模电课设音响功率放大器.docx

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模电课设音响功率放大器

摘要

本文介绍了音响的构成、功能、及工作原理，它由TDA2030芯片所组成的功放电路，LM324四运放大器为前置放大构成，本身具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。

而TDA2030一款输出功率大，最大功率到达35W左右，静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16Ω的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。

本设计的功能是将输入音频信号进行放大，可普遍用于家庭音响系统中，便于携带，适用性强。

关键词：

LM324TDA2030输出功率

Abstract

Thisarticledescribesthesoundofthecomposition,function,andprinciple,itisformedbytheTDA2030chippoweramplifiercircuit,LM324quadopampasthepreampanditselfwithsupplyvoltagerange,thestaticpowerconsumptioncanbeasinglepoweruseandlowcostadvantages.TheTDA2030ahighoutputpower,maximumpowerreaches35Worso,thestaticcurrent,loadcapacity,dynamiccurrentcandrivelarge4-16Ωspeaker,circuitsimplicity,makingconvenientandreliablehigh-fidelitypoweramplifier,andaninternalprotectioncircuit.Thisdesignfeatureistheinputaudiosignalamplification,isgenerallyavailableforhomeaudiosystems，portableapplicability.

Keywords:

LM324TDA2030Outputpower

1绪论

1.1引言

伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。

音频是多媒体中的一种重要媒体。

人能够听见的音频信号的频率范围大约是60Hz-20kHz其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。

如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。

本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器，践实所学知识掌握程度，并通过对所学知识来制造和改进相关产品，实际动手的过程中遇见了很多问题，但是在老师的指导和帮助下解决相应的问题。

同时在与同组人的讨论学习过程中加强了团队意识的培养，加强了相互间协调合作的能力，从而高质、高效的完成本项任务。

1.2音响放大器概述

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negativefeedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。

晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，，各种电路也相应产生，如：

“OTL（OutputTransformerLess）”无输出放大器、“OCL（OutputCapacitorLess）”放大器等。

直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：

较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路；成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。

从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

2设计方案的选择

2.1电路实验综合设计流程

图2.1.1音响电路设计实验流程图

2.2运算放大器的选择

方案一：

采用uA741运算放大器设计电路，uA741通用高增益运算通用放大器，早些年最常用的运放之一，应用非常广泛，为双列直插8脚或圆筒8脚封装。

工作电压±22V，差分电压±30V，输入电压±18V，允许功耗500mW。

方案二：

采用LM324通用四运算放大器，双列直插8脚封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

方案选取：

uA741是通用单运放大器，性能不是很好，满足一般需求，而且工作电压很高，而LM324四运放大器具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。

本设计放大倍数不高，LM324能达到频响要求，故选用LM324四运放大器。

2.3功率放大器的选择

方案一：

采用SL34集成功率放大器，SL34是低电压集成音频功放，功耗低、失真小，工作电压为6V，8负载时，输出功率在300mW以上。

主要用于收音机及其它功放。

方案二：

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386电源电压4--12V，音频功率0.5w。

LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率。

它的典型输入阻抗为50K。

方案三：

TDA2030芯片所组成的功放电路，它是一款输出功率大，最大功率到达35W左右，静态电流小，负载能力强，动态电流大既可带动4-16Ω的扬声器，电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路。

方案选取：

本课题要求音响放大器的输出功率为0.5W，带动负载为4Ω，故选用TDA2030芯片。

频率响应fL～fH＝50Hz～20kHz，而单电源供电音频功率放大器已经达到所需要的目标。

并且它较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点。

3核心元器件介绍

3.1LM324运算放大器

LM324引脚图简介：

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见下图。

LM324的特点：

　　1.短跑保护输出

　　2.真差动输入级

　　3.可单电源工作：

3V-32V

　　4.低偏置电流：

最大100nA

5.每封装含四个运算放大器。

　　6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源　　

8.行业标准的引脚排列图3.1.1LM324引脚图

9.输入端具有静电保护功能

图3.1.2LM324内部结构

LM324系列采用两个内部补偿，二级运算放大器，每个运放的第一级由带输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动到单端转换器Q3和Q4。

第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。

由于跨导的减小，仅需使用一个较小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片尺寸，跨导的减小可由将Q20和Q18的极电集分离而实现。

该输入级的另一特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。

图3.1.3LM324四分之一原理图

3.2TDA2030的介绍

TDA2030A是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。

如图1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。

　　[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%。

无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。

引脚情况（如图3-4）:

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。

图3.2.1TDA2030引脚图

4音响放大器的基本组成与设计

4.1音响放大器的基本组成及其框图

从根本上讲，音响放大器主要包括前置放大器和功率放大器两个主要部分。

它的系统框图如图4.1.1所示：

在前置放大器中除必要的放大外还设置有话音放大器、电子混响器、混合前置放大器和音调控制器。

音响放大器内部组成框图如图4.1.2所示：

图4.1.2放大器内部组成框图

其中各部分功能如下：

话音放大器：

话音放大器的作用是不失真地放大音频信号。

电子混响器：

电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。

混合前置放大器：

混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混响后的声音信号混合放大。

音调控制器：

音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。

功率放大器：

功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率。

本课程设计内容要求：

1、话音放大器（前置放大电路）；

2、功率放大电路；

3、电子混响为发挥部分，下文只介绍其工作原理。

4.2话音放大器设计

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k亦有低输出阻抗的话筒，（如20，200等），所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10kHz）。

其输入阻抗应远大于话筒的输出阻。

如图4.2.1

AvF=1+Rf/R2（4.2.1）

Ri=R1（R1一般取几十千欧）

耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取

C1=C3=（3～10）1/2πRLfL（4.2.2）

反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。

图4.2.1话音放大器原理图

图4.2.2话音放大器设计图

4.3电子混响器和前置放大电路原理

1．电子混响器原理

电子混响器（如图4.3.1）的作用是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。

在“卡拉OK"伴唱机中，都带有电子混响器。

电子混响器的组成框图中BBD器件称为模拟延时集成电路，内部由场效应管构成多级电子开关和高精度存储器。

图4.3.1电子混响器

2．混合前置放大电路原理

混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号进行混合放大。

其电路如图所示4.3.1，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：

V0=－（RFV1/R1+RFV2/R2）（3.4.1）

上式中，U1为话筒放大器输电压，U2为录音机输出电压

图4.3.1混合前置放大电路

4.4功率放大电路设计

功率放大器，简称“功放”。

很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整

个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

当负载一定时，希望其输出的功率尽可能大，其输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高，功放的常见电路有OTL（OutputTransformerless）电路和OCL（OutputCapacitorless）电路。

有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。

TDA2030A是SGS公司生产的单声道功放IC，该IC体积小巧，输出功率大，最大功率到达40W左右；并具有静态电流小（50mA以下），动态电流大（能承受3.5A的电流）；负载能力强，既可带动4-16Ω的扬声器，某些场合又可带动2Ω甚至1.6Ω的低阻负载；音色中规中举，无明显个性，特别适合制作输出功率中等的高保真功放等诸多优点。

图4.4.1功率放大电路设计图

5Multisim电路仿真

按照原理设计的电路，往往不一定能按照要求正常工作，因此要借助辅助工具来进行检验，看其是否能正常工作，若不能工作，就进行调试或者是更换原理等。

Multisim是一款功能强大的仿真软件，元件库里元件丰富，简单好学好用。

通过绘出电路原理图接上输入信号和各种测量仪器，通过仿真的测试和调整，可发现和纠正设计方案的不足，并查出电路安装中的错误，然后采取措施加以改进和纠正，就可使之达到预定的技术要求。

5.1音响放大器增益分配

根据课程设计要求，整机电压增益要大于50dB,输出功率为0.5w，取话放级电压放大倍数为20，功放级放大倍数为16倍，整机电压增益20lg|Au|=50dB。

话放级

Au=20倍

功放级

Au=16倍

话筒

扬声器

图5.1.1音响放大器增益分配

5.2话音放大器仿真

1. A1组成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路，其参数计算如图所示，计算其放大倍数Av1为：

                     Av1=1+200/10=21（5.2.1）

四运放LM324的频带虽然很窄（增益为1时，带宽为1MHz），但这里放大倍数不高，故能达到fH=20kHz的频响要求。

图5.2.1话放级仿真电路

图5.2.2话放级仿真波形

5.3功率放大器仿真

功率放大器（简称功放）的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。

当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，功率尽可能的高。

图5.3.1功放级仿真电路

图5.3.2功放级仿真波形

5.4整机电路仿真

图5.4.1音响放大器仿真电路

图5.4.2音响放大器仿真波形

6安装与调试

6.1PCB制作

1.PCB制作的操作说明

图6.1.1PCB生成流程图

2．据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制。

对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。

PCB图如附录B所示。

a.据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单

“createNetlist”即可；

b.网络表有也是原理图与印制电路板的接口；

c.规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数；

d.引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；

e.引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线；

f.修改封装与布局，这是自动布线的前提；

g.Protel99SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。

基于形状的对角线自动布线技术；

h.自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；

i.存盘并打印；

j.结束。

6.2安装工艺

安装工艺是制作工程中最关键的一步，它承接上面的设计性工作和下面的调试工作。

为此我们做了大量的学习和练习，具体理论学习知识如下：

1．焊接技术

装接电路的主要工作是在电路板上焊接电子元器件,焊接质量的好坏直接影

响着电路的性能,焊接质量主要取决于四个条件:

焊接工具,焊剂,焊料,焊接技术.

为保证焊接质量,要求焊点光亮,圆滑,无虚焊.

a.元件引线要刮净,最好先挂锡再焊.因为引线表面经常有氧化物或油渍,

不易"吃锡",焊接起来困难,即使勉强焊上也容易形成虚焊,因而必须将氧化

物或油渍刮除干净.

b.焊接温度和时间要掌握好.温度不够,焊锡流动性差,很容易凝固;温度

过高,焊锡流淌,焊点又不易存锡,两种情况都不易焊好.一般焊接时让烙铁头

的温度高于焊锡熔点,烙铁头与焊点接触时间以使焊点锡光亮,圆滑为宜.如果

焊点不亮或形成"豆腐渣"状,说明温度不够,焊接时间太短.这种情况由于焊

剂没能充分挥发,很容易形成虚焊.此时需要增加焊接温度,只要将烙铁头在焊

点上多停留些时间即可,不必加压力或来回移动.

c.扶稳不晃,上锡适量.焊接时,被焊物体必须扶稳扶牢,特别在焊锡凝固

过程中不能晃动被焊元器件,否则很容易造成虚焊.烙铁沾锡多少要根据焊点大

小来决定,最好所沾锡量能包住被焊物.如果一次上锡不够,可以下次填补,但

要注意再次填补焊锡时,一定要待上次的锡一同熔化后方可移开烙铁头,使焊点

熔结为一体.

d.电子电路常有一些基本单元组成,电路重复性和规律性较强.焊接时,一

般先将电阻,电容,二极管等元件引线弯曲成所需形状,依次插入焊孔,并设法

使元件排列整齐,然后统一焊接.检查焊点后剪去过长引线,最后焊接三极管,

集成电路.器件的焊接时间一般要短一些,引脚也不宜剪得太短,防止焊接时烫

坏管子.初学者可用镊子夹住管脚进行焊接.

e.焊接结束,首先检查电路有无漏焊,错焊,虚焊等问题.检查时可用尖嘴

钳或镊子将每一个元件拉一拉,看有无松动,特别是要察看三极管管脚是否焊牢,

如果发现有松动现象,要重新焊接.

2．印制电路板安装与焊接

印制电路板的装焊在整个电子产品制造中处于核心的地位，可以说一个整机产品的“精华”部分都装在印制板上，其质量对整机产品的影响是不言而喻的。

尽管在现代生产中印制板的装焊已经日臻完善，实现了自动化，但在产品研制，维修领域主要还是手工操作；况且手工操作经验也是自动化获得成功的基础。

3．印制板和元器件检查

装配前应对印制板和元器件进行检查，内容主要包括：

.印制板：

图形，孔位及孔径是否符合图纸，有无断线，缺孔等，表面处理是否合格，有无污染或变质。

.元器件：

品种，规格及外封装是否与图纸吻合，元器件引线有无氧化，锈蚀。

对于要求较高的产品，还应注意操作时的条件，如手汗影响锡焊性能，腐蚀印制板，使用的工具如改锥，钳子碰上印制板会划伤铜箔，橡胶板中的硫化物会使金属变质等。

4．元器件引线成型

如6.2.1所示，是印制板上装配元器件的部分实例，其中大部分需在装插前弯曲成型。

弯曲成型的要求取决于元器件本身的封装外形和印制板上的安装位置，有时也因整个印制板安装空间限定元件安装位置。

图6.2.1印刷板上元器件引线成型

元器件引线成型要注意以下几点：

（1）所有元器件引线均不得从根部弯曲。

因为制造工艺上的原因，根部容易折断，

一般应留1．5mm以上（图6.2.2）。

图6.2.2元器件引线弯曲

（2）弯曲一般不要成死角，圆弧半径应大于引线直径的1－2倍。

（3）要尽量将有字符的元器件面置于容易观察的位置，如图6.2.3所示。

图6.2.3元器件成型及插装时主义标记位置

5．元器件插装

（1）贴板与悬空插装

如图6.2.4（a）所示，贴板插装稳定性好，插装简单；但不利于散热，且对某些安装位置不适应。

悬空插装，适应范围广，有利散热，但插装较复杂，需控制一定高度以保持美观一致。

如图6.2.4（b）所示，悬空高度一般取2～6mm。

图6.2.4远去见插装形式

插装时具体要求应首先保证图纸中安装工艺要求，其次按实际安装位置确定。

一般无特殊要求时，只要位置允许，采用贴板安装较为常用。

（2）安装时应注意元器件字符标记方向一致，容易读出。

图6.2.5所示安装方向是符合阅读习惯的方向。

图6.2.5安装方向符号阅读习惯

（3）安装时不要用手直接碰元器件引线和印制板上铜箔。

（4）插装后为了固定可对引线进行折弯处理（图6.2.6）。

图6.2.6器件引线折弯固定

6．印制电路板的焊接

焊接印制板，除遵循锡焊要领外，以下几点须特别注意：

（1）电烙铁，一般应选内热式20～35W或调温式，烙铁的温度不超过300℃的为宜。

烙铁头形状应分局印制板焊盘大小采用凿形或锥形，目前印制板发展趋势是小型密集化，因此一般常用小型圆锥烙铁头。

（2）加热方法，加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线（图6.2.7）。

对较大的焊盘（直径大于5mm）焊接时可移动烙铁，即烙铁绕焊盘转动，以免长时间停留一点导致局部过热，如图八所示。

图6.2.7烙铁对焊点加热

（3）金属化孔的焊接，两层以上电路板的孔都要进行金属化处理。

焊接时

不仅要让焊料润湿焊盘，而且孔内也要润湿填充。

因此金属化孔加热时间应长于单面板。

图6.2.8大盘烙铁焊接图6.2.9金属化孔德焊接

（4）焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能，而要靠表面清理和预焊。

（5）耐热性差的元器件应使用工具辅助散热。

7.焊后处理

（1）剪去多余引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。

（2）检查印制板上所有元器件引线焊点，修补缺陷。

（3）根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。

一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。

8.导线焊接

导线焊接在电子产品装配中占有重要位置。

实践中发现，出现故障的电子产品中，导线焊点的失效率高于印制电路板，有必要对导线的焊接工艺给予特别的重视。