定根据以下式子给出:
当FL=100Hz,RL=8Ω时,C=198.9μF,为留有余地,选取470μF铝电解电容。
4.5音频输出器的选择
本设计选取了8Ω/3W大纸盆喇叭。
5电路安装与调试
5.1电路的安装
按照电路设计图,在线路板上合理布局后,将元件焊接在线路板上,安装过程中,注意将电容尽量焊得离主芯片近些,TDA2030要加散热片;另外要避免虚焊。
这样制作出的TDA2030双声道OTL电路。
其音效好,音质高,失真小;功率达标;响应频带宽;效率高。
5.2电路的调试与数据测定
要想功放各项指标都达到要求,有三大关键:
1.要求电源品质高。
最初的设计中并未使用1117稳压电路,电流噪声大,几乎完全压倒音频信号的输出。
加1117稳压电路后,电源性能好,对音频信号干扰小。
2.要求输入、输出滤波好。
滤波不好,会输出很大噪音或者产生严重失真。
音频信号输入端串接了0.22μF瓷片电容,输出端串接470μF电解电容,并联0.15μF瓷片电容,起到了很好的滤波作用。
3.要求喇叭性能好。
经试音比较,选取了大纸盆喇叭,音质更好。
5.2.1输出电压的测定
用函数发生器给安装好的电路提供频率为1KHz,峰峰值为300mV的正弦交流电压,用示波器观察输出端的波形,记录此时输出波电压的有效值,并记录下此时的波形图。
实际调试过程中,测得输出电压的值为176.8mV。
5.2.2输出功率的计算
在加8Ω负载的情况下,根据功率计算公式
求得输出功率为
=4mW。
5.2.3电源供电功率的测定
用开关电源给所设计的电路提供+5V的直流电压,将电路输入端断开,用万用表测得输入电流
=20mA。
应注意经KBP206G稳压后,提供给TDA2030电路的电压只有3.3V,故根据功率计算公式可得电源供电功率
=66mW。
5.2.4效率的计算
根据上面测量计算出的输出功率和电源供电功率,可根据公式
=
,可计算出实际测试的效率只有6.06%。
5.2.5输出电压波形图
根据5.2.1节的条件,示波器上显示的输出电压的波形图如下:
图5-2-5输出电压波形
6电路主要参数测定
6.1极限使用条件
在T=25-C时,电源电压Vcc=15V.输出峰值电流10=1.5A。
6.2典型工作点主要电参数
TDA2030的中文资料
如右图
一,极限参数
参量符号 参数 数值 单位
VS 最大供电电压 ±22 V
Vi 输入 VS
Vi 差分输入 ±15 V
IO 最大输出电流 3.5 A
PTOT 最大功耗 20 W
TSTG,TJ 存储和结点的温度 -40to+150 ℃
1脚是正相输入端
2脚是反向输入端
3脚是负电源输入端
4脚是功率输出端
5脚是正电源输入端。
[1].外接元件非常少。
[2].输出功率大,Po=18W(RL=4Ω)。
[3].采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度。
[4].开机冲击极小。
[5].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。
[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率,THD≤0.1%。
6.3波形参数
TDA2030输入电压-输出电压关系曲线。
图6-3参数曲线图
6.4实物图
7设计电路的特点及改进意见
7.1设计电路的特点
本次课程设计所用的电路具有性能优良,工作可靠,外围元件少以及安装方便等特点,电源电压从2.2V到16.8V均可以正常工作,对电源电压的适应范围很宽,静态电流小,电源电压增高时,输出功率增大。
7.2电路改进意见
因在调试电路过程中发现输出功率及效率都不够指标的要求,分析电路可知,TDA2030所构成的电路本身提供的输出功率就小,为了满足设计指标,可考虑添加电路中TDA2030芯片的数量,也可扩展其外围电路,使得输出功率及效率满足设计要求。
8元件列表
元件列表
元件名称与规格
数量
元件名称与规格
数量
TDA2030
2个
KBP206G
1个
2200μF铝电解电容
2个
104电容
2个
10μF铝电解电容
3个
223电容
4个
TDA2030电路板
1个
224电容
4个
100
电位器
3个
222电容
2个
散热片
2个
CK插头
1个
自制音频输出线
2根
导线
若干
8Ω、3W喇叭
2个
电阻
若干
螺丝
2个
9心得体会
在这短短的几天课程设计实训,我从实践中学到了很多。
在老师的指导下对Multisim进行了初步的学习与认识,由此对此款软件的一无所知,到渐渐熟悉,感到莫大欢喜。
本周的学习也只是对Multisim仿真软件的初步认识与学习。
在初步学习与认识的过程中,深深了解到Multisim此款仿真软件是一款完整的设计工具,今后一定会在实践中将此款软件学习的更好,应用的更好。
在上机实验中,主要应用了Multisim此款软件的模电与数电的电路仿真。
因此,我用这个软件做仿真基本上都熟悉了,不过由于我的英语不是很好,还是有些选项不懂。
最后是制作,它带给我许多实际经验,比如制作工艺和焊接等等。
首先通过学习,我认识到什么是电子电路仿真,就是用图形化的显示方式或数字模拟方式对电子电路的实际工作状态进行虚拟现实的模拟,用计算机实现电路功能和电路特性的分析。
看来,计算机的发展真的给我们带来了便利,现在通过各种软件我们可以对现实的食物做一些虚拟,方便了我们的实验。
这次用Multisim来仿真自己制作的电路。
给我印象最深的是要设计一个成功的电路,必须要有扎实的基础,要熟练的掌握课本知识,这样才能对实验中出现的问题进行分析和解决。
我通过翻阅资料、上网搜索,对各电路器件(如TDA203、KBP206G芯片等等)以及原理有了更深一层次的认识,既增强了我的理解能力,又使我能更好的运用所学的知识,并且还考察了我的动手能力,从而使学过的知识得到了巩固与复习。
其次,通过学习,加深了我们队集成电路的理解,他是一种擦用特殊工艺,将晶体管、电阻、电容等元件集成在硅基片上面形成的具有一定功能的器件,英文缩写为IC,也俗称芯片。
对待这短短的几次课,我保证没堂课都去,因此也在课堂上收获了不少。
这些就是我在课堂上学习到的简单的知识,简单但是有趣。
然后,是对电子电路仿真软件Multisim的了解。
Multisim软件就是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。
作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具,Multisim是一个完整的设计环境。
它的特点有:
直观的图形界面、丰富的元器件库、丰富的测试仪器、完备的分析手段、强大的,高利用率,减少仿真能力、电子仿真运用了诸如Multisim的仿真软件,具有重大的意义,减少设计、研究费用,节约和避免浪费,高效,高利用率,减少损耗、运输和运行成本;缩短设计、研究时间。
性能改善,提供观测评估分析能力,减少对抗,预防不确定和不利情况;提高设计可靠性。
模拟偶然事件,紧急事件,提高安全性。
我在这次实训中还学到了无论做什么都要有毅力和耐心,且无论怎样都不要放弃希望,还有就是我深刻的体会到了“认真”的重要性,同时我也体会到了成功的喜悦。
我们要学习,更要思考,要把实践与学习有机的结合起来,以实践指导学习,以实践检验学习。
我们要让更多的人尝到成功的喜悦!
我特别喜欢这样的实训,我也衷心的希望,学校能从这方面改革。
总之,在这次实践和学习中,我是受益匪浅,也使我切身体会到了“实践是获得知识的最好手段”这句话的深意!
通过这么短短的几次课,我的确收获了不少,清楚地认识到软件仿真的
重要性,也学到了Multisim仿真软件的设计功能,及对我们专业电路设计方面的帮助,虽然在本课程的学习只是在了解与认识的程度,但在以后的工作学习中,我一定会更加努力学习此款软件,更加深入学习此款软件的功能,将其应用到实际学习工作之中。
参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础.武汉:
高等教育出版社,2006.1.
[2]郑国川,李洪英.电子管功放设计和装调技术.福州:
福建科学技术出版社,2005.2.
[3]科林,张贞.AV功放机实用单元电路原理与维修图说.北京:
电子工业出版社,2004.1.
[4]李万臣,模拟电子技术基础实验与课程设计,哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,2001
[5]TDA2030STEREOAUDIOAMPLIFIER,SGS-THOMSONMicroelectronics,1994
本科生课程设计成绩评定表
姓名
张媛
性别
女
专业、班级
10级通信工程统本
(1)班
课程设计题目:
高保真音频功率放大器的设计
课程设计答辩或质疑记录:
TDA2030输出负载阻抗在多少时,放大器的性能最佳和功率最大?
答:
输出阻抗8欧最隹,单块应用性能最好,最安全的输出功率大约25W左右;BTL接法,输出50W性能最好,也最安全。
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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- 高保真 音频 功率放大器 设计 报告书