音频功率放大器设计TDA模电课设要点.docx
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音频功率放大器设计TDA模电课设要点
学号：
课程设计
题目
高保真音频功率放大器设计
学院
专业
班级
姓名
指导教师
年
月
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
高保真音频功率放大器设计
初始条件：
可选元件：
集成功放LA4100或LA4102；集成功放4430；集成功放TD2030；集成功放TDA2004、2009；集成功放TA7240AP（集成功放的选择应满足技术指标）。
电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。
直流电源±12V，或自备电源。
可用仪器：
示波器，万用表，毫伏表
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：
OCL、OTL或BTL电路。
完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。
（2）设计要求
输出功率10W/8Ω；
频率响应20~20KHz；
效率>60﹪；
失真小。
选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（选做：
用PSPICE或EWB软件完成仿真）
安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
时间安排：
1、年月日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、年月日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。
2、年月日至年月日，方案选择和电路设计。
2、年月日至年月日，电路调试和设计说明书撰写。
3、年月日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
本文设计的高保真音频功率放大器，带八欧负载，输出功率可达10W，整体电路分为四级：
电源、前置放大电路、音调调节电路、功率放大电路；正负电源用7815和7915设计，前置放大和音调调节电路用NE5532设计，功率放大电路用TDA2030设计，制作和调试后，各项指标已实现。
关键字：
音频功率放大器，音调调节，TDA2030，NE5532。
1设计内容及技术参数指标
1.1设计内容
本次课程设计内容为设计一个高保真音频功率放大器。
根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：
OCL、OTL或BTL电路。
完成对高保真音频功率放大器的设计、装配与调试。
1.2设计要求和技术参数
输出功率10W/8Ω；
②频率响应20~20KHz；
③效率>60﹪；
④失真小。
2方案论证及电路框图
2.1方案论证
对高保真音频功率放大器可选以下方案:
方案一：
无输出耦合电容的分立元件低功放
分立元件低功放可分输入级,偏置中间级和功率输出级三部分组成。
为保证低频响应电路中采用直接耦合。
采用基极分压式射极偏置电路，这对提高线性，降低波形失真起到很大的作用。
末级输出电路工作在甲乙类状态，这既保证了线性不失真放大，又可使效率达到指标。
方案二：
直接耦合集成功放电路
利用集成运放搭建输入级，中间级和输出级。
优点是采用集成功放，电路总体噪声小，可操作性好。
方案选择：
对于这两种方案均可达到实验目的要求,但对于实际操作性和简易复杂度,以及成本高低，信号失真度选择方案二更优越一些。
2.2电路框图
本设计采用四级电路完成设计目标，分别为电源，前置放大电路，音调调节电路，功率放大电路，总体模块如图2.2所示。
图2.2总体方案设计
3单元模块设计与参数计算
3.1电源模块
根据输出功率，决定采用正负15V电源供电，这里采用常用线性稳压芯片7815和7915【1】设计，输出稳定，文波小。
电路图如图3.1所示。
图3.1电源电路图
本课程设计重点在于功率放大的实现，因此电源部分不做详细分析。
3.2前置放大电路
3.2.1设计的必要性
输入音频信号的幅值约为5mV，输出功率要求10W，输出幅值约为10V，放大倍数约为2000，而功率放大电路主要提高带负载能力，其放大倍数有限，因此必须设计前置放大电路。
3.2.2芯片选择
作为音频前置放大，主要完成对一定频率范围内信号的放大，要求芯片的增益带宽积【2】要大，信号失真度小，噪声小，本身功耗低，经选择查找本设计采用NE5532实现前置放大，NE5532主要参数如下：
供电电压VCC±3～±20V
增益带宽积10Hz
噪声Vn
以上参数满足要求。
设计电路如图3.2.2所示
图3.2.2前置放大电路
NE5532构成反相比例放大器，放大倍数为：
放大倍数1～50可调。
3.3音调调节电路
3.3.1功能
音乐的高音低音，主要是信号频率不同，该电路可以实现对不同频率信号的衰减和放大，具有高音调节和低音调节的功能。
3.3.2电路
该电路由运放NE5532和RC滤波网络【3】构成，电图如图3.3.2所示。
图3.3.2音调调节电路
3.3.3原理说明
图3.3.2所示为负反馈式高低音调节的音调控制电路。
该电路调试方便、信噪比高，目前大多数的普及型功放都采用这种电路。
图中C2、C3的容量大于C4、C5，对于低音信号C2与C3可视为开路，而对于高音信号C4、C5可视为短路。
低音调节时，当R4滑臂到左端时，C2被短路，C3对低音信号容抗很大，可视为开路；低音信号经过R5、R7直接送入运放，输入量最大；而低音输出则经过R6、R4、R7负反馈送入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大；当R4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R4的滑臂怎样滑动，因为C2、C3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。
高音调节时，当R9滑臂到左端时，因C4、C5对高音信号可视为短路，高音信号经过R8、C4直接送入运放，输入量最大；而高音输出则经过R8、R9、C5负反馈送入运放，负反馈量最小，因而高音提升最大；当R9滑臂到右端时，则刚好相反，因而高音衰减最大。
不论R9的滑臂怎样滑动，因为C4、C5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。
普及型功放一般都使用这种音调处理电路。
使用时必须注意的是，为避免前级电路对音调调节的影响，接入的前级电路的输出阻抗必需尽可能地小，应与本级电路输入阻抗互相匹配【4】，或本级输入电阻尽可能大。
3.4功率放大电路
3.4.1方案选择
由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。
TDA2030/2030A集成功放【5】，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，但在实际使用的过程中一定要注意，加上散热片，否则，TDA2030很快就会由于温度过高而停止工作！
如图3.4.1（a）、3.4.1（b）所示，TDA2030在双电源供电时有两种连接电路OCL电路和BTL电路，当供电电压为±16V，RL=8Ω时，OCL最大输出功率为11W，BTL最大输出功率为34W，为满足设计要求，采用BTL电路【6】。
图3.4.1（a）OCL电路图3.4.1（b）BTL电路
3.4.2原理说明
同OCL相比，同样是双电源供电，在VCC和RL相同条件下，BTL电路输出功率为OCL电路输出功率的4倍【7】，电源利用率高，BTL电路的效率在理想情况下，约为78.5%，本级电路的电压放大倍数约为40，与前置放大电路配合，总的电压放大倍数为2000，可满足要求。
4PCB电路板制作和焊接
利用AltiumDesigner进行原理图设计和PCB设计
4.1原理图设计
原理图设计包括元件符号的制作和元件电气连接，注意事项，每个元件都要有唯一不同于其他元件的识别号，若该元件有数值在原理图中应标识，原理图和PCB布线当较复杂时应模块化制作，每一个模块注意设计电源接口、输入接口和输出接口。
4.2PCB设计
PCB设计包括元件封装制作和布线，制作元件封装时注意封装尺寸规格和元件实际尺寸规格一致，特别是引脚标号和顺序，平时要制作和积累一些常用的元件封装，布线时，首先要设置布线规则，包括最小间距、线宽、孔径，两项制造规则，然后根据需要和原理图摆放元件位置，尽可能的不跳线，最后布线。
所有布线完成后，注意对电路板进行必要的标识，如电路板功能，电源正负极、输入、输出。
PCB设计完成后，要虚拟打印成PDF，先设置好打印比例，打印层次，过孔，镜像，再打印。
4.3PCB板制作
从设计好的PCB图到实际PCB电路板需要经过：
打印、转印、腐蚀、上锡、打孔五个步骤，分别用到打印机、转印纸、覆铜板、塑封机、盐酸和双氧水、焊台、钻孔机。
注意事项，转印前，要对覆铜板进行打磨，塑封时要预热，注意温度在250摄氏度，腐蚀注意腐蚀度，上锡注意平滑度，打孔注意准确度。
4.4焊接
注意不要虚焊。
5安装与调试
5.1分级测试
5.1.1前置放大级
测试结果：
通频带5Hz～500KHz
最大输出幅值14.8Ｖ
放大倍数1～50
正常工作时的供电电压±4V～±20V
5.1.2音调调节级
测试结果：
调节R4和R9明显可改变对不同频率（5Hz～200KHz）信号的衰减和提升
最大输出幅值14.6V
放大倍数0.6～1.8
正常工作时的供电电压±1.7～±20V
5.1.3功率放大级
测试结果：
通频带15Hz～200K
最大输出幅值14V
放大倍数1～40
正常工作时的供电电压±2.3～±18V
5.2联调
5.2.1通频带测试
测试条件：
音调调节电路对不同频率的信号放大倍数【8】不同，因此其通频带没有意义，测试时前级放大电路直接与功率输出级相连。
其中VCC=±15V，总放大倍数为30，空载，输入VPP=200mV。
测试记录数据如表5.2.1所示。
测试电路如图5.2.1所示。
图5.2.1通频带测试电路
表5.2.1通频带测试数据
序号
频率f/Hz
输出VPP
1
10
4.55
2
15
4.87
3
20
5.12
4
200
5.76
5
2K
5.92
6
10K
5.88
7
20K
5.78
8
50K
5,34
9
100K
5.01（有失真）
5.2.2计算
根据以上测试结果可得：
1）电源电压VCC±15V
2）最大输出幅值VOM14V
3）负载RL8Ω
计算：
最大输出功率：
最大转换效率：
总的测试结果：
通频带15Hz～50KHz
最大输出幅值14V
放大倍数1～200以上
正常工作时的供电电压±4～±18V
最大输出功率12.25W
效率73.3%
完全满足课程设计要求。
6总结
从接触这个课程设计开始，到作品完成，最后写报告，前前后后，断断续续大概有两个月的时间，在这段时间里，感触最深的是对电路的理解和分析，在制作的过程中，实践告诉我，理论知识很重要，很多测试调试都要有理论依据，特别是模电这门课的学习，给了我很大帮助，在实践中我学到了很多，对知识也有了更深的理解，感谢老师，同学，在这段时间里，他们给了我很多的帮助，也给了我很多启发，让我能很好的完成课程设计，也感谢这样一门课程设计，给了我们锻炼，成长的机会。
参考文献：
【1】吴友宇编.模拟电子技术基础.北京：
清华大学出版社，2009
【2】童诗白编.模拟电子技术基础（第三版）.北京：
高等教育出版社，2001
【3】杨欣编.电子设计从零开始.北京：
清华大学出版社，2010
【4】王远编,模拟电子技术.北京：
机械工业出版社，1994
【5】邱关源编.电路.北京：
高等教育出版社，1988
【6】李永平编.电路设计实用教程.北京：
国防工业出版社，2004
【7】刘岚编.电路分析基础.北京：
高等教育出版社，2009
【8】铃木雅臣编周南生译.晶体管电路设计.北京：
科学出版社，2004
附录1完整电路图
附录2元件清单
序号
元件名称
数量
1
NE5532P
4
2
TDA2030
4
3
LM7812
1
4
LM7912
1
5
变压器双出15V
6
1N4001
6
7
1000uF/50V电解电容
2
8
10W/8欧喇叭
2
9
100K滑动变阻器
2
10
50K滑动变阻器
4
11
100uF/50V电解电容
10
12
其他电阻电容若干
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
高保真音频功率放大器设计
课程设计答辩或质疑记录：
（1）为什么需要前置放大电路？
答：
输入音频信号的幅值约为5mV，输出功率要求10W，输出幅值约为10V，放大倍数约为2000，而功率放大电路主要提高带负载能力，本身放大倍数有限，因此必须设计前置放大电路。
（2）为什么选择BTL电路？
答：
当供电电压为±16V，RL=8欧时，OCL最大输出功率为11W，BTL最大输出功率为34W，为满足设计要求，故采用BTL电路。
同时，同OCL相比，同样是双电源供电，在VCC和RL相同条件下，BTL电路输出功率为OCL电路输出功率的4倍，电源利用率高。
（3）音调调节电路为什么要满足输入电阻大，输出电阻小的要求？
答：
主要是使前后级电路互相匹配，一方面更多的索取前级输入信号，另一方面使信号更多的输给后级。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 