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音频功率放大器的设计
信息职业技术学院
毕业设计说明书（论文）
设计（论文）题目:
音频功率放大器的设计
专业:
应用电子技术
班级:
应电08-2
学号:
姓名:
指导教师:
二〇一〇年十二月十日
目 录
摘 要
在现代音频普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，对相同电气指标的音频设备得出不同的评价。
所以，就高效率音频功率放大器而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。
音频放大器的发展已经有快要一个世纪的历史了，从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止，它还在不断的更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要一种，也是最基本的一种。
为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断的加以改进。
音频功率放大器是音频系统中最重要的组成部分，它的作用是对各种音源设备送来的微弱音频信号进行放大，并进行控制、加工和处理,使其达到一定的功率，去推动扬声器音箱发出声音。
而音频功率放大器一般由前置放大器、推动级、功率输出级组成，也简称功放。
在设计中采用了TDA2030功放芯片，使电路的可靠性提高。
本文介绍了家用功放的基本结构及工作原理，设计了一款具有音调控制，适用于家用的简易音频放大器，并介绍了主要性能参数的测试方法。
关键词低音控制；高音控制；音频功率放大器
第1章 绪论
音频放大器也叫功率放大器，其作用是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，产生足够大的电流驱动扬声器发声。
早在60年代以前，电子管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用A类（甲类）或AB类（甲乙类），并由变压器与负载偶合。
这一趋势，随着半导体技术的发展，可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。
随后，使用锗器件的设计首先出现，但是锗管由于在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难，热逃逸这个词由此诞生。
之后硅材料的NPN型半导体管出现，在一段时期里，绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖于输入和输出变压器进行偶合。
显然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，再加上其低频和高频相移，严重地限制了可安全使用的负反馈量，从而增加了其伤害性。
后来，人们已认识到在功率晶体管和8Ω扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变压器了。
于是出现了无变压器的Lin氏电路组合，从而构成了准互补输出级。
因为当时已有相当不错的PNP激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成NPN型管，合适的互补功率器件，出现在60年代后期。
这时，全互补输出级立刻证明了它比准互补电路具有失真较小的优点。
大约在同一时期．由于晶体管差放对已成为人们熟悉的电路单元，直流偶合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。
根据现在人们消费和生活质量的提高，对音频功率放大器的要求也相对有了更高的基准，一个新型高效率音频功率放大器可以带来很高的效益，所以有很多的企业投入到了对高效率音频功率放大器的设计中。
下面是一个有关D类放大器的高效率音频功率放大器。
功放的主要性能指标有输出功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻抗，阻尼系数等。
输出功率：
是指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。
峰值功率：
是指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率。
额定输出功率：
当谐波失真度为10%时的平均输出功率。
也称做最大有用功率。
频率响应：
表示功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。
频响曲线的平直与否一般用分贝“dB”表示。
家用HI-FI功放的频响一般为20HZ～20KHZ正负1Db。
这个范围越宽越好。
失真度：
理想的功放应该是把输入的信号放大后，毫无改变的忠实还原出来。
但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较，往往产生了不同程度的畸变，这个畸变就是失真。
用百分比表示，其数值越小越好。
HI-FI功放的总失真在0.03%～0.05%之间。
功放的失真有谐波失真、互调失真、交叉失真、削波失真、瞬态失真、瞬态互调失真等。
信噪比：
是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比，用“dB”表示，这个数值越大越好。
一般家用HI-FI功放的信噪比在60dB以上。
输出阻抗：
对扬声器所呈现的等效内阻。
第2章 方案设计
按信号处理方式分类，音频放大器可以分为模拟功放和数字功放。
本设计提供了基于D类数字功放和模拟功放TDA2030实现的两种方案。
2.1方案选择
2.1.1功放类型的选择
方案一：
采用A类、B类、AB类功率放大器。
这几种放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中，它按输入音频信号的大小控制着输出信号，但自身也在消耗电能。
A类功率放大器的特点是线性好、失真小且失真成分以偶次谐波为主，通常需要偏置电压才能工作，能量转换效率很低，输出功率一般较小并且理论效率只有50%，所以不行。
B类功率放大器虽然不需要偏置电压，靠信号本身来导通放大管，理论效率可达78.5%，但电路在小信号时失真严重。
通常，在电路中略加一点偏置形成AB类功率放大器，虽然效率略有下降，但保真度高、小信号时失真减弱。
方案二：
采用D类功率放大器。
D类功率放大器基本构成框图如2-1所示，它是用音频信号的幅度调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。
由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率（理论上为100%，实际电路可以达到80%～95%），但D类功放也有不足之处，就是保真度低、输出音质较差，所以一般应用于手持式设备（如手机、PDA等）。
图2-1D类音频功率放大器基本构成图
以上两个方案中，D类音频功放虽然具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等特点，但保真度不及传统功放。
传统的模拟音频功放保真度高，但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备。
本设计选用第一种方案，以性价比较高、音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的集成功放TDA2030为核心设计相关硬件。
2.1.2实现电路的选择
首先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前逐级计算。
基于模拟功放TDA2030的音频放大器如图2-2所示，主要由电源模块、前置放大模块、音量控制模块及功率放大模块和扬声器组成。
图2-2基本组成框图
各部分的基本功能如下：
1.前置放大模块
前置放大模块是把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。
它具有两个功能：
一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。
其基本组成由音源选择、输入放大和音质控制等电路。
2.音量控制模块
音量控制模块是将前置放大后的信号通过电位器来控制TDA2030A芯片的输入信号的大小，用来控制整个音量的大小。
3.功率放大模块
给音频放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。
当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。
2.2方案论证
根据方案规划及任务指标设计基本组成框图，如图2-3所示。
图2-3音频放大器的基本组成框图
首先电源模块经整流滤波后，为前置放大器LM324和功率放大器TDA2030提供±12V的双电源，将音频信号分别输入到左右输入端，信号经前置放大器对电压和电流进行放大，同时对信号进行高低音的提升或衰减控制，输出信号经音量控制电位器对功率放大器的输入信号进行大小调节，最后信号经功率放大器输出后幅度为4V的音频信号，驱动扬声器工作。
第3章 单元模块设计
3.1前置放大模块设计
前置放大模块基本组成是有输入放大和音质控制等电路。
其作用一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。
这里的前置电路是由集成运放和外围元件组成的。
3.1.1集成运放
集成运放的应用十分广泛，包括模拟信号的产生、放大、滤波以及进行各种线性和非线性的处理。
集成运放的种类很多，而且每块集成电路根据引脚的数量不同而集成的运放的个数不同，有单片集成电路集成四个运放的，如LM324、TLC27M4、UPC324C、LF347N、LM2902N等，也有单片集成电路集成一个运放的，如UA741、UA709、LM301、LM308、TD07、LF356、OP07、OP37、MAX427等。
集成运放可以用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路，例如比例、加减、积分和微分、对数和指数、乘除等运算电路。
由于放大电路只限于放大音频输入信号，且放大倍数也不高，因此采用单片集成电路集成四个运放的LM324较为合适。
3.1.2LM324简介
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，其引脚图和实物图如图3-1和引脚功能如表3-1所示。
a）引脚图b）实物图
图3-1LM324的引脚图和实物图
表3-1LM324引脚功能表
引脚
功能
引脚
功能
1
输出1
8
输出3
2
反向输入1
9
反向输入3
3
正向输入1
10
正向输入3
4
电源
11
接地
5
正向输入2
12
正向输入4
6
反向输入2
13
反向输入4
7
输出2
14
输出4
LM324内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。
电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1.5V～±15V工作。
它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。
每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM124、LM224和LM324引脚功能及内部电路完全一致。
LM124是军品，LM224为工业品，而LM324为民品。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。
3.1.3输入放大电路
1.电路原理图
前置放大电路可以用晶体管也可采用集成运放来完成。
本文中采用集成运放并采用双电源供电，电路原理图如图3-2所示。
2.参数计算与元件选择
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R12、R11决定：
Av=-R11/R12。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图3-2中所给数值，Av=-2。
此电路输入电阻为R12。
一般情况下先取R12与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定R11。
C16和C12为级间耦合电容。
集成运放交流放大器只放大交流信号，输出信号受运放本身的失调影响较小，因此不需要调零。
没有必要加接调零电路。
图3-2同相输入放大电路
元件的选择：
R12取10KΩ，由Av=-R11/R12可知R11取100KΩ，R13为平衡电阻，根据平衡电阻的概念，R13=R12//R11=1KΩ的电阻，C16一般取几微法，本文中取4.7μF/25V的电解电容。
综上所述,四个前置放大器都用运放来完成，因此可用一个单片集成电路集成四个运放的集成运放，这类型的常用四运放也很多，如UPC324C、TLC27M4、LF347N、LM324等，本文中就选取LM324作为前置放大器。
3.1.4音调控制电路
负反馈式高低音调节的音调控制电路比较简单，图中只画出了一个声道的电路,如图3-3所示。
不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值如表3-1所示。
所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某种效果或补偿扬声器系统及放音场所的音频不足。
音调控制电路用以改变放大器的频率特性，补偿整个放音系统频率特性的偏差，也用来满足听从对音色的不同需要。
音调处理电路的基础是各种形式的滤波器。
正是这些滤波器构成了音频电路中的音调控制器。
音频器件中无论是简单的单调处理电路还是复杂的均衡器，均由各种有源或无源滤波器组成。
利用这些滤波电路，可以组成各种高通、低通滤波器和带通滤波器，以抑制电路中不需要的频率并通过所选择的频率。
音调控制电路用来对音频信号各频段内的信号进行提升或衰减，调节输入信号的低频、中频、高频成分的比例，改变前置放大器的频率特性，以补偿音频系统各环节的频率失真，或满足听者对音色的爱好和需求。
图3-3负反馈高低音调节的音调控制电路
表3-1不同电容量在低音、中音、高音时的容抗值
音调
频率F/（Hz）
C21=0.015μF时的XC1
C30=1500pF时的XC2
低音
100Hz
106KΩ
1600KΩ
中音
1kHz
10.6KΩ
106KΩ
高音
10kKHz
1.06KΩ
10.6KΩ
音调控制是指调节反馈网络的频率特性，使它对音频信号的高、低频率成分产生不同程度的反馈或衰减网络的频率特性，从而达到改变电路频率响应特性之目的。
常用的音调控制电路只有高音和低音频段两个控制电路，可以对高、低频成分进行提升或衰减的控制。
1.低音控制电路的工作原理
图中C21、C30的容量大于C24，对于低音信号C21与C30可视为开路，而对于高音信号C24可视为短路。
低音调节时，当W1滑臂到左端时，C21被短路，C30对低音信号容抗很大，可视为开路；低音信号经过R23直接送入运放，输入量最大；而低音输出则经过R19、W1负反馈送入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大；当W1滑臂到右端时，则刚好与上述情形相反，因而低音衰减最大。
不论W1的滑臂怎样滑动，因为C21、C30对高音信号可视为是短路的，所以此时对高音信号无任何影响。
2.高音控制电路的工作原理
高音调节时，当W2滑臂到左端时，因C24对高音信号可视为短路，高音信号经过W2、C24直接送入运放，输入量最大；而高音输出则经过W2、C24负反馈送入运放，负反馈量最小，因而高音提升最大；当W2滑臂到右端时，则刚好相反，因而高音衰减最大。
不论W2的滑臂怎样滑动，因为C24对中低音信号可视为是开路的，所以此时对中低音信号无任何影响。
3.2音量控制模块
音量控制模块作用是控制输入到功率放大器的信号幅度，常用的音量控制电路有分压式音量控制电路和电子音量控制电路两种。
如图3-4所示。
图中只画出了一个声道的分压式音量控制电路。
图3-4音量控制电路
图3-4，W5是音量电位器，滑动端将W5分为前后（R1、R2）两部分，输入电压取前部分R2的电压。
调节W5滑动端的位置即可改变输入电压的大小。
W5滑动端滑到最下端时，R1=W5，Uo=0，音量为零。
W5滑动端滑到最上端时，Ui=Uo，输入电压全部输入到功率放大器中，音量最大。
3.3功放模块
功率放大器是音频系统中一个不可缺少的重要部分，其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载如扬声器、音箱等。
不同于前置放大器的功率放大器不仅对音频电压信号进行放大，而且放大了音频电流信号，以满足外接负载的功率需求。
音频功率放大器的类型很多，根据使用的器件不同，为纯电子管、晶体管、集成电路、场效应管功率放大器。
一般认为电子管功率放大器（俗称胆机）的音色优于晶体管功率放大器音色。
晶体管放大器的频响宽，低频可延伸至直流，是目前输出功率最大的功率放大器。
场效应管功率放大器的音色是晶体管机中音色最好的一种。
集成电路功率放大器则以其制作简单、性能稳定、功能齐全、价格低廉而使其成为数量最多的一种。
TDA2030集成音频功率放大器就是其中的一种。
本文中就选取TDA2030集成音频功率放大器做为功放电路。
3.3.1TDA2030简介
1.引脚排列（如图3-5所示）
图3-5TDA2030引脚图
图中，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。
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。
瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，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在内的几种该集成功放。
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。
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的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。
在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。
是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。
2.主要参数
表3-2TDA2030主要参数
参数名称
符号
单位
参数最小
典型
最大
测试条件
电源电压
Vcc
V
±6
±14
±18
静态电流
Icc
mA
40
60
Vcc=±18V，RL=4欧
输出功率
Po
W
12
14
RL=4，THD=0.5%
W
8
9
RL=8，THD=0.5%
频响
BW
Hz
10
140KΩ
Po=12w，RL=4，
输入阻抗
Ri
M
0.5
5
开环，ƒ=1KΩHz
谐波失真
THD
%
0.2
0.5
Po=0.1-12W，RL=4
3.3.2TDA2030应用电路
由设计的框图可知，本级的放大倍数为4V/100mv=40倍，相应的电压增益为44dB。
为了提高电路的稳定性，电路的反馈采用电压串联负反馈。
负回馈之所以能够改善放大电路的多方面性能，归根结底是由将电路的输出量引回到输入端与输入量进行比较，从而随时对输出量进行调整。
反馈愈深，即︱1+AF︱的值愈大，这种作用愈强，对电路性能的改善愈为有益。
但是︱1+AF︱的值愈大，增益下降愈多。
由此可见，负反馈对放大电路性能的改善是以牺牲增益为代价的。
该电路闭环增益可由下式估算：
Au=1+R6/R7
由上式可知：
Au=1+R6/R7=40
根据设计任务本次TDA2030采用正负双电源供电，画出相应的电路图，如图3-6所示。
图3-6功放电路基本原理
R7一般取几百欧到几千欧，本次R7取标称值为1KΩ，则R6为39KΩ，取标称值为39KΩ的电阻。
C5的作用使电路的直流工作状态采用100%的负反馈，即直流增益为1，所以工作点非常稳定。
C5一般取几十微法，本文中取为22μF、耐压为50v的铝电解电容。
R9和C7组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管，同时具有改善扬声响应，消除自激振荡的功效。
R9一般取几欧到几十欧，本次取1.5Ω的碳膜电阻。
C7一般取零点零几微法到零点几微法本次取容量为0.1μF耐压63V的涤纶电容。
C6为耦合电容，取容量为2.2μF耐压50V的铝电解电容。
R8为芯片输入级偏置电阻，为输入端提供直流通路，一般取几十千欧，本次取阻值为39KΩ的碳膜电阻。
为了使运放电路更稳定的工作，还需要在运放的正负电源端与地之间分别接几十到上百微法的电解电容和0.01-0.1μF的电容用来旁路非直流信号。
但由于在后面要设计的电源电路中有了这样的旁路电容，所以在集成运放的电源输入端就不需要这类的电容了。
3.3.3级间耦合电容的选择
考虑到功放电路通常设有前置放大电路，且常用阻容耦合方式，在选取这类电容时应留有裕量。
本次设计除了功放电路外前面还有一二级前置放大电路。
因此多级电路下限截止频率通常由下式计算：
ƒL=1.1
设每级下限截止频率相同，则一二级前置放大电路、功放电路的各级下限频率为：
ƒL′=ƒL/（1.1
）≈18.18HZ
忽略前一级输出电阻，则
C=（3～10）/（2
Ri׃L′）
=（3～10）/（2
×10×1000×18.18）
=（3～10）×0.8758μF
=2.627μF～8.758μF
本文中C6取标称值为4.7μF，耐压为50V的铝电解电容。
因此本文中所有的级间耦合电容都取取4.7μF，两端的电压为VCC，本文中选取耐压为50V的铝电解电容。
3.4电源模块
3.4.1电源电路的系统结构
图3-7电源电路组成框图
很多常见的电子设备中都需要直流电源供电，小功率不间断时可以用电池供电，而在很多很多场合电池就无法满足供电需求，此时就要用直流电源来供电。
直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路等构成，其结构框图如图3-7所示。
本文中设计的电源为±12V双电源输出，最大输出电流为1.5A。
滤波电路通常由电容、电感等电抗性元件组成。
利用电容两端不能突变和流过电感的电流不能突变的特点，把电容和负载并联或电感和负载串联都可以实现滤波，使输出的电压纹波变得平滑。
电容组成的滤波器电路简单、输出直流电压较高、纹波较小，作为小功率直流电源。
电感带负载能力强，但成本高、易引起电磁干扰等，适用于低电压、大电流场合。
因此本文中选用电容作为电源滤波器。
整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流电路等几类。
整流电路是根据二极管的意向导电性来实现的。
本文中就选取桥式整流电路作为电源的整流电路。
电源指示电路是由一个LED灯和一个限流电阻构成的，其作用就是通过LED灯来判断电源电路的好坏。
3.4.2电源电路
根据要求使输出的电压值为12V，电流值为最大1.5A，其参数为Uo=11.5V～12.5V，Iomax=1.5A。
电源电路如图3-8所示。
图3-8电源电路
整流电路选取两两并联的二极管桥式整流电路，取IN4007，其参数为耐压为1000V，整流电路为1A，电路如图3-9所示。
图3-9整流电路
变压器的选取：
估算由于滤波后的电压为滤波前的1.2倍，因此变压器的输出范围应为14/1.2～35/1.2V=12～30V，不忽略整流二极管的管压降时，输入电压约为13～31V。
由于电容滤波后的电压为滤波前的确1.2倍，加上整流管的压降，综合上述考滤，输入电压约为：
14/1.2+0.7～35/1.2+0.7=13～31V
故本文中选取的电源变压器为中间带有抽头的变压器。
如图3-10所示。
图3-10电源变压器
其参数为输入电压为220V/50Hz，两端的任何一端和中间抽头之间的电压为12V，两端的端电压为12V/1.5A，功率为12×1.5=18W的变压器。
若效率为70%，则功率应这25.7W的铁芯变压器。
滤波电容的选取：
滤波电容可由下式估算
C≥〔（3～5）T〕/（2RL）
式中，T为市电周期，T=0.02s。
电容耐压值的估算：
UCN=（1.5～2）U2，U2为变压器的二次电压。
根据公式
UCN≥（1.5～2）U2
本文中选取1000μF由于变压器的输出电压为25.7V，每个电容两端的电压约为12V，则C10的耐压应为（1.5～2）U2，UCN=22.5～30V，故本文中的C10、C11应选取容量为1000μF，耐压为35V的铝电解电容。
C8、C9一般用高频特性较好的磁介电容，一般取0.1μF。
第4章 电路仿真
本设计采用的是软件Mulitisim10.0来进行的仿真，首先按照音频功率放大器的设计原理图在仿真软件中连接原理图，并连接原理图的过程中注意元件的参数设置。
在Mulitisim10.0仿真软件中连接好原理图后，设置好参数，经过电气规则检测无误，然
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