模电课程设计之音频功率放大器.docx

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模电课程设计之音频功率放大器

一、设计题目：

音频功率放大电路

二、设计的任务和要求

1、主要要求：

设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的音频功率放大电路，负载为扬声器，阻抗8

。

2、性能指标：

频带宽50HZ～20kHZ，输出波形基本不失真；电路输出功率大于8W；输入灵敏度为100mV，输入阻抗不低于47K

。

三、原理电路和程序设计

3.1、方案的确定及论证

1、OTA互补对称功率放大器

OTL电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称为互补对称电路，图3-1为单电源OTL互补对称功率放大电路。

电路中T1是推动级（电压放大，也叫激励级），其中Rb1、Rb2是T1的基极偏置电阻，Re为T1发射极电阻，Rb为T1集电极负载电阻，它们共同构成T1的稳定静态工作点；T2、T3组成互补对称功率放大电路的输出级，且T2、T3工作在乙类状态；C2为输出耦合电容。

功率放大器采用射极输出器，提高了输入电阻和带负载的能力。

性能分析：

乙类互补推挽功放（OTL）的输出功率的计算公式如下：

输出功率：

Po=UoIo=Uo2/RL

输出最大功率：

Pom=UoIo=Uo2/RL=Uom2/2RL=VCC2/8RL

显然Pom与电源电压及负载有关

当输入功率为8w，阻抗8w时，有Pom=VCC2/8R

VCC=8*8*8≈22.6v则电路所需的电源为22.6v。

2、用集成器件实现

Tda2030简介：

TDA2030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。

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。

电路特点：

[1].外接元件非常少。

（基本应用电路图3-2）　

[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%。

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。

图3-2使用单电源供电的tda2030基本应用电路

通过比较，使用分立元件需要的元件较多，且必须考虑三级管的各种性能上的差异，和保护电路，并且该电路所需要的电源要求较高，功耗也比较大，输出效率比较低。

使用集成电路，外围电路简单，容易实现各项功能。

运用集成芯片TDA2030完成音频功率放大电路的设计，能够更好地达到设计任务和要求。

3.2：

整体电路

1，主要元件：

TDA2030

TDA2030A的外形和引脚图如图3.1所示。

1-同相输入端，2-反相输入端，3-负电源端，4-输出端，5-正电源端。

TDA2030A音频集成功放主要参数如表3.1所示：

表3.1

电源电压

输出峰值电流

3.5A

输入电阻

>0.5MΩ

电压增益

30d

频响带宽（BW）

0-140kHz

2、放大电路的基本设计

整体电路设计：

使用TDA2030加少量外围元件，输入端使共集放大电路增加输入阻抗。

3.3、各模块功能与设计

1、放大模块：

根据TDA2030的经典应用电路，在multisim中的电路如图3.3.1所示。

a）电路工作原理：

该电路使用15v的单电源供电，TDA2030作为功率放大器，电阻R5和R4构成电压串联负反馈电路，其电压放大倍数Auf≈1+R5/R4=32.9。

b）为了tda能够正常工作，1脚和2脚的电压必须相同。

其中R2和R3起分压作用，使1脚的工作电压1/2Vcc。

22uf电容的电容是是VCC／2电压的滤波电容，为防止1脚电压产生大波动。

输出端接的1欧电阻和0.1uf电容式防止电路产生自激振荡。

c）2个二级管为保护TDA2030作用，防止电源反接时流过电流运放过大。

R7为滑动变阻器，改变输入端的电组，可以改变输入信号的大小。

d）当电压Vcc=15v时，电路的输出功率可以达到8w以上。

图3.31

Uo

2、输入模块：

基本共集放大电路：

共集放大电路又叫射极跟随器，放大电路的放大倍数接近1，该放大电路的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，具有“跟随”的作用。

它具有输入电阻大（索取信号能量的能力大），输出电阻小（给予负载信号能量的能力大）的特点，可以做多级放大器的输入级；

图3.3.2

电路如图3.3.2所示示，其中三级管使用9013H144。

放大倍数为220倍

9013是一种最常用的普通三极管。

它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管特性：

集电极电流Ic：

Max500mA

集电极-基极电压Vcbo：

40V

工作温度：

-55℃to+150℃

功率（W）:

0.625

理论计算：

由图可计算得，共集放大电路的放大倍数约等于1。

RL负载电阻约为20k

其中输入阻抗的计算，由共集放大电路的输入阻抗公式可得：

Ri=（rbe+（1+β）Re//RL）//R2

由于9013的rbe约为1k，Re为3K，R2为220k输入电阻作近似计算

Ri=（220*3）//220≈159.9k

故此电路的输入阻抗近似为159.9k

四、电路和程序调试过程与结果

根据要求，仿真软件选用multisim，在软件中连接电路如图4.1所示：

1，波特图输出如图

由图可以看出，其仿真的结果，在50Hz-20kHz内的波形放大能力基本保持不变化。

符合题目要求。

50Hz——20kHz的输出波特图。

2，输入输出波形仿真

2.1选用信号源1kHz，输入100mvp，将音量调节到50%的位置。

用示波器观察仿真电路的情况。

其中，

在仿真电路中Auf≈1+R5/R4=32.9

由上图仿真可得，当输入为141mv时，输出值为4.1v。

则放大倍数

Auf=4.1/0.141≈29.1。

与近似计算理论值32.9比较接近。

2.2.灵敏度测量：

当继续增大输入电压到123mvp时，输出波形开始出现失真的现象，此时在输入端接入电压表，可以测量得电压为174mv。

则输入灵敏度为174mv

五，实际测试

由图5a，和图5b可得，在输入100mvp，频率为50Hz----20kHz的正弦波下，输出波形未见失真。

该电路在50Hz----20kHz可正常工作。

当输入为100mvp时，电路的Auf=U0/UI=2.2/（0.1/1.414）=31.0倍。

实际测试值与计算值32.9和仿真的值29.1比较接近，误差的主要来源于电路的元件的参数，比如电阻电容均存在误差，三级管的参数以及放大倍数也存在误差。

五、元件清单：

名称

规格

数量

名称

规格

数量

电阻

1

1

电解电容器

0.1uf

1

电阻

3k

1

电解电容器

1uf

3

电阻

4.7k

1

电解电容器

4.7uf

1

电阻

100k

3

电解电容器

22uf

1

电阻

220k

1

电解电容器

220uf

1

电位器

22k

1

电解电容器

2200uf

1

二极管

1n4003

2

集成运放

TDA2030

1

三极管

9013H144

1

万用版

1

六，总结

1、本次作品优缺点

优点：

元件和电路简单，电路原理易懂。

应用单电源15v即可使输出功率＞8w。

输入阻抗大于47k，输入灵敏度为147mv，频带宽50HZ～20kHZ，输出波形基本不失真。

缺点：

使用手工焊接，没有使用pcb版制作。

Tda2030发热比较严重，不能长时间工作，需要解决散热问题。

可以假装散热片散热。

单电源的供电的效率比较低，并且功率不高，如果改用双电源供电，功率可以比较大的提高。

使用2个tda2030可以制作立体声的音频放大器。

2、心得体会：

通过此次的课程设计，掌握的音频功率放大器的基本设计方法和一些常用器件的使用方法。

对于模电的课程和一些内容有了更加深刻的认识，电子设计和需要扎实的理论基本功，同时也需要有一定的动手能力。

理论加上实践，才能做等更好。

七、主要参考书目：

1、童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》

2、康华光，《电子技术基础》模拟部分

3、赵淑范王宪伟，《电子技术实验与课程设计》