TDA集成功率放大器设计毕业设计.docx

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TDA集成功率放大器设计毕业设计

TDA2030集成功率放大器设计

摘要：

本设计所用的集成电路功率放大器由四片TDA2030构成，左右声道各用两片TDA2030。

包含电源电路和音调控制电路。

本设计中对多媒体有源音响的结构、电路形式和特说明，并对有源音响进行了组装和测试，实现了多媒体有源音响的电路设计。

点、流行款式作了总体介绍，并重点介绍了有源功率放大器的设计过程和方法，分析了有源音响的电路原理，对重要的集成块TDA2030的使用也作了详细介绍，并配以电路图给予

TDA2030 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的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

关键词：

声卡；信噪比；功率；失真度

The design of integrated circuits used in power amplifier TDA2030 constituted by the four left and right channels of the two with TDA2030. Contains the power supply circuit and tone control circuit. The design of multi-media audio active structure, form and characteristics of the circuit, made a general overview of popular models, and focuses on the active power amplifier design process and methods of analysis of the active principle of audio circuit, the integration of important TDA2030 block the use of detail and with given circuit diagram shows that the active audio assembly and testing carried out to achieve a multi-media audio active circuit design.

TDA 2030 is a very good performance of the power amplifier circuit, the main feature is the high rate of increase, transient intermodulation distortion of small, in dozens of popular power amplifier integrated circuit, the provisions of transient intermodulation distortion indicators only TDA 2030 includes several other. We know that the Transient intermodulation distortion is to determine the quality of an important factor in amplifier, which integrates the advantages of a major power.

Keywords:

Sound card; signal to noise ratio; power; distortion

目录

摘要---------------------------------------------------------------1

目录---------------------------------------------------------------2

第1章功率放大器--------------------------------------1

1.1功率放大器简介

1.2功率放大器的分类

1.3功率放大器的性能指标

1.4功率放大器电流放大的特点

1.5典型功率放大器的介绍

第2章TDA2030集成功率放大器设计方案论证------------------3

2.1功率放大器设计的要求及技术指标--------------------4

　　2.2功率放大器设计方案论证------------------------------4

2.3功率放大器设计内容----------------------------------4

2.4功率放大器测试内容----------------------------------4

第3章TDA2030的主要参数---------------------------------4

3.1集成功率放大器

3.2TDA2030简介------------------------------------6

3.3TDA2030主要技术指标---------------------------------7

3.4TDA2030A的内部电路——————————————————3

3.5TDA2030A集成功放的典型应用——————————————4

第4章TDA2030集成功率放大器整体电路设计-------------------7

　　4.1电路结构——————————————————————8

4.2整体电路图及工作原理——————————————————10

第5章TDA2030集成功放焊接安装与调试------------------------------10

　　5.1电路板的焊接与安装----------------------------------11

　　5.2电路板的测试-----------------------------------------12

5.2.1使用设备———————————————————13

5.2.2通电测试--------------------------------------------------13

第6章设计总结----------------------------------------------------------------------------15

第7章致谢--------------------------------------------------------------------------------16

第8章参考文献-------------------------------------------------------------------------16

第一章集成功率放大器

1.1功率放大器简介

　　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β倍，β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等于基极电流的β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β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。

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。

1.2功率放大器的分类

　　传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：

（1）数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；

（2）利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如甲类、乙类和甲乙类放大器。

从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者丙类放大器。

　　1、甲类放大器

甲类放大器的工作点设置在放大区的中间,这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态,输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）,缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时管耗PC大,电路能量转换效率低。

如图（a）

　　2、乙类放大器

　　B类放大器的主要特点是：

放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波（如图虚线部分所示），所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。

即当信号在-0.6V~0.6V之间时，

Q1Q2都无法导通而引起的。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

如图（b）

　　3、甲乙类放大器

AB类放大器的主要特点是：

晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。

可以避免交越失真。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

如图（c）

　　4丙类放大器

　　丙类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成.丙类放大或数字式放大器。

系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

　　1.具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

　　2.体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

　　3.无裂噪声接通

　　4.低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少，便于设计调试。

甲类、乙类和甲乙类放大器是模拟放大器，丙类放大器是数字放大器。

乙类和甲乙类推挽放大器比甲类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但乙类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。

而丙类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少优点。

甲乙类放大器和丙类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

1.3功率放大器的性能指标

无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。

（一）、输出功率

　　输出功率是指功放电路输送给负载的功率。

目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时注意。

　　1、额定功率（RMS）

　　它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。

经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。

很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。

　　2、最大输出功率

　　当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率

　　3、音乐输出功率（MPO）

　　音乐输出功率MPO是英文MusicPowerOutpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

　　音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。

为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。

　　4、峰值音乐输出功率（PMPO）

　　它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。

　　通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。

（二）、频率响应

　　频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。

国际规定一般音频功放的频率范围是40-16kHz±1.5dB。

　　（三）、失真

　　失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。

波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

　　（四）、动态范围

　　放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。

实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90dB。

　　自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。

　　（五）、信噪比

　　信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

　　（六）、输出阻抗和阻尼系数

　　1、输出阻抗

　　功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。

　　2、阻尼系数

　　阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。

1.4功率放大电流的特点

　　对功放电路的了解或评价，主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑。

　　1、为得到需要的输出功率，电路须选集电极功耗足够大的三极管，功放管的工作电流和集电极电压也较高。

电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。

由于电路中功放管工作状态常接近极限值，所以功放电流调整和使用时要小心，不宜超限使用。

　　2、从能耗方面考虑，功放输出的功率最终是由电源提供的，例如收音机中功放耗电要占整机的2/3，因此要十分注意提高电路效率，即输出功率与耗电功率的比值。

3、功放电路的输入信号已经几级放大，有足够强度，这会使功放管工作点大幅度移动，所以要求功放电路有较大的动态范围。

功放管的工作点选择不当，输出会有严重失真。

1.5典型功率放大器的介绍

功率放大器有双电源供电的OCL电路（无输出电容），也叫乙类互补对

功率大电路，也有单电源供电的OTL电路（无输出变压器）。

单电源供电的OTL电路，图中T1级组成前置放大器。

它工作在甲类，R1,R2,Re为它的偏置电路，T2和T3组成互补推挽电路输出级。

双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零,负载可以直接连接,不需要耦合电容,因而它具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点,但需要双电源供电,使用起来有时会感到不便,如果采用单电源供电,只需在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容C2即可。

这种电路通常又称无输出变压器的电路,简称OTL电路

通常Ui=0时，只要适当调节R2,就可以使Ic1,UB2和UB3达到所需的值，给T2,T3提供一个合适的偏置，并使k点电位Uk=Uc=Vcc/2。

当有信号Ui时，由于T1的倒相作用，在信号的负半周，T2导通,有电流流过负载RL,同时向C充电；在信号的正半周，T3导电，电容C通过负载RL放电。

设下限频率为fL,电容C的大小满足C>（5～10）/2πfLRl,则可近似认为电容C对信号短路，其两端的直电压近似为：

Uk=Vcc/2。

因此，T2,T3管的供电电压均为Vcc/2，两管交替工作，负载RL上可得到完整的正弦波。

理想情况下，Uomax≈Vcc/2.实际在Ui负半周期时，由于Rc1的存在，造成本级推动电压UB2始终小于Vcc,因此实际Uomax=Vcc/2-iBm2Rc1-UBE2。

为提高输出电压幅度使其接近Vcc/2,可采用带自举的互补推挽电路。

图3-8-2中R3,C3为自举电路，C3为自举电容，有时功放输出也可用复合管。

第2章TDA2030集成电路功率放大器设计方案论证

2.1给定条件及其性能指标

设计一款额定输出功率为10~20W的低失真集成电路功率放大器，要求电路简洁，制作方便、性能可靠。

性能主要指标：

1、输出功率：

10~20W（额定功率）；

2、频率响应：

20Hz~100kHz（≤3dB）；

3、谐波失真：

≤1％（10W,30Hz~20kHz）；

4、输出阻抗：

≤0.16Ω;

5、输入灵敏度：

600mV（1000Hz，额定输出时）

本设计还有以下基本要求:

1.设计合适的电路结构.

2.计算元器件的参数值,选择相应的元器件.

3.用EDA软件绘制电路原理图,标出所有的元器件的参数值.

4.给出基本的报表:

BOM.

2.3设计方案论证

功率放大器的作用是给某些电子设备中换能器提供一定的输出功率，如：

收

音机中的扬声器、继电器中的电感线圈等。

当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性矢量尽可能小，效量尽可能高。

功率放大器作为放大电路的输出级,具有以下几个特点:

（1）由于功率放大器的主要任务是向负载提供一定的功率,因而输出电压和电流的幅度足够大;

（2）由于输出信号幅度较大,使三极管工作在饱和区与截止区的边沿,因此输出信号存在一定程度的失真;

（3）功率放大器在输出功率的同时,三极管消耗的能量亦较大,因此,不可忽视管耗问题。

功率放大器的电路形式从工作方式分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类等。

。

（1）甲类放大器的工作点设置在放大区的中间,这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态,输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）,缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时管耗PC大,电路能量转换效率低。

（2）乙类放大器的工作点设置在截止区,这时,由于三极管的静态电流ICQ=0,所以能量转换效率高,它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大,非线性失真大。

（3）甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区,即三极管处于微导通状态,这样可以有效克服乙类放大电路的失真问题,且能量转换效率也较高,目前使用较广泛。

（4）甲类、乙类和甲乙类放大器是模拟放大器，丙类放大器是数字放大器。

乙类和甲乙类推挽放大器比甲类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但乙类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。

而丙类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少优点。

甲乙类放大器和丙类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

其特点是：

a.具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

　　b.体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

　　c.无裂噪声接通

2.4功率放大器设计内容

1．根据具体电路图计算电路参数

2．选取元件、识别和测试。

包括各类电阻、电容、变压器的数值、质量、电器性能的准确判断、解决大功率放大器散热的问题。

3．了解有关集成电路特点和性能资料情况

4．根据实际机壳大小设计1：

1印刷板布线图

5．制作印刷线路板

6．电路板焊接、调试（调试步骤可以参考《模拟电子技术实验指导书》有关放大器测试过程

7．实训期间必须遵守实训纪律、听从老师安排和注意用电安全。

2.5功率放大器测试内容

注意：

将输入电位器调到最大输入的情况。

1．测量输出电压放大倍数Au

  测试条件：

直流电源电压14v，输入信号1KHｚ70mv（振幅值100mv），输出负载电阻分别为4Ω和8Ω。

2．测量允许的最大输入信号（1KHｚ）和最大不失真输出功率

   测试条件：

①直流电源电压14v，负载电阻分别为4Ω和8Ω。

②直流电源电压10v，负载电阻为8Ω。

3．测量上、下限截止频率fH和fL

  测试条件：

直流电源电压14v，输入信号70mv（振幅值100mv），改变输入信号频率、负载电阻为8Ω。

第3章TDA2030的主要参数

3.1集成功率放大器介绍

集成功率放大器具有输出功率大、外围连接元件少、使用方便等优点,目前使用越来越广泛。

它的品种很多,本节主要以TDA2030A音频功率放大器为例加以介绍,希望读者在使用时能举一反三,灵活应用其它功率放大器件。

3.2TDA2030A简介

TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器,与其它功放相比,它的引脚和外部元件都较少。

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，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。

TDA2030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TDA2030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.

TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。

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TDA2030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TDA2030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止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。

TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。

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TDA2030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TDA2030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止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。

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中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。

TDA2030在电源电压±14V，负载电阻为4Ω时输出14瓦功率（失真度≤0．5％）；在电源电