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课程设计
成绩
课程设计说明书
课程设计名称:
电子技术课程设计
题目:
音频功率放大器
学院:
电子与电气信息学院
学生姓名:
专业:
学号:
指导教师:
日期:
2018年7月04日
摘要:
本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、Proteus电路仿真及分析完成。
关键词:
音频功率放大器;TD2030;NE5532A
Abstract:
ThisamplifierusesatypicalOCLpoweramplifiercircuit,withsimplestructure,largeoutputpower,smalldistortionandsoon.Itiswidelyused.Thisdesignmainlyincludestwopartsofamplifyingcircuit:
preamplifiercircuitandOCLpoweramplifiercircuit.ThepreamplifierstageusesanintegratedoperationalamplifierNE5532AP,andNE5532APhasexcellentperformanceintermsofnoise,conversionrate,gainbandwidthproductandsoon.OCLpoweramplifiercircuitadoptsTDA2030audioamplifierchip,itsperformanceisexcellent,andthepoweramplifiercomposedofitcanmeetthedesignrequirementswell.Thisdesignwillbecompletedthroughcircuitanalysisanddesign,Proteuscircuitsimulationandanalysis.
Keywords:
audiopoweramplifier;TD2030;NE5532A
目录
1前言…………………………………………………………………………………1
1.1设计背景……………………………………………………………………1
1.2设计目标…………………………………………………………………2
1.3实施计划……………………………………………………………………2
1.3必备条件……………………………………………………………………2
简介……………………………………………………………………………3
2系统设计…………………………………………………………………………4
2.1总体方案设计………………………………………………………………4
2.2前置放大电路设计………………………………………………………4
2.3音调控制电路…………………………………………………………6
2.4功率放大电路设计……………………………………………………11
2.5系统总体电路……………………………………………………………13
2.6系统所用元件主要元件参数……………………………………………14
3电路的调试步骤………………………………………………………………14
4电路的调试…………………………………………………………………15
4.1前置放大电路调试…………………………………………………………16
4.2功率放大电路调试…………………………………………………………18
4.3总电路调试…………………………………………………………………19
5结论………………………………………………………………………………20
6总结与体会………………………………………………………………………21
7谢辞………………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………………23
附录……………………………………………………………………………………
1前言
设计背景
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。
为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。
从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。
陆续将要普及的还有便携式电视机,便携式DVD等等。
所有这些便携式的电子设备的一个共同点,就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的。
都希望能够有较长的使用寿命。
就是在这种需求的背景下,D类放大器被开发出来了。
它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。
因为,功率越大,效率也就越重要。
而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。
在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。
这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
长期以来,高品质音频放大器的工作类别,只限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)。
其原因在于过去只有电子管这样的器件,B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。
所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。
随着半导体器件的出现和发展,放大器的设计得到了更多的自由。
就放大器的类别而言,已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类),而出现了更多类别的放大器。
为了使读者对此有所了解,这里仅就笔者所知的各种类别的放大器简介如下。
不过需要指出,就目前来说用于音频功率放大器的工作类别,A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。
设计目标
本课程设计任务要求是完成一个具有结构简单,输出功率大,失真小等特点的(OCL功放电路)音频功率放大器的制作,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。
设计要求:
设计一个实用的音频功率放大器。
在输入正弦波幅度≤1mV,负载电阻等于8Ω的条件下,音频功率放大器满足:
最大输出不失真功率POM≥0.5W、功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz、在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。
、具有音调控制功能:
低音100Hz处有±12dB的调节范围,高音10kHz处有±12dB的调节范围。
实施计划
(1)2017.6.19至2017.6.20——了解相关内容,确定课程设计题目
(2)2017.6.21至2017.6.22——根据设计题目,收集相关资料,确定设计思路
(3)2017.6.23至2017.6.25——进行课题的总体、详细方案设计,确定最终设计方案
(4)2017.6.26至2017.6.28——根据设计方案,绘制原理图,进行仿真,记录相关仿真结果,并同时完善设计说明书
(5)2017.6.29至2017.7.03——继续完善设计说明书
必备条件
(1)对Protues仿真软件的熟悉操作;
(2)电子技术相关知识、电路基本原理知识储备,对模拟、数字相关元件的了解;
(3)仿真调试过程中解决问题所需要的耐心。
简介
常见的音频功率放大器主要有下列几种:
1、变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器电路中;
2、变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中;
3、OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器电路中;OTL功率放大器是一种常用的放大器电路,常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中;
4、BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合,OTL、OCL和BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。
下面是一个有关D类放大器的高效率音频功率放大器。
功放的主要性能指标有输出功率,频率响应,失真度,信噪比,输出阻抗,阻尼系数等。
输出功率:
是指输出失真度不超过规定值的条件下,功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。
峰值功率:
是指在不失真条件下,将功放音量调至最大时,功放所能输出的最大音乐功率。
额定输出功率:
当谐波失真度为10%时的平均输出功率。
也称做最大有用功率。
频率响应:
表示功放的频率范围,和频率范围内的不均匀度。
频响曲线的平直与否一般用分贝“dB”表示。
家用HI-FI功放的频响一般为20HZ~20KHZ正负1Db。
这个范围越宽越好。
失真度:
理想的功放应该是把输入的信号放大后,毫无改变的忠实还原出来。
但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较,往往产生了不同程度的畸变,这个畸变就是失真。
用百分比表示,其数值越小越好。
HI-FI功放的总失真在0.03%~0.05%之间。
功放的失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、瞬态失真、瞬态互调失真等。
信噪比:
是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比,用“dB”表示,这个数值越大越好。
一般家用HI-FI功放的信噪比在60dB以上。
输出阻抗:
对扬声器所呈现的等效内阻。
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2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POM≥0.5W。
所以音频功率放大器的输出幅值VOM≥√(2POMRL)=√(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:
AV=VOM/Vi=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110;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。
2、2前置放大电路
音源音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大,然后输出驱动扬声器。
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。
图2.2.1前置级放大器电路图
图2.2.2前置放大器波形图
2、3音调控制电路
音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制,从而达到控制放音音色的目的,以适应不同听众对音色的不同爱好。
此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量,使音质得到改善,从而提高放音系统的放音效果。
在高保真放音电路中,一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。
一个良好的音调控制电路,要求有足够的高、低音调节范围,同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中,中音信号(一般指1kHz)不发生明显的幅值变化,以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。
音调控制电路大多由RC元件组成,利用RC电路的传输特性,提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类,衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽,但由于中音电平也要作很大的衰减,并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化,所以噪声和失真较大。
负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小,并且在调节音调时,其转折频率保持固定不变,而特性曲线的斜率却随之改变。
下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。
负反馈式音调控制器的工作原理
由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点,用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点,典型的电路结构如图4所示。
其中电位器Rp1是高音调节电位器,Rp2是低音调节电位器,电容C是音频信号输入耦合电容,电容C1、C2是低音提升和衰减电容,一般选择C1=C2,电容C3起到高音提升和衰减作用,要求C3的值远远小于C1。
电路中各元件一般要满足的关系为:
Rp1=Rp2,R1=R2=R3,C1=C2,Rp1=9R1
图2.3.1负反馈式音调控制电路图
在电路图2.3.1中,对于低音信号来说,由于C3的容抗很大,相当于开路,此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。
当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时,C1被短路,此时电路图4可简化为图2.3.2(a)。
由于电容C2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。
图5(a)电路的频率响应分析如下:
(a)低音提升等效电路图(b)低音提升等效电路幅频响应波特
图2.3.2低音提升等效电路图及幅频响应曲线
图2.3.2所示的电压放大倍数表达式为:
。
化简后得:
,所以该电路的转折频率为:
,
。
可见当频率
时,
;当频率
时,
。
从定性的角度来说,就是在中、高音域,增益仅取决于R2与R1的比值,即等于1;在低音域,增益可以得到提升,最大增益为
。
低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图2.3.2(b)所示。
同样当Rp2的滑动端调到最右端时,电容C2被短路,其等效电路如图2.3.3(a)所示。
由于电容C1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。
图2.3.3(a)电路的频率响应分析如下:
该电路的电压放大倍数表达式为:
,其转折频率为:
,
。
可见当频率
时,
;当频率
时,
。
从定性
的角度来说,就是在中、高音域,增益仅取决于R2与R1的比值,即等于1;在低音域,增益可以得到衰减,最小增益为
。
低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图2.3.3(b)所示。
在电路给定的参数下,
,
。
(a)低音衰减等效电路图(b)低音衰减等效电路幅频响应波特图
图2.3.3低音衰减等效电路图及幅频响应曲线
同理,图2.3.1电路对于高音信号来说,电容C1、C2的容抗很小,可以认为短路。
调节高音调节电位器Rp1,即可实现对高音信号的提升或衰减。
图2.3.4(a)就是工作在高音信号下的简化电路图。
为了便于分析,将图中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成△连接方式,如图2.3.4(b)。
其中
,
,
。
在假设条件R1=R2=R3的条件下,Ra=Rb=Rc=3R1。
(a)(b)
图2.3.4高音等效简化电路
如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源,那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路,Rc的反馈作用将忽略不计(Rc可看成开路)。
当高音调节电位器滑动到最左端时,高音提升的等效电路如图2.3.5(a)所示。
此时,该电路的电压放大倍数表达式为:
,其转折频率为:
,
。
当频率
时,
;当频率
时,
。
从定性的角度上看,对于中、低音区域信号,放大器的增益等于1;对于高音区域的信号,放大器的增益可以提升,最大增益为
。
高音提升电路的幅频响应曲线波特图如图2.3.5(b)所示。
(a)高音提升等效电路(b)高音提升等效电路的幅频响应波特图
图2.3.5高音提升等效电路及幅频响应曲线
当Rp1电位器滑动到最右端时,高音频信号可以得到衰减,高音衰减的等效电路如图2.3.6(a)所示。
(a)高音衰减等效电路(b)高音衰减等效电路的幅频响应波特图
图2.3.6高音衰减等效电路及幅频响应曲线
该电路的电压放大倍数表达式为:
。
其转折频率为:
,
。
当频率
时,
;当频率
时,
。
可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。
该电路的幅频响应曲线的波特图如图2.3.6(b)所示。
在电路给定的参数下,
,
。
(2)音调控制器的幅频特性曲线
综上所述,负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如10所示。
根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小,即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。
图2.3.7音调控制电路的幅频响应波特图
2、4功率放大电路
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2.4.1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VCC=14V,RL=4Ω时,输出功率为14W。
在4Ω负载上的输出功率为10W。
图2.4.1TDA2030管脚图图2.4.2功率放大电路图
由TDA2030/2030A构成的OCL功率放大器电路如图2.4.2所示。
该电路由TDA2030组成的负反馈电路,其交流电压放大倍数Avf=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C5、C4是高频旁路电容。
电位器RP是音量调节电位器。
2、5系统总体电路
图2.5.1音频放大器总电路图
2、6系统所用元器件
本系统所用的元器件清单如表2.6所示。
表2.6本系统所用元器件
元器件名称
数量
集成功放TDA2030
1
集成运放NE5532AP
2
二极管1N4001
2
示波器XSC2
1
电容C
13
电阻R
11
滑动变阻器
1
正弦信号电压源
1
电源VCC
6
导线
若干
3、音频功率放大器的调试实验步骤
3、1在安装电子电路前,应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项,同时测量电子元件的好坏。
3、2画出每个单元电路的电路原理图和连线图;画出整个电子系统的原理图。
3、3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,同时测量前置放大器的噪声输出大小。
加入幅值1mV、频率1000Hz的交流正弦波信号(注意1mV信号可以通过一个10kΩ和100Ω组成的衰减网络得到),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。
改变输入正弦波信号的频率,测试前置放大器的频带宽度。
3、4音调控制器调试。
(1)首先进行静态测试,方法同上。
(2)中频特性测试。
将一频率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信号输入到音调控制器输入端,测量音调控制器的输出。
(3)低音提升和衰减特性测试。
将电位器RP1滑动端分别置于最左端和最右端时,频率从20Hz~1kHz连
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