1、学 号： 课 程 设 计题 目 音频功率放大器的设计仿真与实现学 院 信息工程学院专 业班 级姓 名指导教师年 月 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 音频功率放大器的设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：集成功放，电容、电阻、电位器若干；或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表等。要求完成的主要任务: （1）设计任务根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL 或 BTL 电路。完成对音频功率放大器的设计、仿真、装配与调试，并自制直流电源。（2）设计要求 输出功率 10W/8；频率响应 2020KHz；效率60 ；失
2、真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。 利用 Proteus 或 Multisim 仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的 PCB 设计功能进行 PCB 设计。时间安排：1、 2016 年 12 月 查阅资料，确定设计方案；2、 2017 年 01 月 4 日-2017 年 01 月 7 日 完成仿真、制作实物等；3、 2017 年 01 月 8 日-2017 年 01 月 9 日 调试修改；4、 2017 年 01 月 9 日-2017 年 01 月 10 日 完成课程设计报告；
3、5、 2016 年 01 月 11 日 完成答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘 要 I1 引言 12 音频功率放大器的工作原理及组成 22.1 前置放大电路 22.2 功率放大电路 23 方案设计与选择 43.1 功率放大器的选择 .43.1.1 OTL 互补对称功率放大器 .43.1.2 用集成器件 TDA2030 实现 53.1.3 基于 TDA2030 的双电源互补对称功放 .63.1.4 基于 TDA2030 的双电源桥式推挽互补对称功放 .63.1.5 比较与选择 .83.2 整体电路 .83.2.1 主要元件：TDA2030 .83.2.
4、2 放大电路的基本设计 .93.3 各模块功能与设计 .103.3.1 放大模块 .103.3.2 输入模块 .114 电路原理及分析 134.1 电路图 134.2 波特图输出如图 .134.3 输入输出波形仿真 .144.3.1 仿真波形情况 .144.3.2 灵敏度测量 .155 实际测试 .166 主要元件介绍及参数 .176.1 TDA2030 176.1.1 TDA2030 参数 .176.1.2 TDA2030 介绍 .186.2 1N4007G 基本参数 .186.3 2N2222A 基本参数 .187 电路仿真与调试 .197.1 Proteus 仿真 .197.2 Mult
5、isim 软件对直流稳压电源仿真 .208 实物展示 .219 元件清单 .2210 心得体会 .23参考文献 .25I摘 要音响放大器的设计目的是为了更好的掌握集成功率放大器内部电路工作原理，学会其外围电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌握音响放大器的设计与电子线路系统的装试和调试技术。本文主要介绍了基于 TDA2030 以及 LM324 的音响功放电路和前置放大电路。其中前置放大电路基于 2N2222 型号的 BJT 共集放大电路，功放电路基于TDA2030 芯片，功放电路采用单电源互补对称放大电路。关键词 TDA2030、射级跟随器输入级、单电源供电的 TDA2030 基本应用电路。模
6、拟电子技术基础课程设计11 引言音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分,并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地,音频功放的需求日益增加,因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。本文中介绍的是有前置放大电路和第二级功放电路构成的印象放大电路，其中前置放大电路主要作用是将通过 3.5mm 音频插头传入的微弱音频信号进行放大，TDA2030 基本应用电路的作用是将前置放大后的音频信号进行二次放大并带动扬声器发声。TDA2030 的输出功率大，失真小，有内部保护电路，最大输出功率能够达到 35W 左右，其静态电流小，带负载能力强，可带动 416 的扬声
7、器。共集放大电路则具有以下特性：1、输入输入信号与输出信号同相；2、无电压放大作用，电压增益小于 1 且接近于 1，因此共集电极电路又有“电压跟随器”之称 ；3、电流增益高，输入回路中的电流 ；iB输出回路中的电流 i和 4、有功率放大作用；5、适用于作功率放大和阻抗匹配电路。模拟电子技术基础课程设计22 音频功率放大器的工作原理及组成音频功率放大器最主要组成部分是音频放大器，用于对各种音源输出的音频信号进行加工处理和不失真的放大，使之达到一定功率，然后去推动扬声器发声。音频功率放大器一般由两部分组成，第一部分是前置放大器，第二部分是功率放大器。音频功率放大器的系统框图如图 2.1。图 2.1
8、 音响放大器的系统框图2.1 前置放大电路日常生活中话筒的输出信号非常小，若直接通过功放电路输出则可能达不到功率要求，故应采用前置放大电路对输入信号进行第一次放大。前置放大器是把音频信号放大，使放大后的信号在功率放大器的输入范围内。 音响放大器输入的声音差别很大，输出电压范围也很大。前置放大器的主要作用有以下两个：第一是阻抗相匹配，第二是电压幅度和灵敏度相匹配。前置放大器的要求一是功率管的噪声要很低，二是保证它的频带足够宽，这样才可以保证信号不失真的输出。2.2 功率放大电路功放应该具有向负载输出大信号功率的能力，即负载电阻上的信号电流、电压的幅度都要求较大。功率放大器的主要任务是向额定的负载
9、输出额定的“不失真”信号功率。功率放大器是整个放大器系统的主体部分。它的设计制作水平对整个系统的音质起着十分重要的作用。功率放大电路的性能指标有以下几个：（1） 输出功率：输出功率是指功率放大器负载上所能获得的功率。直接决定了功率放大电路的放大效果，是评定功放电路的主要性能指标。本次课程设计所要求的输出功率为 8W。（2） 频率响应：当频率超出放大电路的通频带时输出信号会有明显的衰减，所以音频信号输入 前置放大（对输入的音频信号进行处理）功放电路(对音频信号进一步放大并推动扬声器发声)模拟电子技术基础课程设计3在设计中应该尽可能的是功放电路的通频带包含 20Hz20kHz 的人可以听见的频率范
10、围（本次课程设计要求 20Hz20kHz） ，功放电路的频率响应特性决定了音响电路对不同频率的音频信号的输出效果。（3） 输入阻抗：输入阻抗越大则其索取信号能力越强，所以较高的输入电阻可以减少信号的损失。模拟电子技术基础课程设计43 方案设计与选择音频功率放大器电路设计已经比较成熟，前置放大器主要是对信号进行初步放大原理基本相同，效果相差不大故在此采用较为实用的基本共集电极放大电路。功率放大电路采用基于 TDA2030 的放大电路，在此对几种普遍使用的功放电路进行介绍并对其主要特性进行比较。3.1 功率放大器的选择3.1.1 OTL 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
11、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 是推动级（电压放大，也叫激励级） ，其中 、T1 Rb1是 的基极偏置电阻， 为 发射极电阻， 为 集电极负载电阻，它们共同构成 的R2T1 R T1 T1 T1稳定静态工作点； 、 组成互补对称功率放大电路的输出级，且 、 工作在乙类状态；T2 T3 T2 T3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。C2图 3.1 单电源 OTL 互补对称功率放大电路性能分析：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：（3.1）Po=U=Uo2/Rl输出最大功率： =2=22
12、=2(8)显然 Pom 与电源电压及负载有关模拟电子技术基础课程设计5当输入功率为 8W，阻抗 8W 时，有：（3.2）=2(8)另 =88822.6则电路所需的电源为 22.6V。3.1.2 用集成器件 TDA2030 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， =18W( =4)。 Rl3.采用超小型封装（TO-220）,可提高
13、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（ ）以及负载泄放电压反冲等。 V=126.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%。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 基本应用电路模拟电子技术基础课程设计63.1.3 基于 TDA2030 的双电源互补对称功放图 3.3 基于 TDA2030 的双电源互补对称功放3.1.4 基于 TDA2030 的双电源桥式推挽互补
14、对称功放模拟电子技术基础课程设计7图 3.4 双电源桥式推挽功放电路桥式推挽功放电路利用双电源供电，最大效率可达 78.5%，并且使用使用双电源由计算公式：（3.3）Pv=2()知使用双电源时 为单电源的 2 倍，可以获得更大的输出功率。如图 5 为双电源互补对V称放大电路的图解。VceOVcesVcesAOQicVcomic图 3.5 双电源互补对称放大电路图解模拟电子技术基础课程设计83.1.5 比较与选择通过比较，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
15、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。而桥式推挽功放在相同的条件下，电源利用率（理想情况下）是 100%，比 OTL 或OCL 电路提高了 50%，TL 输出功率是 OCL 或 OTL 的四倍但电路形式更为复杂，使用不方便。综上本次课程设计，单电源互补对称放大电路只需要一个电源，并且要求的输出功率为 0.5W，单电源互补对称放大电路和桥式推挽功放两种电路均可以满足，故采用单电源互补放大电路。3.2 整体电路3.2.1 主要元件： TDA2030TDA2030A 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
16、端，4-输出端，5-正电源端。1 2 3 4 5T D A 2 0 3 0 A图 3 . 1图 3.3 TDA2030A 引脚图TDA2030A 音频集成功放主要参数如表 3.1 所示：模拟电子技术基础课程设计9表 3.1 TDA2030A 音频集成功放主要参数电源电压 CV318V输出峰值电流 3.5 A输入电阻 0.5 M电压增益 30 dB频响带宽(BW) 0-140 kHz3.2.2 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，输入端使用共集放大电路增加输入阻抗。图 3.4 放大器 Multisim 仿真图模拟电子技术基础课程设计103.3 各模块功能与设计3
17、.3.1 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：（3.3）1+54其值为 30.6。b）为了 TDA2030 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 。22uF 的电容是 电压的滤波电容，为防止 1 脚电压产/2 /2生大波动。输出端接的 1 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
18、作用，防止电源反接时流过电流运放过大。R7 为滑动变阻器，改变输入端的电阻，可以改变输入信号的大小。d）当电压 =15V 时，电路的输出功率可以达到 8W 以上。图 3.5 TDA 基本应用电路 Multisim 仿真模拟电子技术基础课程设计113.3.2 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 3.6 以共射放大电路作为输入级的 Multi
19、sim 仿真电路如图 3.6 所示，其中三级管使用 2N2222A。放大倍数为 100300 倍2N2222A 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：封装：TO92 极性：NPN 主要参数：60V，0.8A，500mW，300MHZ，HFE=100300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模拟电子技术基础课程设计12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：（3.4）=+(1+)/2由于 2N2222 的 约为 1k， 为 3K， 为 200k 2对输入电阻作近似计算=（200*3）/20
20、0150k故此电路的输入阻抗近似为 150k模拟电子技术基础课程设计134 电路原理及分析4.1 电路图根据要求，仿真软件选用 Multisim 和 Proteus，在软件中连接电路如图 4.1 所示：图 4.1 放大器电路 Multisim 仿真图4.2 波特图输出如图由图 4.2 可以看出，其仿真的结果，在 20Hz-20kHz 内的波形放大能力基本保持不变化。符合题目要求。模拟电子技术基础课程设计14图 4.2 20Hz20kHz 的输出波特图4.3 输入输出波形仿真4.3.1 仿真波形情况选用信号源 1kHz，输入 100mvp，将 R7 调节到 0%的位置。用示波器观察仿真电路的情况
21、。模拟电子技术基础课程设计15图 4.3 输入输出波形 Multisim 仿真图其中，在仿真电路中 Auf30.6由上图仿真可得，当输入为 196.676mV 时，输出值为 6.004V。则放大倍数 Auf=6.004/0.196730.5。与近似计算理论值 30.6 比较接近。符合要求。4.3.2 灵敏度测量图 4.4 出现轻微失真的灵敏度测量 Multisim 仿真图当继续增大输入电压到 100mVp 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 144mV。则输入灵敏度为 144mV。模拟电子技术基础课程设计165 实际测试图 5.1 输出波形设置图 5.2
22、输出波形图由图中可以看出，实物能够起到放大作用，并且调整输出功率在相应要求内，波形相应变化且不失真。符合要求。模拟电子技术基础课程设计176 主要元件介绍及参数6.1 TDA20306.1.1 TDA2030 参数图 6.1 TDA2030 参数图 6.2 TDA2030 引脚图模拟电子技术基础课程设计186.1.2 TDA2030 介绍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。如图 11 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
23、。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。图 6.3 TDA2030 封装6.2 1N4007G 基本参数最大平均正向电流(A):1峰值反向电压 Vrrm(V):1000最大全周期正向压降 VFM(V):1.100最大非重复浪涌电流 IFSM(A):30最大反向电流 IR(mA):0.010封装/温度():DO41/-651756.3 2N2222A 基本参数极限工作电压:60V最大电流允许值:0.8A最大工作频率:100模拟电子技术基础课程设计197 电路仿真与调试本次课程设计选择的
24、Multisim 和 Proteus 两种仿真软件，以上只列出了 Multisim一种软件的仿真，在合作之下，我们做出了 Proteus 的仿真，如下。7.1 Proteus 仿真图 7.1 直流稳压电源的 Proteus 设计仿真图 7.2 直流稳压电源和放大器电路的 Proteus 仿真模拟电子技术基础课程设计207.2 Multisim 软件对直流稳压电源仿真图 7.3 直流稳压电源的 Multisim 仿真图 7.4 Multisim 中万用表测直流稳压电源输出端模拟电子技术基础课程设计218 实物展示图 8.1 稳压直流电源和放大器实物正面图 8.2 稳压直流电源和放大器实物背面模拟
25、电子技术基础课程设计229 元件清单元件清单如表 9.1：表 9.1 元件清单名称 规格 数量 名称 规格 数量电阻 100k 2 电容 2200uF 1电阻 100 2 电容 4.7 uF 1电阻 4.7k 1 电容 1uF 1电阻 51k 1 电容 0.1uF 1电阻 1 1 电容 220uF 2电阻 20k 1 BJT IN4007 7电阻 3k 1 插头 1电阻 200k 1 芯片 LM317AH 1电阻 300 1 运放 TDA2030 1电阻 3k 1 喇叭 1电容 1uF 2 话筒 1模拟电子技术基础课程设计2310 心得体会此次课程设计验证了 TDA2030 基本应用电路和共集
26、放大电路的组合对音频信号的放大，自主选择了元件参数并参与选购，做出了音频功率放大器和直流稳压电源的实物并且进行了测试。在此过程中发现自己独立设计电路的能力不足，在直流稳压电源的第一次设计时，未考虑到电容的最高击穿电压甚至接反了电容正负极，这直接导致了在插上电源过段时间后电路中电容的爆炸。在实际测试过程中发现理论可行跟实际可行之间有一定的偏差，再设计电路时应该综合考虑元件实际的误差和运行时发热等对其参数的影响。更有在实物中线路的电阻问题，这与在软件上仿真是完全不同的。通过本次课程设计，将模拟电子电路中的有关功率放大，负反馈，集成运放电路等知识进行了运用，在一次次失败中一点点发现问题然后去修改电路
27、，重新摸索，是一种完全不同的学习方式，在电路的设计过程中发现很多基础的知识都遗忘了所以不得不一次次的重新翻开课本去熟悉相关的内容。在搜集资料的过程中，发现在网络上有很多聚集了很多高水平的电子爱好者的论坛、网站，如电子爱好者之家，在这里寻找资料同时也会被他人精妙的设计所吸引，从而对电子技术产生兴趣，在很多作品中发现理论上的知识在实际运用中需要进行必要的修改和精简，而且很多电路设计中的原理都是相同的掌握了它的本质，就能根据自己的需要进行更改、组合，从而形成新的电路。另外发现了一本电子制作的杂志，内容丰富，半月一刊，内容不是特别难，可以适合我们学生动手制作。平时对常用电路的积累也很重要，例如如果对典
28、型的集成运放电路和常用的功率放大电路比较熟悉，在进行音频功率放大放大器的设计和制作过程中，就能够组合形成很多种方案从而不用一开始在设计时焦头烂额。对比不同的方案的差异性，能够加深对电路的特性的认识。比如这次课程设计中，我们小组对分立元件对信号的放大以及运放的基本应用电路的比较和仿真，发现了运算放大器作为基本的集成运放是有着天然的优势的，当然具体情况需要具体分析，也需要具体实际的电路来适应环境。此次课程设计中经历了很多次失败，每一次的原因不尽相同，有的是由于接线时不够仔细，接错线，有的是因为基础知识掌握的不牢固，影响最大的是对电路分析的欠缺，设计一个电路是选择元件并不能很快就确定好大概的范围，而
29、是需要通过仿真软件进行一点一点的修改，最后凑出一些参数的值，虽然最后仿真的结果正确，但是在实际操作的过程中有可能就因为元件的误差而得不到想要的结果，并且如果是较复杂的电路，不模拟电子技术基础课程设计24能掌握电路的基本原理和计算方法很难迅速找出对结果有较大影响的元件，会浪费大量的时间。所以在平时应该多了解一些常用的电路，熟能生巧，在练习中逐渐掌握相关的知识。收获最大的是在整个设计制作过程之中有小组成员的鼎力配合与积极应对，并且在合作中更快的学会了使用 Multisim 这一仿真软件，其中寻找元件、用线组装、用表测量等行为都让人对这个软件欲罢不能。受益匪浅。模拟电子技术基础课程设计25参考文献1 张翔,陈澄. 基于 NE5532 和 TDA2030 集成电路的音响放大器J. 电子制作，2014，14期. 2 ST 原厂资料. TDA2030. 2017.1.9. 官方网站.3 ON 公司原厂资料. LM324. 2017.1.9. 官方网站4 吴友宇. 模拟电子技术基础. 北京：科学出版社，2004.5 铃木雅臣. 晶体管电路设计M. 彭军. 北京：科学出版社，2004.
