音响放大器TDAA+NE5532Word格式.docx
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5月10-5月17
查找资料
5月19-5月25
初步拟定方案
5月25-6月10
确定方案，购买元器件
6月11-6月12
制作PCB板，焊接元件
6月13-6月19
调试、测试系统
主要参考资料
《电子线路设计·
实验·
测试》、《电子技术基础模拟部分》
《电路分析》、《高保真音响设计》
答辩成绩
指导教师评阅意见
目录
1.1设计目的1
1.2设计要求和技术指标1
第二章设计总体方案1
2.1音响模块流图1
2.2单元电路简介2
第三章单元电路设计2
3.1功率放大电路2
3.1.1集成功放TDA2030A简介2
3.1.2TDA2030A主要性能指标3
3.1.3TDA2030A集成功放电路原理说明3
3.2.1音调调节方式选择及电路图4
3.2.2低音调节5
3.2.3高音调节9
3.3低音滤波电路13
3.3.1低音滤波的作用13
3.3.2上限截止频率确定14
3.3.3滤波器选择14
3.3.4林氏滤波器参数确定14
3.4供电电源电路16
3.4.1设计方案（总体框图设计）16
3.4.2整流电路的设计16
3.4.3滤波电路的设计17
3.4.4稳压电路的设计18
3.4.5参数的选择19
第四章印制电路板制作20
4.1PCB设计软件AltiumDesigner简介20
4.2原理图设计21
4.3PCB图设计21
第五章音响测试21
5.1功能测试21
5.2性能指标测试21
结束语22
附录一音响整机电路图23
附录二音响整机PCB图24
参考文献25
第一章设计要求
1.1设计目的
1、了解集成功率放大器内部电路工作原理
2、掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法
3、掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术
1.2设计要求和技术指标
1、技术指标
2、设计要求
（1）设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级；
（2）选定元器件和参数，并设计好电路原理图；
（3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调测；
（4）测试输出功率；
（5）测试输入阻抗；
第二章设计总体方案
2.1音响模块流图
2.2单元电路简介
音源取自收音机或者MP3或者直接取自电脑。
音调调节部分采用反馈式调节的变体，这样既相对的提升衰减高低音，又可以起到前级放大的作用。
这样可以节省一块运放。
考虑到实际效果，我们运放采用“运放之星”NE5532，功放采用高性价比的TDA2030A。
高通滤波器采用林氏滤波器。
考虑到TDA2030A采用了双电源+-16V多的电源供电，选用功率比较大的6W,8Ω扬声器。
第三章单元电路设计
3.1功率放大电路
3.1.1集成功放TDA2030A简介
TDA2030A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，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。
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。
且其价格低廉、性能良好，在上世纪80年代即被广泛应用于收录机、有源音箱，为广大音频爱好者所熟知和喜爱。
图3-1-1TDA2030A引脚图
TDA2030管脚功能：
1.脚是正相输入端
2.脚是反向输入端
3.脚是负电源输入端
4.脚是功率输出端
5.脚是正电源输入端
3.1.2TDA2030A主要性能指标
表3-1TDA2030A主要性能参数
参量符号
参数
数值
单位
VS
最大供电电压
±
22
V
Vi
输入
差分输入
15
IO
最大输出电流
3。
5
A
PTOT
最大功耗
20
W
TSTG，TJ
存储和结点的温度
-40to+150
℃
S/R
转换速率
9V
uS
THD
总谐波失真
Po=0.1to9W,RL=8Ω
f=40to15kHz
0.05
%
BW
功率宽度
100
KHz
TR
热阻
3
℃/W
3.1.3TDA2030A集成功放电路原理说明
图3-1-2功放电路图
图3-1-2是低频功率放大原理图。
反相放大器的音色受音源内阻和输入阻抗影响很大，不确定因素较多，同时在稳定性上也不如同相放大器（输入端开路自激，因此决定采用同相放大器。
接成用双电源OCL形式。
电压增益Av=
=10公式（3-1-1）
C25是输入耦合电容，R33是TDA2030A反相输入端偏置电阻。
R33、R32决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益，C31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。
C20、C38为电源高频旁路电容，防止电路产生自激振荡。
R34、C32消振电路，用以接有感性负载扬声器时，保证高频稳定性。
因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可是等效负载呈阻性。
3.2音调控制电路
3.2.1音调调节方式选择及电路图
高低音调节的音调电路，根据其在整机电路中的位置，可分为衰减式、负反馈式以及衰减负反馈混合式音调控制电路三种；
由于本电路无前级放大，输入信号较小，故不采用衰减式调节。
为分析简单起见，这里我们采用反馈式音调调节方式。
图3-1-3音调调节电路
3.2.2低音调节
（1）低音衰减
当R31滑到A端时，对低频来说C26容抗很大，可看作开路。
同样C30对低频也可看作开路故低频等效电路如下。
图3-2-1低音衰减等效仿真电路
C29，C33对高频可看作短路，因此
高频增益有
=
公式（3-2-1）
中高音增益仿真结果如下
图3-2-2中高音增益
可见中高频增益基本维持在14.857dB。
低频增益有
公式（3-2-2）
则相对于中音来说低音衰减了。
低音增益仿真结果如下
图3-2-3低音区中音转折频率增益
可见中音区的低音转折频率约为249Hz。
（2）低频提升
当R31滑到B端时等效电路如下
图3-2-4低音提升等效仿真电路
对中高音C27,C33可看作短路
中高音增益有
公式（3-2-3）
中高频段增益仿真结果如下
图3-2-5中高音增益
可以看出中高频增益约为14.859dB。
低频音增益变为
=
公式（3-2-4）
则相对中频增益提高了。
图3-2-6低音区中音转折频率增益
可以看出其由提升转向平坦的转折约为366Hz。
3.2.3高音调节
（1）高音衰减
当R30滑至顶端C点时高音衰减最大，此时C27,C29,C33,C30对高频音的容抗很小可近似为开路。
则高音衰减等效电路可简化如下
图3-2-7高音衰减等效仿真电路
低频音来说C26容抗很大，故增益固定为
公式（3-2-5）
中低音增益仿真结果如下
图3-2-8低音增益
可以看出有低音提升稳在14.859dB。
而高频增益为
公式（3-2-6）
则相对于中低音衰减了
图3-2-9高音区中音转折频率增益
从图中可以看出高音区的中音转折频率约为3.555KHz。
（2）高音提升
当R30滑至最低的D点时，高频增益最大。
此时电路C27,C29对高频同样看看做短路，C33容抗很小近似看做开路，因此电路可简化如下
图3-2-10高音提升等效仿真电路
C26,C1对中低音相当于开路故
中低音增益稳定在
公式（3-2-7）
图3-2-11高音提升时中低应增益
从图中可以看出中低音增益稳定在14.859左右。
高音增益有
公式（3-2-8）
高音区的中音转折频率仿真结果如下
图3-2-12高音区的中音转折频率
从图中可以看出高音区的中音转折频率约为3.287KHz。
3.3低音滤波电路
3.3.1低音滤波的作用
（1）众所周知，音频信号频率越低、其“功率密度”越大，很多中低价位的有源音箱，负责重放200HZ---15KHZ的卫星箱通道功放仅使用国产D2030或UTC2030，而仅负责重放200HZ的低音通道要使用TDA2030A，并且一定要使用ST公司原装产品，将50HZ以下信号切除，可大大提高电源利用率和功放IC的“效率”，减少发热，为“提高”TDA2030A的输出功率打下基础。
（2）大多数5.25寸扬声器在50HZ以下失真、发热都迅速增加，切除后，可以明显降低失真。
TDA2030A输出功率和输出电流有限，要做到“物尽其用”，自然要缜密斟酌、精打细算。
因此在电路中将50HZ以下的信号用滤波器切除，以提升TDA203A的驱动能力。
3.3.2上限截止频率确定
⑴按TDA2030A的驱动能力，基本上没有人将其用于驱动5.25英寸以上扬声器单元，而5.25英寸扬声器装箱后，其-3dB下潜极少见有能达到50HZ者。
50HZ以下信号只增加音乐的深沉感，而在绝大多数使用5.25寸低音扬声器的系统中都无法实现重放50HZ，切除后完全不影响系统的低频力度、弹性完全没有影响，甚至感觉更加干净利落。
3.3.3滤波器选择
根据计算切除50HZ以下的信号巴特沃斯滤波器（Butterworth）：
最大平坦度滤波器，在通带内有平坦的幅度和一致的群延时，带阻频率滚降率一般。
贝塞尔滤波器（Bessel）：
在通带内有平坦的幅度和一致的群延时，但带阻频率滚降率低，相移非90度、180度等。
切比雪夫滤波器（Chebyshev）：
陡峭斜率滤波器，但其瞬态和相位特性都稍差，而且通带内的衰减率有纹波状的小幅度波动，带阻频率滚降率高。
林克威治-瑞利”滤波器（Linkwitz-Riley）：
这种滤波器的特点是具有高达四阶的衰减斜率，具有平坦的幅度和相位响应。
巴特沃斯滤波器和林克威治-瑞利滤波器相比：
巴特沃斯滤波器很容易实现归一化设计，但需两级二阶级连成4阶24DB/OCT；
而林克威治-瑞利滤波器特性就是24DB/OCT。
长期以来，在音箱设计者的圈子里，林克威茨（linkwitz）的名字可以说无人并不知。
所有的音箱制造商在他们引以为豪的家做中，几乎无一不用到林克威茨滤波器，因此采用林氏滤波器。
3.3.4林氏滤波器参数确定
公式（3-3-1）
这里我们采用辅助软件来计算
图3-3-1高通滤波电路参数设定
为了改善Q值，我们改变使R1,R2取不同值
3.3.5滤波器幅频特性仿真分析
图3-3-2高通滤波仿真电路
图3-3-3高通滤波幅频特性图
3.4供电电源电路
3.4.1设计方案（总体框图设计）
稳压电源的功能及组成
图3-4-1电源单元设计流图
电源变压器:
将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2；
整流电路:
将交流电压u2变为脉动的直流电压；
滤波电路:
将脉动直流电压转变为平滑的直流电压；
稳压电路:
清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。
在这个课程设计中取U2=12V,I2=0.5A，变压器副边电压P2≥I2U2=6W，为留有余地选择12V/20W的变压器。
3.4.2整流电路的设计
单相桥式整流电路
图3-4-2整流电路
负载电压u0的平均值:
uo=1/2π∫20π
sinwtd（wt）=0.9u2公式（3-4-1）
负载上的（平均）电流:
i0=
公式（3-4-2）
每个二极管只有半周导通,流过每只整流二极管的平均电流iD是负载平均电流的一半。
iD=
公式（3-4-3）
二极管截止时两端承受的最大反向电压：
uDRM=
u2公式（3-4-3）
3.4.3滤波电路的设计
滤波原理:
交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。
滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性,将电容与负载RL并联（或将电感与负载RL串联），滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。
图3-4-3滤波电路
RL接入时,电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，u0会逐渐下降。
电容滤波电路的特点：
（a）uL与RLC的关系：
RLC愈大C放电愈慢uL（平均值）愈大
一般取：
RLC≥（3-5）T/2（T:
电源电压的周期）近似估算:
uL=1.2u2公式（3-4-3）
（b）流过二极管瞬时电流很大
整流管导电时间越短iD的峰值电流越大
（c）输出特性（外特性）
输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,uo和S也随之改变。
如:
RL愈小（iL越大）,uo下降多,S增大。
结论：
电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。
3.4.4稳压电路的设计
图3-4-4压作用示意图
稳压器:
W78系列（输出正电压）；
W79系列（输出负电压）。
输出为固定正负电压时的接法如图下图所示。
图3-4-5稳压电路
3.4.5参数的选择
（1）变压器参数的计算：
电源变压器的效率电源变压器是将220V，50HZ交流电压降压后输出到副边。
公式（3-4-4）
其中：
是变压器副边的功率，
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示：
表1小型变压器的效率
副边功率
<
10W
10-30W
30-80W
80-200W
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此，当算出了副边功率
后，就可以根据上表算出原边功率
。
在这个课程设计中取U2=12V,I2=0.5A，变压器副边电压P2≥I2U2=6W，则
=10W为留有余地选择12V/15W的变压器。
（2）滤波电容的参数计算:
滤波电容的容量可由下式估算：
C=
公式（3-4-5）
式中ΔVip-p—稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；
T—电容C放电时间，t=
=0.01S；
公式（3-4-6）
IC—电容C放电电流，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于1.4V2。
在本实验中Sr=
式中，Vo=9V、Vi=12V、ΔVop-p=5mV、Sr=0.005
则ΔVi=
=1.33V公式（3-4-7）
所以滤波电容C=ICt/ΔVip-p=Iomaxt/ΔVip-p=0.003750F，C的耐压值应大于1.4V2=14v。
由于之前模电实验可知，我们在实际制作过程中采用4700μF的电容滤波效果就比较好了，所以此实验中我们也选择4700μF的电容。
（3）稳压器的选择
78×
×
系列和79×
系列为固定式三端稳压器，可分别输出正电压和负电压。
此实验中，稳压器选择LM7809、LM7909。
图3-4-6源电路全图
第四章印制电路板制作
4.1PCB设计软件AltiumDesigner简介
Altiumdesigner是altium公司开发的一款电子设计自动化软件，用于原理图、PCB、FPGA设计。
结合了板级设计与FPGA设计。
2005年之前叫做Protel。
收购来的PCAD及TASKKING成为了altiumdesigner的一部分。
2009年推出altiumdesignerwinter09。
在高速电路板布线方面，可进行差分对布线。
大型电路布线时处理速度较pads慢。
AltiumDesigner提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。
AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。
并集成了现代设计数据管理功能,使得AltiumDesigner成为电子产品开发的完整解决方案－一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。
4.2原理图设计
为了防止电源的交流噪声对功放的干扰，我们把电路做成两个模块，把电源模块独立出来。
4.3PCB图设计
PCB板排布，音频功放从信号频率来讲属低频电路，因此地线设计应遵循分布走线、一点接地，避免强弱信号相互调制，同时注意信号走向，高、低压信号隔离。
第五章音响测试
5.1功能测试
将音量调到最大，低音，高音无衰减提升，基本上没有出现破音，与普通有源音箱相比，音质更胜一寿。
通过打碎玻璃等音乐测试，我们制作的音响，低音更重，层次感更强。
由于我们的音响功率比较大响度是一般有源音箱的1.5倍左右。
调节高音旋钮可以明显感觉得到高音的提升，衰减。
低音的衰减提升更是可以明显感觉得到。
因为我们此次购买的样式器灵敏度过高，低音稍重就会出现震动异常强烈，产生浑浊的低音，对音质音响很大。
当然这种失真是出在扬声器上，而非功放上。
音量调节旋钮，可以起到非常明显的音量调控作用。
5.2性能指标测试
（1）额定功率测试：
音响放大器输出失真度小于某一数值（一般<
5％）时的最大功率称为额定功率。
测试PO的条件如下：
将信号发生器的频率FI设为1KHz，电压VI=5mV，音调控制器R30,R31均置于中间，音调控制电位器R22置于最大，用双踪示波器观察VI及VO的波形，失真度测量仪监测VO的波形失真。
测量PO步骤如下：
功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（与扬声器阻值相同），逐渐增大输入电压VI，直到VO的波形刚好出现削波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压由式（5-1）可算出额定功率PO
公式（5-1）
式中，
为额定负载阻抗；
Vo为
两段最大不失真电压。
经反复测量PO=13W。
（2）输入阻抗：
4K。
（3）输入失调电压：
0.5mV。
结束语
这次模拟电路课程设计，让我受益匪浅。
我对电路系统的整个制作流程有了初步的了解：
由原理设计到仿真验证到制作PCB板到电路调试。
整个过程都充满乐趣，但对于从未做过电路系统的我来说整个过程也是充满挑战。
原理图的设计并不能仅仅用书上已有的原理来设计，虽然理论上可行，但是还要考虑到实际应用时的诸多因素。
这就迫使我去网上查找相关资料，迁移运用已经掌握的基础知识。
仿真分析的强大辅助作用在这次音响制作中体现的淋漓尽致，让我深刻的意识到掌握先进的工具软件对产品的设计开发是多么的重要。
制作PCB板更是一件非常有成就感的流程。
考虑到第一次手工制版，我没有采用双层板而是采用单层板，这无疑增加了布线的难度。
经过我的三次布局，最终得到了非常满意的效果—美观，走线短。
调试的过程中出现了一些小意外，NE5532的正负电源在绘制原理图是就画反了，因此接通电源后运放就发烫烧毁。
排除了故障源后我们的音响效果还是非常令人满意的。
可以比得上普通的2.0音响，这让我对电子制作的兴趣激增。
最后我得感谢队友的协助，李老师的耐心解答，网友热带的企鹅的无私帮助。
附录一音响整机电路图
附录二音响整机PCB图
参考文献
[1]康光华[M].电子技术（第五版）.北京：
高等教育出版社，1988:
325~516
[2]谢自美[M].电子线路设计.实验.测试（第三版）.武汉：
华中科技大学出版社，2000:
155~173
[3]邱关源[M].电路分析（第五版）.北京.高等教育出版社，2006:
279~295
[4]肖景和，赵健[M].高保真音响设计.北京.人民邮电出版社，2000：
58~72
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