1、1课 程 设 计音频功率放大器名 称: 电子信息专业基础课程设计 班 级: 电子 1002 班 姓 名: 学 号: 设计时间: 2012/12/27 至 2012/01/06 指导教师: 教师评语: 评阅成绩： 评阅老师： 2摘要设计OTL音频功率放大器，功率放大器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，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。本实验设计的是一个 OTL 功率放大器，该放大器采用 TDA2030音频放大器芯片，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101400Hz，其内部电路包
2、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。用multisim软件对OTL功率放大器进行仿真实现。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用multisim软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。关键词： OTL功率放大电路； multisim软件仿真； TDA2030音频放大器；AbstractThe design of OTL audio power amplifier, power amplifiers function is to the audio amplifier load RL ( speaker
3、 ) provides certain output. When the load is constant, hope output power is as large as possible, the output signal of the non linear distortion as small as possible, efficiency as high as possible. The experimental design is a OTL power amplifier, the amplifier using TDA2030 audio amplifier chip, T
4、DA2030 is high fidelity integrated amplifier chip, the output power is greater than 10W, frequency response of 101400Hz, its internal circuit includes an input stage, middle stage and an output stage, and a short circuit protection and overheat protection circuit, can ensure the working safety relia
5、ble, the positive output of single power supply. Using Multisim software to the OTL power amplifier simulation. According to the circuit diagram and has given the original parameter, use Multisim software to simulate the circuit, and carries out the static analysis, dynamic analysis, waveform displa
6、y diagram, calculation data operation.3Key words: OTL power amplifying circuit; Multisim Simulation; TDA2030 audio amplifier;目录1、音频功率放大器 42、Multisim 2001 程序概论 .62.1 Multisim 简介 62.2 Multisim 2001 功能及特点 62.3 软件的运行环境 73、设计内容及目的 73.1 设计目的 73.2 设计内容及要求 .83.3 实验电路所需元件 84、设计方案 94.1 设计思路 .94.2 OTL 音频 功率放大器
7、各级的作用和电路结构特征 104.3 原理分析 .104.4 用集成运算放大器放大信号的主要优点 .114.5 参数计算 .124.6 功率的计算 .125、用 multisim 仿真 OTC 功率放大器 145.1 功放电路原理图仿真图 .145.2 功放电路仿真波形图 .156、设计体会与总结 18参考文献41、音频功率放大器音频功率放大器简介 在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。 音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付
8、出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。 （一）早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。 早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的 OTL或OCL 放大器
9、不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。 （二）晶体管功放的发展和互调失真 随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL电路或 OTL电路 (图一)。 最初的大功率 PNP管是锗管，而 NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管 Q1与一只大功率的 NPN硅管 Q2复合，得到一只极性与PN
10、P管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。 到5了六十年代末，大功率的 PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到 广泛的应用。元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些摧琛夺目的名机，如 JBL的 SA600，Marantz互补对称电路MOdel15等等。 尽管电子管的拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，
11、与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题。瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代，功率放大器的发展史中出现了一件最引人注目的事情，这就是瞬态互调失真 (Transient lntermodulation)及其测量方法的提出。1963年，芬兰 Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时，由于接线失误，使电路的负反馈量减少了，后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好，客观技术指标较差，而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了，音质反而比误接时明显下降。这一现象引起了当时同一工厂的 Mr.Otala的重视，之后，他对此进行了悉心研究，于1970年首先发表了关于晶
12、体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。至 1971年 ,Otala博士及其研究小组就 TIM失真理论发表的论文已经超过20篇，引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。 瞬态互调失真的大意是这样的： 在直接耦合的晶体管放大电路中，为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应，通常对整体电路施加深达40dB一60dB的负反馈，倘若在加负反馈前放大器的开环失真为10，那么加上40dB的负反馈后，失真即可降低至01，这是电子管功效难以做到的。晶体管功放由于要施加40dB。60dB的负反馈，所以对一台增益要求为26dB的放大器，它的开环增益就要达到66、86dB。如此高的增益之下引入深度负反馈，电路
13、势必会产生自激振荡，因而需要进行相位补偿，一般是在推动级晶体管的集电极基极之间接接一个小电容 C，破坏自激振荡的相位条件，形成所谓 “滞后补偿”，推动管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值，见图四。显然，在电容 C充、放电期间，输出电压 V。将达不到应有的电压值，输入级也不可能得到应有的反馈电压 Vf，因而，在过渡脉冲通过输入级的瞬间，输入级将处于负反馈失控状6态，致使输入级严重过载，输出将严重削波(图三 a点)，引起过渡脉冲瞬时失真(图五)。如果过渡脉冲波形上还叠加有正弦信号，输出端还会得到很多输入信号频谱不存在的互调频率成份，这就是 TIM失真。TIM失真和音乐信号也有密切关系，音量
14、大、频率高的节目信号容易诱发 TIM失真。严重的 TIM失真反映在听感上类似高频交选失真，而较弱的 TIM失真给人以“金属声”的不快感觉，导致音质劣化。至今，音响界对于 TIM失真都还有争议。 2、Multisim 2001 程序概论 2.1 Multisim 简介从上世纪八十年代开始，随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析与设计方法发生了重大变革，Pspice、EWB等一大批各具特色的优秀电子设计自动化（EDA）软件的出现，改变了一定量估算和电路实验为基础的电路设计方法。熟练掌握一些电路仿真软件已成为当今电子电路分析和设计人员所必须具备的基本技能之一。 Multisim 2001是加拿大I
15、nteractive Image Technologies公司2001年推出的Multisim最新版本，是该公司电子线路仿真软件EWB的升级版。2.2 Multisim 2001 功能及特点Multisim 2001用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了模仿实际元器件和仪器的功能。 （1）Multisim 2001的元件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以方便的在工程设计中使用。 （2）Multisim 2001的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有实验用的通用仪器，如万用
16、表、函数发生器、示波器等，还有实验室少有的仪器，如波特图仪、失真仪、逻辑分析仪等。 （3）原理图的编辑非常方便，鼠标点击拖动界面，点点自动连线。分层的工作环境，手工调整元器件时自动重排线路，自动分配元器件的参考编号，对原理图尺寸大小没有限制。 （4）Multisim 2001提供了非常丰富的分析功能，虚拟测试设备能提7供快捷、简单的分析。主要包括直流工作点、瞬态、交流频率扫描、傅立叶、噪声、失真度、参数扫描、零极点、传递函数、直流灵敏度、交流灵敏度、最差情况、蒙特卡洛法等多种分析工具，可以在线显示图形并具有很大的灵活性。（5）Multisim 2001还可以对被仿真电路中的元器件人为设置故障。
17、在进行仿真的同时，它还可以存储测试点的所有数据、测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据，列出被仿真电路的所有元器件清单等。 （6）专业版的Multisim 2001还支持VHDL和Verilog语言的电路仿真与设计。 （7）Multisim 2001的“子电路”功能很有特色，在复杂电子电路系统的设计过程中，合理而恰当的利用“子电路”功能。能使系统设计大大简化，工作效率得到提高。允许把子电路当作一个元器件使用，从而争大了电路的仿真规模。 针对不同的用户需要，Multisim 2001发行了多个版本，分为增强专业版（Power Porfessional）、专业版（Porfessional）、个人版
18、（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等。2.3 软件的运行环境操作系统：Windows 95/98/XP/2000/NT CPU：奔腾300或以上 内存：64M最好128M以上 显示器：800X600分辨率或以上 硬盘：可用空间300M以上3、设计内容及目的3.1 设计目的（1） 进一步掌握模电、数字、电子技术课程所学的理论知识（2） 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模电电路设计的基本方法和设计步骤，培养综合设计和试调能力。（3） 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力（4） 掌握 OTL 音频功率放大器的设计方法，基
19、本工作原理和性能指标检测方8法（5） 通过一个 OTL 音频功率放大器的设计，安装和调试，进一步加深对互补功率放大器的理解，增强实际动手能力。3.2 设计内容及要求题目：OTL音频功率放大器电路的multisim仿真。使用multisim对所设计的电路进行仿真分析；要求熟练掌握multisim软件的使用及仿真方法，画出原理图，改变参数进行理论分析，写出实际实现过程，得出结论。采用全部或部分分立元件电路设计一种音频音频功率放大器； 额定输出功率Po10W；负载阻抗RL=8；失真度3% 。通频带fs: 为20HZ20KHZ。音调控制要求：1KHZ（0dB），10KHZ（12dB），100HZ（12
20、dB）灵敏度：话筒输入：5mV。 线路输入：0.775V。3.3 实验电路所需元件示波器/电源 1个信号发生源 1个100 3个1 1个150k 1个电阻4.7k 1个2.2uf 1个922uf 1个100mf 1个100uf 1个22f 1个2.2mf 1个电容220mf 1个二极管 2个喇叭 1个TDA2030放大器 1个地线 6个4、设计方案4.1 设计思路 功率放大器的作用是给负载R L提供一定的输出功率，当R L一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真可能小，且效率尽可能高。由于OTL电路采用直接耦合方式，为了保证电路工作稳定，必须采取有效措施抑制零点漂移。为了获得足够大的
21、输出功率驱动负载工作，故需要有足够高的电压放大倍数。因此，性能良好的OTL 功率放大器应由输入级、推动级和输出级等部分组成。4.2 OTL 音频功率放大器各级的作用和电路结构特征 输入级：主要作用是抑制零点漂移，保证电路工作稳定，同时对前级（音调控制级）送来的信号作低失真，低噪声放大。为此，采用带恒流源的，由复合管组成10的差动放大电路，且设置的静态偏置电流较小。 推动级的作用是获得足够高的电压放大倍数，以及为输出级提供足够大的驱动电流，为此，可采用带集电极有源负载的共射放大电路，其静态偏听偏信置电流比输入级要大。 输出级的主要作用是级负载提供足够大的输出信号功率，可采有由复合管构成的甲乙灯互
22、补对称功放或准互补功放电路。 此外，还应考虑为稳定静态工作点须设置直流负反馈电路，为稳定电压放大倍数和改善电路性能须设置交流负反馈电路，以及过流保护电路等。电路设计时，各级应设置合适的静态工作点，在组装完毕后须进行静态和动态测试，在小型不失真的情况下，使输出功率最大。动态测试时，要注意消振和接好保险丝，以防损坏元器件。4.3 原理分析电路基本框图 输入信号输入级推动级输出级负载扬声器电路基本原理图4.3.1 原理图11电路为音频功率放大器原理图,其中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
23、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使用方便、外围所需元器少,一般不需要调试即可成功。 RP是音量调节电位器,C1是输入耦合电容,R1是TDA2030同相输入端偏置电阻。 R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为(R4+R5)/R5=(4.7+150)/150=33.3倍,C3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。 C2、C4、C7为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。R6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证高频稳定性。VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。4.4 用集
24、成运算放大器放大信号的主要优点（1）电路设计简化，组装高度方便，只需适当选配外接元件，便可实现输入、输出的各种放大关系。 （2）由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。 （3）运放的输入享受搞高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱的信号放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有 很强的抑制能力。 （4）由运放构成的放大单元功耗低、体积小、寿命长，使整机使用的元器件数大大减少，成本降低，工作可靠性大为提高。 4.5 参数计算RP是音量调节电位器,考虑到实际情况本设计 RP=22 K；C1是输入耦合
25、电容（C1=11个）；12R1是TDA2030同相输入端偏置电阻；R2、R3为反馈网络电阻（R1=R2=R3=100 ）；.R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为(R4+R5)/R5=(4.7+150)/4.7=33倍,C3 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。 C2、C4、C7为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡；R6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证稳定性；VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030,负载RL=8。 . 4.6 功率的计算1、 计算输出功率 Po输出功率用输出电压有效值V 0和输出电流I
26、 0的乘积来表示。设输出电压的幅值为V om，则 （4.6.1） 因为I om=Vom/RL，所以.当输入信号足够大，使V im=Vom= Vcem= VCC- VCES V CC和I om=Icm时，可获得最大的输出功率 （4.6.2） 由上述对P o的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压V CC或降低负载阻抗R L。135、用 multisim 仿真 OTC 功率放大器5.1 功放电路原理图仿真图图5.1.1 multisim 仿真图145.2 功放电路仿真波形图图5.2.1说明：图5.2.1是滑动变阻器在30%的时候，multisim软件所显示出来的仿真图，通过仿真图可以明
27、显的看出功率的放大，而且没有出现失真状况！15图5.2.2说明：图5.2.2是滑动变阻器在50%的时候，multisim软件所显示出来的仿真图，通过仿真图可以看出输出功率和输入功率是差不多的，而且没有出现失真状况！16图5.2.3说明：图5.2.3是滑动变阻器在75%的时候，multisim软件所显示出来的仿真图，通过仿真图可以看出输出功率比输入功率要小，而且也没有出现失真状况！17图5.2.4 说明：图5.2.4是滑动变阻器在15%的时候，multisim软件所显示出来的仿真图，通过仿真图可以看出输出功率比输入功率要大很多，而且也出现了严重的失真状况！ 总结：用multisim软件仿真，可以
28、完成以后对PCB的通电测试，测试是对安装后的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据，经过反复测量和调整，就可以使电路性能达到要求。仿真的函数信号发射器的频率课选择100HZ 左右，幅度可以在 12V左右，滑动变阻器阻值控制在30%为佳！6、设计体会与总结设计OTL音频功率放大器，功率放大器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18的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有用继承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。本实验设计的是一个 O
29、TL 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音频功率放大电路，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，采用正输出单电源供电。用multisim软件对OTL功率放大器进行仿真实现。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用multisim软件模拟电路，并对其进行静态分析，动态分析，显示波形图，计算数据等操作。通过这次制作，让我们确实遇了很多难以解决的问题，同时也学到了很多知识。掌
30、握了功率放大器电路的设计与制作，掌握了TDA2030 等集成芯片的原理与作用以及晶体管极性的判断，如何去检查电路中的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用，通过实践不但巩固了学过的知识，而且其他的对所学知识进行实践论证，及时的发现了存在的许多不足。通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用，如ultisim的软件的使用也让我们深刻的认识到理论分析的重要性也认识到了自己在理论和模电方面的知识的欠缺，找到了自己努力的方向。也认识到了在一个项目的进行过程中，进行细致的过程规划是十分重要的，同时在此过程中也要保持一丝不苟的严谨态度，这样才会少走弯路。 19参考文献：1、模拟电子技术第五版. 康华光主编.北京：高等教育出版社，2005 2、模电数电基础实验及multisim7仿真 蒋黎红主编 浙江大学出版社，20073、大学生电子设计网、 http:/ 4、国产集成电路应用500例. 周仲主编.北京：电子工业出版社，1992
