音频功率放大器设计报告(2).doc

1、第 1 页音频功率放大器设计报告系别：物理系成员：张元，李春标，周淼森 第 2 页目 录1 引 言 .42 设 计 指 标 及 分 析 .42 1 主 要 技 术 指 标 42 2 性 能 指 标 分 析 与 说 明 43 设 计 方 案 .54 基 于 集 成 运 放 TDA2030 的 电 路 设 计 .74 1 电 路 设 计 流 程 74 2 直 流 稳 压 电 源 的 设 计 74 3 OCL 功 率 放 大 器 的 设 计 85 电 路 板 95 1 电 路 板 调 试 .96 变 压 器 设 计 .10附录：电路图Protues 仿真元件清单第 3 页TDA2030是高保真集成功

2、率放大器芯片，输出功率大于 10W，频率响应为101400Hz，输出电流峰值最大可达 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，可确保电路工作安全可靠。TDA2030 在电源电压14V，负载电阻为 4 时输出 14 瓦功率（失真度 05） ；在电源电压 16V，负载电阻为 4 时输出 18 瓦功率（失真度05） 。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。关键词：TDA2030 双声道 集成电路电 路 原 理 说 明 ：220V 市 电 经 过 变 压 器 ， 和 开 关 S1.变 压 器 的 次 级 输 出 双 1

3、2V 交流 ， 双 12V 送 入 由 D1 组 成 的 桥 式 整 流 电 路 电 路 ， 经 过 桥 式 整 流 和C1,C4（ 2200UF,） 的 滤 波 ， C2、 C3（ 104） =0.1UF 为 电 源 高 频 旁 路 电容 ， 防 止 电 路 产 生 自 激 振 荡 。 D2、 R1 组 成 电 源 指 示 电 路 ， 以 指 示 电 源是 否 正 常 。输 出 的 空 载 电 压 约 为 正 负 15V 左 右 （ U=1.414*12V） ， 即 A+为 正15V， A-为 负 15V。 正 负 15V 为 两 块 功 放 芯 片 TDA2030 提 供 电 源 。声 道

4、 放 大 电 路 ， 因 左 右 声 道 作 原 理 完 全 一 致 。 这 里 我 只 以 左 声 道 为例 ， 作 个 介 绍 。如 图 ： RIN 为 信 号 输 入 端 ， 经 过 分 压 电 阻 R3 进 入 音 量 电 位 器R2， （ 音 量 电 位 器 由 三 个 引 脚 ， 与 R3 连 接 的 是 输 入 端 ， 输 出 端 也 叫 滑动 端 、 另 一 引 脚 为 接 地 端 ） .调 整 音 量 后 信 号 进 入 由 R4/C5 组 成 的 高 音 提 升 电 路 ， 此 电 路 可 以提 升 一 定 量 的 高 频 信 号 ， 使 声 音 更 加 清 晰 。C8,R

5、10,R7,R8 组 成 高 通 滤 波 电 路 ,调 整 电 位 器 R8(100K)都 可 以调 整 截 止 频 率 。C6,C7,R6,R5 组 成 的 低 通 滤 波 电 路 。 调 整 电 位 器 R5(100K)都 可以 调 整 信 号 截 止 频 率 。尔 后 信 号 经 过 耦 合 电 容 C8 进 入 左 声 道 功 放 TDA2030 的 1 脚 ， 经过 功 率 放 大 后 ， 由 TDA2030 的 第 四 脚 输 出 ， 推 动 扬 声 器 LS1 发 声 。R11、 R12 决 定 了 该 电 路 交 流 负 反 馈 的 强 弱 及 闭 环 增 益 。 该 电 路

6、闭 环增 益 为 （ R11+R12） /R11=（ 0.33+47） /0.33=143.4 倍 ， C10 起 隔 直流 作 用 ， 以 使 电 路 直 流 为 100%负 反 馈 。 静 态 工 作 点 稳 定 性 好 。R13、 C11 构 成 容 性 网 络 ， 与 扬 声 器 感 性 阻 抗 并 联 后 ， 可 使 功 放 的 负载 接 近 纯 阻 性 质 ， 不 仅 可 以 改 善 音 质 、 防 止 高 频 自 激 ， 还 能 保 护 功 放 输出 管 。本设计是以集成电路 TDA 2030A为中心组成的功率放大器，它具有失真小、外围元件少、装配简单、功率大、保真度极高等特点。

7、本电路由三部分组成，第 4 页即电源部分；左（L）声道功能放大器和右（R）声道功能放大器。LED 和 R19为电源指示电路，以指示电源是否正常，开关 K为电源开关。通过变压器将220V交流电变为成 12V交流电，然后将 12V交流电与桥式整流连接，输出 15V直流电供电路使用。桥式输出电压通过 C17、C18 滤波之后作用于两个功率放大器 IC1、IC2。输入信号通过 L IN、R IN输入，信号经过放大后通过 L OUT、R OUT输出。通过三个电位器的调节（高、低音和音量调节）就可以输出高保真的立体声音乐。1 引 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

8、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)。其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载，如扬声器、音响等。 ；所以要满足于广大消费者享受优美动听的音质，必须研发更替功率放大器。目前，音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品，模拟功放经历了数十年的不断改进和完善，其技术已发展到了顶峰。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

9、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)来降低电源噪音，所以经常采用反馈。2 设 计 指 标 及 分 析2.1 主要技术指标输出功率：1020W （额定功率）频率响应：20HZ200KHZ(3dB)谐波失真： 1（10W,20HZ20KHZ）输出阻抗：0.2 欧姆输入灵敏度：500Mv(1000HZ,额定输出时)2.2 性能指标分析与说明通常情况下，要求放大的输

10、出级输出一定的功率来驱动负载。从某种角度来看功率放大电路与其他放大电路没有本质区别，但功率放大器即不是追求高电压输出，也不是追求大电流输出；而是尽可能大的功率。功率放大电路主要是在允许的失真限度内，高效率的提供足够的功率驱动负载。对功率放大器的电路基本要求是：第 5 页频率响应：表示功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。频率曲线的平直与否一般用分贝db表示。家用 HI-FI功放的频响 20Hz-20KHZ正负1db.这个范围越宽越好。功率输出：功率 Po=U*U/R,即要求输出电压高，输出电流大。晶体管在大信号极限运行状态工作，同时应该注意管子的安全。效率：晶体管按照输入信号的变化规律，将直

11、流电压提供的能量 转化为交流能量的过程，就是信号放大的过程，转化效率为负载获得的功率与电压提供的功率的比值。失真度：理想的功放应该是把输入的讯号放大后，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。 信噪比：是指信号电平与功放输出的各种噪音电平之比，用 db表示，这个数值越大越好。 为了符合技术指标，获得较佳的效果。信号源频率 f范围可选为20HZ20KHZ ；电压 Us范围可选为 20mV500mV。电路放大倍数 Av为70400。输出电阻为 0欧姆。3 设计方案采用 TDA2030集成块

12、来实现电路要求。TDA 2030 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，能在最低6V最高22V 的电压下工作在19V、8 阻抗时能够输出 16W的有效功率，THD0.1%。TDA2030 集成电路的另一特点是保护性能比较完善。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。所以只要采用两片 TDA2030集成块，再附加一些其他功能电路和一些补偿、保护器件即可设计出一款性能较佳的双声道功放。 第 6 页电路方框图音频放大电路是典型应用电路， 由一块 TDA 2030和较少元件组成的音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等突出的优点。特

13、别是集成块内部设计有完整的保护电路，能自我保护。TDA 2030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集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括 TDA 2030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。TDA2030A功率放大管利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的 倍， 是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会

14、等于基极电流的 倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的 倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 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 TDA 2030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 TDA 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截第 7 页止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不

15、能因为有保护功能而不适当地进行使用） 。电路特点：1.外接元件非常少。2.输出功率大，Po=18W(RL=4)。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、8 阻抗时能够输出 16W的有效功率，THD0.1%。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。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

16、中，它的管脚属于最少的一类，总共才 5端，在焊接电路板的时候 TDA2030A的管脚的分布对于焊接的时候很重要的，如果管脚的区分有错，直接会导致的功率放大器烧掉。通过查阅资料知道他的管脚分布为：汉字对着人，从左往右数为 1 2 3 4 5 其中 1 为同相输入端2为反相输入端3为功率放大器的接地端4为功率放大器的输出端5为功率放大器的电源线的接入端 4 基 于 集 成 运 放 TDA2030 的 电 路 设 计4.1 电路设计流程第 8 页图 1 电路方框图4.2 直流稳压电源的设计稳定直流源在几乎所以电路中不可缺少，主要给电子电路提供能量。直流稳压电源最主要是能够输出恒定的电压，设计的一般思

17、路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络，最后经过稳压网络输出。本设计采用中心抽头式变压器，然后经过桥式整流电路作为整流网络，再以容值为 1000uF/25V电容作为滤波网络，接着采用固定式三端集成稳压器 LM7812和 LM7912作为稳压网络，最后经过 10uF电路滤波输出。其中电容cap1、cap2、cap5 和 cap6主要是抑制稳压块的自激震荡。二极管 D1，D2 主要是对稳压块的保护。设计制作出来的直流稳压电源原理图如下：第 9 页图 2 直 流 稳 压 电 源4.3 OCL 功率放大器的设计功率放大器是本设计的核心部分，功率放大器的每一环节都直接影响到输出

18、的音质。本设计电路为双电源供电 OCL音频功率放大器（双声道） ，其中高保真运算放大器 TDA2030集成块输出电流峰值最大可达 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，可确保电路工作安全可靠。运用 TDA2030集成块设计的电路图如下：图 2 功率放大器5 电 路 板5.1 电路板调试步骤第 10 页调 试 工 具 ： 信 号 发 生 器 数 字 万 用 表 数 字 示 波 器 1 将 直 流 稳 压 电 源 插 上 插 座 ， 用 数 字 万 用 表 测 量 直 流 电 源 输 出 端 是不 是 12v 。实 测 数 据 ： 11V -12.5V2 将 直

19、流 稳 压 电 源 输 出 端 与 功 放 板 电 源 端 相 连 接 ， 测 量 两 个TDA2030 的 3 脚 和 5 脚 是 否 为 -12V 和 +12V。实 测 数 据 10.8 V 12V3 将 信 号 发 生 器 调 到 1kHz 50mV 正 弦 交 流 波 形 输 出 ， 接 到 功 放 板的 信 号 端 。 将 示 波 器 接 到 TDA2030 的 1 脚 ， 并 将 W1 电 位 器 旋 到 最左 端 ， 看 示 波 器 是 不 是 输 出 7mV 1kHZ 的 正 弦 波 ； 旋 到 最 右 端 ， 看 示波 器 是 不 是 输 出 44mV 1KHZ 的 正 弦

20、波 。 误 差 范 围 ： 5%实 测 数 据 ： 6 mV 40mV4 将 信 号 发 生 器 调 到 50mV 100HZ , 调 节 W2 W3 电 位 器 ， 看 示波 器 有 没 波 形 输 出 ， 再 将 信 号 发 生 器 调 到 23KHZ 看 示 波 器 有 没 波 形输 出 。测 试 结 果 ： 没 有5 调 节 信 号 发 生 器 输 出 波 形 的 幅 度 ,并 将 示 波 器 接 在 TDA2030 的第 4 引 脚 ， 观 察 波 形 失 真 度 为 7.07%时 ， 信 号 发 生 器 的 电 压 有 效 值 。测 试 数 据 ： 输 入 灵 敏 度 ： 400m

21、V 单 个 通 道 额 定 功 率 ： 8.5 W 6 变 压 器 设 计变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能有:电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器) 等。此次电路设计才用 220V 转 12V 变压，根据e1/e2=L1/L2，应用此变压器设计， 220V/12V=44000/2400（圈数） ，见图第 11 页图 3 变压器工作原理图附录电路图Protues 仿真第 12 页元件清单1、集成电路 TDA2030A 2 个 2、整流桥堆 1 个3、电阻 10 2 个4、电阻 330 2 个5、电阻 1K 2 个6、电阻 1.5K 2 个7、电阻 2.2K 2 个8、电阻 5.6K 2 个9、电阻 10K 3 个10、电阻 22K 2 个11、电阻 47K 2 个12、电容 104 2 个13、电容 222 2 个14、电容 223 4 个15、电容 224 4 个16、电容 10uf 4 个第 13 页17、电容 2200uf 2 个18、电位器 50K 1 个19、电位器 100K 2 个20、散热片和螺丝 2 个21、自锁开关 1 个22、LED 指示灯 1 个23、电路板 1 个24、三位接线端子 1 个25、二位接线端子 2 个26、音频插座 1 个27、铜柱和螺母 4 套