大学生音频功率放大电路课程设计报告.docx
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大学生音频功率放大电路课程设计报告
课程设计
课程名称_____________________
题目名称______________________
学生学院______________________
专业班级______________________
学号______________________
学生姓名______________________
指导教师______________________
20119年5月13日
一、前言3
二、课程设计11
三、课程设计题目12
四、设计任务和要求12
五、原理电路设计12
六、电路调试过程与结果16
七、总结21
八、参考文献22
九、实物图23
1、前言
音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号,信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。
音频范围为约20Hz~20kHz,因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些,如 低音喇叭或高音喇叭)。
根据应用的不同,功率大小差异很大,从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦,再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦,直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上,大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。
音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管,得到与输入电压成比例的输出电压。
正向电压增益通常很高(至少40dB)。
如果反馈环包含正向增益,则整个环增益也很高。
因为高环路增益能改善性能,即能抑制由正向路径的非线性引起的失真,而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声,所以经常采用反馈
1.音频放大器是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号的设备,其重建的信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。
音频范围为约20Hz~20kHz,因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些,如低音喇叭或高音喇叭)。
根据应用的不同,功率大小差异很大,从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦,再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦,直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上,大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。
简介
音频放大器是多媒体产品的重要组件之一,广泛应用于消费类电子领域。
线性音频功放因失真小、音质好,在传统的音频放大器市场上一直占主导地位。
近年来,随着MP3、PDA、手机、笔记本电脑等便携式多媒体设备的普及,线性功放的效率和体积已不能满足市场的要求,而D类功放以效率高、体积小等优点越来越受到人们的青睐。
因此,高性能的D类功放具有十分重要的应用价值及市场前景。
音频放大器的发展先后经历了电子管(真空管)、双极型晶体管、场效应管三个时代。
电子管音频放大器音色圆润、甜美,然而它体积庞大、功耗高、工作极不稳定,且高频响应不佳;双极晶体管音频放大器频带宽、动态范围大、可靠性高、寿命长,且高频响应好,然而它的静态功耗、导通电阻都很大,效率难以提高;场效应管音频放大器具有与电子管同样圆润、甜美的音色,同时它的动态范围宽,更重要的是它的导通电阻小,可以达到很高的效率。
分类
音频功率放大器种类繁多,常用的有A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类、G类、H类、S类等十余种,但适合于音频应用的只有A类、B类、AB类和D类等四种。
A类放大器
A类放大器的主要特点是:
放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。
放大器可单管工作,也可以推挽工作。
由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。
电路简单,调试方便。
A类功放只需一只晶体管给负载提供电流,在完整的信号周期内,导通角为360℃。
这种功放失真小,但往往需要很大的静态电流,效率低。
理论上,A类功放最大工作效率为25%,因此工作时需要散热片。
B类放大器
B类功放由两只互补的晶体管组成,在完整的信号周期里,每只放大管都会在半个周期内导通而在另半个周期内截止,即导通角只有180℃。
由于它没有静态电流,因此效率较高,理论上,B类功放的最大效率可达78%。
然而,当输入信号接近零时,放大管存在临界导通状态,产生交越失真。
AB类放大器
AB类功放是在B类功放的输入端插入两个二极管,当输入接近零时,放大管已经微导通,从而使每个放大管导通角大于180℃而小于360℃。
AB类功放克服了B类功放的交越失真,效率处在A类、B类功放之间,是传统线性功放常采用的结构。
然而,中等输出的电压通常远离电源电压,有很大的功耗消耗在晶体管上,所以,即使是精心设计的AB类功放,其效率还不是很高。
D类放大器
D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器。
具有效率高的突出优点。
D类功放的输出级由两个互补的功率管组成,在高频控制脉冲信号的推动下,功率管工作在开关状态,一个导通则另一个截止,因此,D类功放无需静态功耗,具有很高的效率。
理论上D类功放效率可达到100%,实际上也高于80%,是传统线性功放的2~3倍。
数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器。
放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成.D类放大或数字式放大器。
系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号。
D类(数字音频功率)放大器有以下优点:
1)具有很高的效率,通常能够达到85%以上;
2)体积小,可以比模拟的放大电路节省很大的空间;
3)无裂噪声接通;
4)低失真,频率响应曲线好。
外围元器件少,便于设计调试。
对比
A类、B类和AB类放大器是模拟放大器,D类放大器是数字放大器。
B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小,功放晶体管功耗较小,散热好,但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。
而D类放大器具有效率高低失真,频率响应曲线好。
外围元器件少优点。
AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。
结构组成
音频放大的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上高效率、低失真地重现音频输入信号。
音频信号的频率范围为20Hz~20KHz,因此音频放大器必须具有良好的频率响应。
音频放大器通常由前置放大器和功率放大器组成。
[1]
前置放大器
音频信号源信号的幅度一般很小,不能直接驱动功率放大器,因此必须先将它们放大到一定幅度,这就需要用到前置放大器。
除了信号放大功能,前置放大器还可以同时具有音量调节、音调控制、响度控制和声道均衡等功能。
图2.音频前置放大器
功率放大器
功率放大器简称为功放,它的目的是给负载提供足够大的电流驱动能力,实现功率放大。
D类功放工作在开关状态,理论上它无需静态电流,具有很高的效率。
典型的D类功放拓扑结构如图3所示:
它由三角波发生器、比较器、功率输出级以及LC低通滤波器组成。
图3.D类功放的基本结构
图3为D类功放的工作原理示意图。
正弦波音频输入信号与频率比它高得多的三角波信号通过比较器进行调制,得到占空比与输入信号幅度成正比的PWM调制信号,PWM调制信号推动输出功率管工作在开关状态,在功率管的输出端获得占空比不变的输出信号,该输出信号的幅度为电源电压,且具有很强的电流驱动能力。
经过信号调制,输出信号既包含输入信号和调制三角波的基波成分,同时也包含了它们的高次谐波及其组合。
经过LC低通滤波后,输出信号中的高频成分被滤除,在负载上得到与原音频信号频率相同、幅度被放大了的低频信号。
典型电路
如下是AN7115音频功率放大电路的一个简单介绍。
AN7115在V=9.0V,THD=10%,RL=8Ω条件下,输出功率可达2.1W,噪声输出3mV。
极限参数:
Vcc=13V,耗散功率(不带散热器)为1.2W,带散热器的条件下为2.25W。
工作温度-20—70℃,适合于小型便携式收录音机及音响设备作功率放大器。
图4.AN7115应用电路
TDA2030采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图3所示,按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路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)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。
二、课程设计
A、课程设计的性质
本课程是在前导验证性实验基础上,进行更高层次命题的课程设计,是在教师指导下独立查阅资料、设计、安装和调试特定功能的电子电路。
对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要,是电子技术人才培养成长的必由之路。
B、课程设计目的
本课程旨在培养学生模拟电子电路知识,解决模拟电子技术方面常见实际问题的能力,促使学生积累实际电子制作经验,准备走向更复杂更实用的应用领域,是参加“全国大学生电子竞赛”前的技能培训课程之一。
目的在于巩固基础、注重设计、训练技能、追求创新、走向实用。
C、课程设计要求
1、根据下面所给出的5个题目自行选择一个完成设计;
2、学生自行查找与设计题目有关的参考资料;
3、提出设计方案,写出设计步骤,并进行理论设计;
4、熟悉用计算机软件进行辅助电路设计方法,并对所设计的电路进行仿真;
5、购买元器件并进行电路的焊接、组装;
6、熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法;
7、学习电子电路的调试和测试技术,完善作品功能。
三、课程设计题目
题目2:
音频功率放大电路
四、设计任务和要求
1、要求:
设计并制作一个音频功率放大电路(电路形式不限),负载为扬声器,阻抗8
。
2、基本指标:
频带宽50HZ~20kHZ,输出波形基本不失真;电路输出功率大于8W。
3、输入灵敏度为100mV,输入阻抗不低于47K
五、原理电路设计:
(1)音频放大器芯片应采用最常使用的音频放大器电路芯片TDA2030,外围元件少,实验容易成功。
TDA2030是高保真集成功率放大器芯片,输出功率大于10W,频率响应为10~1400Hz,输出电流峰值最高可达到3.5A。
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,安全性高,采用正输出单电源供电
TDA2030音频功放电路,常采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图所示,按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路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].外接元件少。
[2].输出功率较大,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(Vmax=12V)以及负载泄放电压反冲等。
[6].TDA2030A能在±6V到±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%。
无疑,用它来做低成本电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。
引脚定义
1脚是正向输入端
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。
极限参数
TDA2030极限参数
参数名称
极限值
单位
电源电压(Vs)
±22
V
输入电压(Vin)
Vs
V
差分输入电压(Vdi)
±15
V
峰值输出电流(Io)
3.5
A
耗散功率(Ptot)(Vdi)
20
W
工作结温(Tj)
-40-+150
℃
存储结温(Tstg)
-40-+150
℃
注意事项
[1].TDA2030A具有负载泄放电压反冲保护电路,如果电源电压峰值电压40V的话,那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器,二极管限压(5脚因为任何原因产生了高压,一般是喇叭的线圈电感作用,使电压等于电源的电压)以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。
[2].热保护:
限热保护有以下优点,能够容易承受输出的过载(甚至是长时间的),或者环境温度超过时均起保护作用。
[3].与普通电路相比较,加散热片可以使其有更高的安全系数。
万一结温超过时,也不会对器件有所损害,如果发生这种情况,Po=(当然还有Ptot)和Io就被减少。
[4].印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦,因为这些线路有大的电流通过。
[5].装配时散热片与之间需要绝缘,引线长度应尽可能短,焊接温度不得超过260℃,12秒。
[6].虽然TDA2030A所需的元件很少,但所选的元件必须是品质有保障的元件。
(2)整体电路框图的确定
整体电路框图
(3)单元电路设计及元件选择;
六、电路调试过程与结果:
理论设计数据
输出电压:
Uo=Ui*(R7+R4)/R4
电压放大倍数:
Au=Uo/Ui=R4/(R4+R7)=21
输出功率:
P=Io*Uo
实测数据
(1)当输入信号Ui=100Mv,输出频率f=1kHz,直流电源电压为15V,负载电阻为8欧姆时,有Multisim仿真软件测试得:
输入交流电压值Ui=70.707mV
输出电压交流值Uo=1.485V
输出电流值Io=5.944mA
由上可知:
电压放大倍数Au=Uo/Ui=21
输出功率Po=Uo*Io=0.0088W
(2)由波特图示仪得出电路频带宽的实测数值如图
频带宽F=26.07kHz-13.698Hz=13.101kHz符合电路设计要求
中频26.443db约为放大21倍
(3)由示波器实测得如图
由图可知,电压放大倍数接近理论值21,不过仍然存在误差,原因可能是因为运算放大电路芯片发热量大,受温度影响,造成一定的误差。
(4)输入阻抗实测数值
综上所述,该电路是符合设计要求的。
原件清单
原件
数量
电阻R=100kΩ
R=3.3KΩ
R=1.5Ω
R=1Ω
R=1Ω
扬声器R=8Ω
3
3
2
1
1
1
三极管TIP31C(NPN)
TIP32C(PNP)
1
1
运算放大器TDA2030
1
二极管1N4001
2
电容C=100nF
C=220nF
C=220uF
C=2.2uF
C=10uF
3
1
1
1
1
七、总结
在做这个实验前,我主要通过查找童诗白,华成英《模拟电子技术基础》设计出电路图,然后在从网上查找电路图,并进行修改。
再然后在Multisim上进行电路仿真,在用彭瑞《电工与电子技术实验教程》来再电路图测量各种数据,得到的数据几乎合理,除了电流有问题,可能这里是我两次失败的重要原因,我发现这个问题时已经快做完实验,然后写报告了,才发现电流那里是mA,而不是A,粗心大意真的很害人,我以后一定会认真认真再认真。
我第一次做实验失败的原因是边布局边焊接电路板,导致芯片附近四行并联,很难焊接。
我第二次失败的原因可能就那电流吧,导致功率过低,要么就是虚焊。
我觉得我时间比较紧,我应该提前做,多请问同学和老师,做事多细心。
虽然两次都失败了,但是我会努力的,我要学多点知识。
通过这次课程设计,我学到了很多书本上没有的知识,巩固了所学的理论知识,也增强了自己灵活运用所学知识到实践中的能力。
真真切切地体会到了:
把理论运用的实践中,再把实践提高的更高的理论的过程。
此外,我还学到了许多实验方法和操作经验,让我明白,无论是在学习还是生活中,不管做什么事都要三思而后行。
这次的课程设计,我获益匪浅,虽然从了解原理到设计电路,再到安装调试和课程设计报告的书写,花了很多时间,而且失败了两次。
但是,在这个过程中,我却收获了很多,也思考了很多。
我觉得做一个实验,完成一个任务,就是做一个事情吧,确认目标和方向非常的重要,不要有丝毫的错误,不然整件事情都会被搞砸,很难修改,必须重新做,所以,我以后做东西首先要非常明确目标,然后必须有预留的时间,遇到问题时想办法克服,实在想不到的XX、查书,然后再去问老师和同学。
并每次总结得失。
希望下次不会犯同样的错误。
失败乃是成功之母,虽然这次失败了,而且还两次,有不小的沮丧,但我会面对的,积极面对未来,否则,我自己会停止不前,但社会不会因我而停止不前,所以我必须前进,“努力吧、奋斗吧”,从2019年9月14日开始,我将以这句话为座右铭,并坚持下去,我不做最闲的咸鱼,我要做最认真的咸鱼!
八、参考文献
1.康华光《电子技术基础》
2.童诗白,华成英《模拟电子技术基础》
3.彭瑞《电工与电子技术实验教程》
4.方明《基于D类功放的音频放大器设计》
5.姚福安《音频功率放大器设计》
九、实物图
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