武汉工程大学模拟电子技术课程设计.docx

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武汉工程大学模拟电子技术课程设计

目录

摘要--------------------------------------------------------------------3

Abstract----------------------------------------------------------------3

第一章绪论

1.1双声道BTL功放电路国内外发展现状与研究意义----4

1.2双声道BTL功放电路设计内容以及要求-----------------5

1.3方案设计以及方案比较---------------------------------------5

第二章系统原理框图与说明

2.1BTL功率放大电路简介---------------------------------------7

2.2BTL功放电路工作原理---------------------------------------7

2.3电路原理结构框图---------------------------------------------8

2.4BTL电路原理---------------------------------------------------8

第三章双声道BTL单元电路设计与仿真

3.1电源电路-----------------------------------------------------------9

3.2电源前置放大电路----------------------------------------------11

3.3功率放大电路----------------------------------------------------13

3.4电路仿真----------------------------------------------------------16

第四章系统测试与整机指标

4.1测试仪表---------------------------------------------------------18

4.2测试方法与数据处理------------------------------------------18

总结---------------------------------------------------------------------18

致谢------------------------------------------------------------------------19

参考文献------------------------------------------------------------------20

附录------------------------------------------------------------------------20

摘要

了解和分析BTL分立元件的输入和输出特点，归纳出构成BTL电路的一般原则，同时介绍了集成功放电路在不同用法下如何构成BTL。

在实际工作中使用起来更加方便容易。

集成功率放大器由于不仅具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便的优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。

由于集成功率放大器具有分立元件不具有的很多优点，近年来集成功率放大器件发展很快，使用相当广泛。

集成功放在实际应用中通常接成OCL电路，或OTL电路，接成BTL（BalancedTransformerLess）电路却很少，而BTL电路的优点是电源利用率比前面两种电路高4倍。

采用音频电位器控制，通过改变输入音频功放的电压大小，从而改变输出声音大小。

整体电路连接，输入小音频信号，接通电源，便可听到放大后的双声音频效果。

关键字：

BTL电路；集成功率放大器；电位器

Abstract

BTLcircuitanalysisdivisionelementandtheinputsignalandthecharacteristicsoftheoutputsignal,summarizedtheBTLcircuitconstitutethegeneralprinciple,andintroducestheintegratedamplifiercircuitdifferentusageinhowtoconstituteBTL.Inpracticalworkconvenientforoperationeasy.Integratedpoweramplifierhasnotonlybecauseofitssmallvolume,lightweight,lowcost,peripherallesscomponent,installationanddebuggingoftheadvantagesofsimpleandeasytouse;Andtheperformanceisbetterthandivisioncomponents,liketemperaturestability,lowconsumption,distortionissmall,especiallyintegratedinternalpoweramplifierissetoverheated,overelectriccurrent,overvoltageandautomaticprotectionfunctionofthecircuittocircuittomaketheirownprotection.Duetotheintegratedpoweramplifierhaselementshavedividedinrecentyearsmanyadvantages,andintegratedpoweramplifierdevicedevelopmentsoon,useverywide.SetonthepracticalapplicationofsuccessusuallytakeintoOCLcircuit,orOTLcircuit,thenintoBTL（BalancedTransformerLess）circuit,andBTLcircuitbutrarelytheadvantagesofpowerutilizationrateismorethanthefirsttwocircuitfourtimesashigh.Theaudiopotentiometer,throughthechangecontrolinputaudiopoweramplifier,whichchangestheoutputvoltagesizevoicesize.Thewholecircuitconnection,inputsmallaudiosignal,switchonthepower,andyoucanheartheaudioamplificationseeseffect.

Keywords:

BTLcircuit;integratedpoweramplifiers;potentiometer

第一章绪论

1.1双声道BTL功放电路国内外发展现状

1.中国双声道音频功放电路产业发展环境

中国双声道起步比较晚，但随后进过多年的不懈努力，已经取得了客观的成绩，从无到有，而今中国双声道功放电路产业已经在世界上占有绝大部分的市场，国内双声道音频功放产业发展较迅猛的地区主要分布在华东和华北地区。

是中国双声道功放电路产业的领航者.

2.研究双声道功率放大电路的意义

有利于大学生提高自己的动手实践能力，可以让学生知道自己所学姿势在生活中

应用，激发自己对自己专业的兴趣和爱好。

有利于培养学生团队合作能力，为以后工作

打下良好的基础的基础。

提高学生的动手实践能力。

可以更清楚地理解音响的工作原理。

从生活中学到知识。

1.2双声道BTL功放设计电路内容与要求

（1）双声道功放电路内容

1、了解双声道BTL功放电路的基本工作原理

2、完成信号双声道BTL功放电路设计并分析计算单元电路，对元器件进行选型。

3、绘制双声道BTL功放电路图

4、组装、调试双声道BTL功放电路

5、进行实物检查、设计答辩并完成设计报告

（2）双声道功放电路要求

1、在教师指导下完成双声道BTL功放电路设计

2、组装、调试信号双声道BTL功放电路

3、按指导老师要求撰写课程设计报告，画出完整的电路图

1.3方案设计与比较

方案一

新一代数字延时器电路CXA1644P是专用数字音响集成电路，它将混响效果设需的全部功能包含在集成块内。

使用运放作为前置放大电路，再由ＬＡ４１００组成功率放大器。

其原理方框图：

音频输入

方案二

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％）；在电源电压±16V，负载电阻为4Ω时输出18瓦功率（失真度≤0．5％）。

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。

该电路可供低频课程设计选用。

方案比较

综上述方案分析比较：

方案一采用的是乙类功率放大电路，乙类功率放大器在整个输入信号周期内的导通时间为50%，它的优点是在理想情况下效率可达78.5%，但缺点会产生较越失真，增加噪音。

方案二采用TDA2030集成功率放大器，具有输出功率大，失真小，且具有完善的热保护电路等优点。

基于TAD2030具有完善的热保护电路，我选择方案二

第2章系统原理框图与说明

2.1BTL放大电路简介

（Bridge-Tied-load）意为桥接式负载。

负载的两端分别接在两个放大器的输出端。

其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180°。

负载上将得到原来单端输出的2倍电压。

从理论上来讲电路的输出功率将增加4倍。

BTL电路能充分利用系统电压，因此BTL结构常应用于低电压系统或电池供电系统中。

在汽车音响中当每声道功率超过10w时，大多采用BTL形式。

BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一个放大器放大的信号都是完整的信号，只是两个放大器的输出信号反相而已。

用集成功放块构成一个BTL放大器需要一个双声道或两个单声道的功放块。

但是并不是所有的功放块都适用于BTL形式，BTL形式的几种接法也各有优劣。

典型的功放集成块有TDA2030ALM1875LM4766LM3886TDA1514等.

　　BTL（BalancedTransformerLess）电路，称为平衡桥式功放电路。

它由两组对称的OTL或OCL电路组成，扬声器接在两组OTL或OCL电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。

BTL电路的主要特点有：

可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率，但是，扬声器没有接地端，给检修工作带来不便。

　　功率放大器电路形式的判断：

可根据功放对管的输出端与扬声器的接法来判断其电路结构形式。

OTL功放电路的输出端的直流电位为电源电压的一半，扬声器一端接地，另一端通过大容量耦合电容与功放输出端相接；OCL功放电路采用双电源供电，使其输出端的直流电位为零，扬声器一端接地，另一端直接与功放输出端相接；BTL功放电路采用两个功放对，扬声器直接连接在两个功放对的输出端，不需要耦合电容。

　　为了实现单电源供电，且不用变压器和大电容，可采用桥式推挽功率放大电路，简称BTL电路。

BTL电路的优点有只需要单电源供电，（但还是有用双电源）且不用变压器和大电容，输出功率高。

缺点是所用管子数量多，很难做到管子特性理想对称，且管子总损耗大，转换效率低。

2.2BLT功放电路的组成及工作原理

OCL和OTL两种功放电路的效率虽很高，但是它们的缺点就是电源的利用率都不高，其主要原因是在输入正弦信号时，在每半个信号周期中，电路只有一个晶体管和一个电源在工作。

为了提高电源的利用率，也就是在较低电源电压的作用下，使负载获得较大的输出功率，一般采用平衡式无输出变压器电路，又称为BTL电路，如图1所示。

（1）该电路仍然为乙类推挽放大电路，利用对称互补的2个电路完成对输入信号的放大；其输出电压的幅值为：

UOM

VCC。

最大输出功率为：

（2）同OTL电路相比，同样是单电源供电，在VCC，RL相同条件下，BTL电路输出功率为OTL电路输出功率的4倍，即BTL电路电源利用率高；

（3）BTL电路的效率在理想情况下，仍近似为78.5%。

2.3电路原理框图

根据设计课题的要求，音频功率放大器主要有电源电路、前置放大电路、音量控制电路、功率放大电路等四部分构成，构成框图见图所示。

2.4根据电路设计框图和第三章各单元电路的设计，绘出如图所示的总原理电路图。

双声道功放电路原理图

第3章双声道BTL电路设计与仿真

3.1电源电路

直流电源电路有降压变压器、全波整流、滤波和稳压电路构成。

由于我们选择TDA2030作为功放管，其直流供电电压为6V18V，因此为了产生±14V的直流电源，我们选择100W的环牛变压器，输出双12V交流电，负载为8

扬声器。

整流电路，见图1.4所示：

u1正半周时，Tr1次级A点电位高于B点电位，二极管D1、D3导通，电流自上而下流过RL；u1负半周时，Tr1次级A点电位低于B点电位，二极管D2、D4导通，电流自上而下流过RL。

于是RL两端产生单方向全波脉动直流电压uo。

负载和整流二极管上的电压和电流：

负载电压：

=10.8V

负载电流：

二极管的平均电流：

=0.65A

二极管承受反向峰值电压=26.8V

电容的容量为：

C=（3～5）

≈375uF～625uF

实际电容容量考虑到滤波的效果，各项参数留出一定的余量，容量选择为2200uF或3300uF，耐压值选择为25V，整流桥耐压值选择为25V，额定电流选择为3A。

双声道BTL功放中电源电路如图1.5所示。

图1.5电源电路

此电源输出直流电压为±14V，采用双电源给TDA2030供电，其中C17和C18可以滤出高频杂波，使获得的直流电压更稳定。

3.2前置放大电路

音频功率放大器的作用是将声音输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。

由于音源的输入信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。

一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的音源信号，如果直接输入到功率放大器，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用。

假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。

所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。

前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。

由于话筒输出信号非常微弱，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。

前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，我们选用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。

根据音频信号的特点，前置放大器选择由NE5532集成运算放大器构成的电压放大器完成。

NE5532是一种双运放高性能、低噪声运算放大器，其性能指标如下：

小信号带宽：

10MHz

输出驱动能力：

600Ω，10V

输入噪声电压：

5nV/√HZ（典型值）

DC电压增益：

50000

AC电压增益：

10KHz时2200

电源带宽：

140KHz

转换速率：

9V/μS；

电源电压范围：

±3～±20V

前置放大器为左、右声道各提供一级同向比例运算放大器（电压串联负反馈电路）进行电压放大，电路如图1.6所示，放大电路具有输入阻抗高的特点，电压放大倍数为：

，电容C27、C28是去耦电容，消除高频杂波。

前置放大器的下限频率由电容C19和电阻R22决定。

3.3功率放大电路

采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组装、调试方便，成本低廉，所以本设计选用集成功放实现。

目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取SGS公司生产的TDA2030/2030A集成功放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单。

TDA2030/2030A的外引线如图1.7所示。

1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4脚为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。

电路特点是引脚和外接元件少。

其主要性能指标为：

电源电压范围为6V～18V，静态电流小于60A，频响为10Hz～140kHz，谐波失真小0.5，在VCC=14V，RL=4时，输出功率为14W，在8负载上的输出功率为9W。

图1.7TDA2030管脚图图1.8TDA2030组成的OCL功率放大器电路

由TDA2030/2030A构成的OCL功率放大器电路如图1.8所示。

该电路由TDA2030组成的负反馈电路，其交流电压放大倍数

。

二极管D1、D2起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。

R4、C2组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。

电容C1是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。

电容C3、C6是低频旁路电容，电容C5、C4是高频旁路电容。

电位器RP是音量调节电位器。

本设计为了获得更大的输出功率，采用两个TDA2030构成BTL率放大器，其中右声道的电路如图1.9所示。

U1（TDA2030）为同相比例运算放大器，输入音频信号通过交流耦合电容C3馈入同相输入端①脚，交流闭环增益为

。

R4同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。

U2（TAD2030）为反相比例运算放大器，它的输入信号是由U1输出端的U01经R10、R19分压器衰减后取得的，并经电容C9后馈给反相输入端②脚，它的交流闭环增益

。

由R15＝R10，所以U1与U2的两个输出信号U01和U02应该是幅度相等相位相反的，即：

U01≈Uin·R4/R9，U02≈－U01·R15/R19，由于R4＝R15，R9＝R19，所以U02＝－U01。

因此在扬声器上得到的交流电压应为：

UO＝U01-（-U02）＝2U01＝2U02

扬声器得到的功率按下式计算：

BTL功放电路能把单路功放的输出功率（

）扩展4倍，但实际上却受到集成电路本身功耗和最大输出电流的限制。

4）音量控制电路

本音频控制控制电路采用简单的音频电位器控制，主要是通过改变输入音频功放的电压大小，从而改变输出声音大小。

BTL功率放大器右声道电路

实物制作

TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块。

它接法简单，价格实惠。

额定功率为14W。

电源电压为±6～±18V。

输出电流大，谐波失真和交越失真小（±14V/4欧姆，THD=0.5%）。

具有优良的短路和过热保护电路。

其接法分单电源和双电源两种，实物制作如图所示但电源OTL功率放大电路。

3.4电路仿真

整流电路仿真图

输出效果图

输出电压为VCC=12，-VCC=-12，可以为TDA2030提供工作电

压。

功率放大电路仿真

第4章系统测试与整机指标

4.1测试仪器

在实验过程中用到了示波器与信号发生器，以上两种测试仪器我们在学习的过程中已经熟练掌握，通过本次课程设计跟使我们对仪器有了足够的认识。

4.2测试方法与数据处理

通过电路仿真，预先对电路进行演示，进行调试排除错误。

总结

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关BTL有关的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

过而能改，善莫大焉。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。

在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。

同时，设计让我感触很深。

使我对抽象的理论有了具体的认识。

通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法。

我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

这对于我们的将来也有很大的帮助。

以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

实验过程中，也对团队精