音频功率放大器设计报告Word文档格式.docx
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四、实验步骤10
五、电路仿真结果10
5.1、第一级：
10
5.2、第二级：
12
5.3、第三级：
16
5.4、整机电路：
18
六、硬件制作，使用AltiumDesigner画出电路PCB版图：
19
七、器件清单20
八、实验数据记录和处理21
8.1、第一级测试数据：
21
8.2、第二级测试数据：
8.3、第三级测试数据：
22
8.4、整个电路测试数据：
九、实际电路测试波形：
23
十、实验结果分析:
25
十一、思考题26
十二、实验心得与体会：
28
一、实验目的及任务
实验目的：
1、了解音频功率放大器的电路组成。
2、学会综合运用所学知识，分析和解决实际问题。
3、掌握音频放大器的设计方法和调测技术。
4、增强与人交流合作能力。
实验设计任务：
设计并制作一个音频功率放大电路，负载为扬声器，阻抗8
。
要求直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，电路满足以下基本指标：
（1）频带宽度50Hz～20kHz，输出波形基本不失真；
（2）电路输出功率大于8W；
（3）输入阻抗：
≥10kΩ；
（4）放大倍数：
≥40dB；
（5）具有音调控制功能：
低音100Hz处有±
12dB的调节范围，高音10kHz处有±
12dB的调节范围；
（6）具有一定的抗干扰能力；
（7）具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好。
（9）尽量提高放大器效率；
（10）尽量降低放大器电源电压；
二、实验原理及内容
音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它主要应用于对弱音频信号的放大以及音频信号的传输增强和处理。
按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分，如图1所示。
图1音频功率放大器的组成框图
本次设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。
因为音频功率放大器的输出功率要求POM≥8W。
所以音频功率放大器的输出幅值
（V）。
所以对于整机的供电电源应该不小于正负11.3V，故供电电源可选择为正负12V。
由于设计要求整机增益不小于40dB，及100V/V。
故分配各级增益为，第一级分配18V/V，由于第一级起到调理信号以及匹配阻抗，故第一级增益不宜过大。
功率放大级分配15V/V，第二级为音调调节级，不做放大要求。
此时整机增益为270V/V，约为48dB，符合设计要求。
2.1、前置放大级
音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。
声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出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，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，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。
故前置放大器的基本功能有：
（1）是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；
（2）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。
本次设计使用集成运放作为前置放大器：
前置使用两级，运放的同相组态具有输入电阻大的优点，具有调理信号的功能，第二级作为放大级，用于放大信号。
2.2音调控制电路
音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。
音调控制电路主要分为衰减式和负反馈式两种
本设计采用负反馈式音调控制器
电路如图所示：
图2负反馈式音调控制电路图
基本原理：
其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。
电路中各元件一般要满足的关系为：
Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。
图3低音提升等效电路图及幅频响应曲线
在电路图2中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。
当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图2可简化为图3（a）。
由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。
图3（a）电路的频率响应分析如下：
图3所示的电压放大倍数表达式为：
化简后得：
所以该电路的转折频率为：
，
可见当频率
时，
；
当频率
从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；
在低音域，增益可以得到提升，最大增益为
低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3（b）所示。
（a）低音衰减等效电路图（b）低音衰减等效电路幅频响应波特图
图4低音衰减等效电路图及幅频响应曲线
同样当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图4（a）所示。
由于电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。
图4（a）电路的频率响应分析如下：
该电路的电压放大倍数表达式为：
其转折频率为：
在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为
低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图4（b）所示。
在电路给定的参数下，
。
（a）（b）
图5高音等效简化电路
同理，图2电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。
调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。
图5（a）就是工作在高音信号下的简化电路图。
为了便于分析，将图中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成△连接方式，如图5（b）。
其中
在假设条件R1=R2=R3的条件下，Ra=Rb=Rc=3R1。
如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，Rc的反馈作用将忽略不计（Rc可看成开路）。
当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图6（a）所示。
此时，该电路的电压放大倍数表达式为：
从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；
对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为
高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图6（b）所示。
（a）高音提升等效电路（b）高音提升等效电路的幅频响应波特图
图6高音提升等效电路及幅频响应曲线
当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图7（a）所示。
（a）高音衰减等效电路（b）高音衰减等效电路的幅频响应波特图
图7高音衰减等效电路及幅频响应曲线
可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。
该电路的幅频响应曲线的波特图如图7（b）所示。
（2）音调控制器的幅频特性曲线
综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如8所示。
根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。
图8音调控制电路的幅频响应波特图
2.3、功率放大器
功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。
本次设计采用集成功放TDA2030A作为基本元件。
电路如下：
2.4整机电路：
三、实验仪器
小组设计的电路板，喇叭，SBL型模拟电路实验箱、CDM8045数字式万用表、500HA指针式万用表、SP1631A函数信号发生器、CS-4125双踪示波器、WT2174A交流毫伏表。
四、实验步骤
（1）电路仿真，使用Multisim对设计出的电路原理图进行仿真，检验电路是否符合设计要求，并做出相应调整。
（2）电路设计，根据设计要求和电路原理设计并使用AltiumDesigner画出电路各级电路图。
五、电路仿真结果：
5.1第一级仿真：
1.放大倍数：
中频：
1kHz，输入有效值：
5mV
输出：
84.685mV
放大倍数A=84.685/4.999=16.9V/V
2.频率带宽：
84.687*0.707=59.878；
下限频率：
由此可判断。
下限频率在20Hz处不失真。
上限频率：
由此可知：
上限频率为：
fH=497kHz.
3.输入电阻：
输出端接地
Ri=Vi/Ii=4.999mV/50.488nA=99014=99.014k
5.2第二级仿真：
第二级属于音调调节，故只对频率响应进行仿真
1.低音提升：
R1滑动变阻器在最右端，此时在100Hz处有一个12dB的提升，而且在中频1kHz处基本没有提升。
符合要求。
2.低音衰减：
R1滑动变阻器在最左端，此时在100Hz处有一个12dB的衰减，而且在中频1kHz处基本没有衰减。
3.高音衰减
R1滑动变阻器在最左端，此时在10kHz处有一个12dB的衰减，而且在中频1kHz处基本没有衰减。
4.高音提升：
R1滑动变阻器在最右端，此时在10kHz处有一个12dB的提升，而且在中频1kHz处基本没有提升。
5.3第三级仿真：
1.放大倍数：
中频1kHz，输入幅度：
5mV。
放大倍数A=115.241/4.999=23V/V；
注：
在实际电路中使用5.1k固定电阻串联10K滑动变阻器代替15K反馈电阻，即放大倍数在0-15倍可调。
此处以15K固定电阻代之。
与第一级同理，115.241*0.707=81.475
所以下限频率fL=11Hz
上限频率：
所以上限频率fH=41kHz；
5.4整机联合仿真：
中频1kHz，输入有效值5mV；
增益：
1352/4.999=270.45V/V
20log（270.45）=48dB；
2.频率带宽
和前面相同
1.352*0.707=0.955V=955mV
故下限频率为：
fL=6Hz
故上限频率为49kHz'
七、器件清单
元件
型号
数量
LF353
2
TDA2030
1
RES
5.1K
3
7.5K
10K
22K
5
27K
100K
1K
电位器
200K
普通电容
0.01nF
1nF
0.01µ
F
0.02µ
电解电容
2.2µ
10µ
22µ
47µ
470µ
排针
4
散热片
八、实物电路数据记录和处理
输入阻抗测试：
Vs=100mV,Vi=64mV,Ri=Vi*Rs/（Vs-Vi）=17.7KὩ
输出阻抗测试：
Vo=1.8V,Vol=1.6V,Rol=20Ὡ,Ro=（Vo/Vol-1）Rl=2.5Ὡ
频率响应测试：
Vs=104.8mV,Vi=100.2mV,Ri=Vi*Rs/（Vs-Vi）=217KὩ
Vo=570mV,Vol=560mV,Rol=20Ὡ,Ro=（Vo/Vol-1）Rl=0.35Ὡ
（由于第二级为音调调节级，故有四组数据）
Vs=100mV,Vi=100mV,Ri=Vi*Rs/（Vs-Vi）≈无穷大
Vo=570mV,Vol=569mV,Rol=20Ὡ,Ro=（Vo/Vol-1）R0l=0.035Ὡ
功率测试：
Po=Vo^2/Ro≈9.28W
Vs=100mV,Vi=64mV,Ri=Vi*Rs/（Vs-Vi）=17.7KὩ
Av=Av1*Av2*Av3=238
九.实际电路测试波形：
（此波形为Excel软件生成，将实际测得数据输入Excel软件，由Excel软件生成波形）
第一级：
第二级
第三级
整体电路
根据实验测得的数据及处理得到的波形图,大致上符合仿真结果：
下面对产生的误差简要分析：
1.第一级：
a.理论输入电阻为100k,最后实际电路测量所得电阻为17.7k，误差较大，但是也符合设计要求的大于10k.此处的误差一方面是由于测量手段测量方法带来的、还有就是电路结构，可能存在实际问题，而与理论值相差过大。
b.理论设计增益为17V/V，实际为18V/V，误差较小，由于电阻具有5%的误差，影响不大。
2.第二级：
a.由仿真结果看出设计电路是正确的，满足在100Hz和10kHz处有正负12dB的衰减和提升。
b.电路的实测数据也表明设计符合要求，其存在的细微误差，是由于电位器本身的精度存在误差，而且元件有精度问题。
同时布线也可能带来部分干扰。
3.第三级：
由于仿真时使用的是15k的固定电阻，实际电路使用的是10k电位器串联上5.1k固定电阻充当反馈电阻。
实测数据为增益为13.2V/V，为电位器位置决定，基本符合要求。
4.整机电路：
由于设计增益为270V/V,约为48dB。
实际电路增益为：
238V/V，约为47.5dB。
误差不大。
此误差来源于第三级的增益，第三级的增益小于设计增益。
同时整个电路在20Hz处增益为47dB，在20KHz处为47.5dB，故带宽满足，对于音频放大器来说，频率带宽较好。
5.听音测试结果分析
听音测试中音质较好，输出功率足以驱动起8W的扬声器，声音无失真，但是稍有杂音。
调节音调级的电位器，可以明显的进行音调的高音提升与衰减，低音提升与衰减。
说明音调级工作良好。
后来经过分析杂音来源，由于单面板布线无法完全布通，再用导线连接电路时，其中一根-12V电源导线恰好搭在第二级的信号输入端的焊点上，干扰了小信号的传输，引入了噪音。
后将该导线移开，杂音明显减小。
此外，还剩余一点噪音来源于电源，再用示波器测试电源纹波时，发现电源有一个10mV，约为100Hz的纹波，给第一级输入100mV，1KHz的正弦波，测试第一级的输出波形，观察到有100Hz的低频自激。
由此断定，电源噪声干扰了电路。
对于此处的电源噪声，可以采用RC退耦网络解决，在输入端先串联10K的电阻，再并联10uF的电容，组成退耦网络，可以很好的消除噪声。
由于检测室，PCB板已成型，进行再度改善比较麻烦，而且时间也不允许，故提出解决方案。
此外，画板过程中也可能存在干扰，对于这类电路，画板布线显得尤为重要。
十一、思考题
1、对一个音频功率放大器的前置级有什么要求？
对于功率放大级有什么要求？
对音频功率放大器的前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小。
对功率放大级的要求是输出效率高，输出功率大。
2、何为D类功率放大器？
D类功率放大器有什么特点？
请列举出目前常用的D类集成音频功率放大器的芯片型号。
D类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。
D类功率放大器的特点：
具有很高的效率，通常能够达到85%以上。
体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。
无裂噪声接通。
低失真，频率响应曲线好。
外围元器件少，便于设计调试。
目前常用的D类集成音频功率放大器的芯片型号：
新日本无线公司生产的NJU8721、NJU8725,TI公司的TPA2000D4等.
雅玛哈公司的YDA131-E,Tripath公司的TA2021、TI公司的TPA2000D2,ST微电子公司的TDA7480等.路数据表中所推荐使用的MOS-FET.最近,日本三洋电机开发出了专门用于功率级的混合集成电路STK210-030.
3、试画出利用TDA2030/2030A实现的OTL功率放大器电路？
若要输出8W的功率，对电源电压有什么要求？
若要求进一步提高输出功率，TDA2030/2030A可接成BTL结构，试画出BTL电路图，并说明其工作原理。
OTL电路图：
若要输出功率8W，则要求电源电压正负绝对值不低于11.3V。
BTL电路图：
工作原理:
用两块TDA2030组成如图1所示的BTL功放电路，TDA2030
（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1进入同相输入端①脚，交流闭环增益为KVC①＝1＋R3/R2≈R3/R2≈30dB。
R3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。
TAD2030
（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA2030
（1）输出端的U01经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6反馈给反相输入端②脚，它的交流闭环增益KVC②＝R9/R7//R5≈R9/R7≈30dB。
由R9＝R5，所以TDA2030
（1）与TDA2030
（2）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·
R3/R2，U02≈－U01·
R9/R5，∵R9＝R5，∴U02＝－U01因此在扬声器上得到的交流电压应为：
U01-（-U02）＝2U01＝2U02扬声器得到的功率PY＝4PMONO
4、什么是自激振荡现象？
如果电路一旦出现自激振荡，将如何解决？
自激振荡就是内部等效元件构成正反馈产生的振荡现象，一种是人为的在放大线路中加入移相元件，如L、C，那是想要的产生的交变信号，还有一种是本来是一个正常电路，但由于设计参数不当或器件内部有寄生电容等移相元件，结果不希望出现但却发生了自己振荡使电路不能工作，比如电台伴随的啸叫。
电路出现自激震荡可以使用二极管元件限制输出最大电压。
5、如果一个音源信号的幅值为500mV，则允许该音源信号直接输入到本课题设计的音频功率放大器上吗？
直接输入将会出现什么现象？
如何解决？
不允许，直接输入将导致无法发出声音或者只有特别大的噪音。
解决方法是在输入端进行适当的分压。
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