音频功率放大电路设计模拟电子技术.docx
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音频功率放大电路设计模拟电子技术
课程设计说明书
题目：
音频功率放大电路设计
课程名称：
模拟电子技术
学院：
电子信息与电气工程学院
学生XX：
学号：
专业班级：
指导教师：
2014年6月7日
课程设计任务书
设计题目
音频功率放大电路设计
学生XX
所在学院
电子信息与电气工程学院
专业、年级、班
设计要求：
1.设计制作一个音频功率放大电路（带高低音调节）；
2.负载电阻为8Ω（扩音器的等效电阻）；
3.额定输出功率为4W；
4.带宽大于50Hz~15KHz；
5.音调调节：
低音（100Hz）±12dB,高音（10KHz）±12dB；
6.输入阻抗大于100KΩ。
学生应完成的任务：
设计一个音频功率放大电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。
利用AltiumDesigner软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。
根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。
参考文献：
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].：
高等教育，2005.
[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].：
高等教育，2006.
[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].：
高等教育，2005.
[5]谷树忠，X文洲.AltiumDesigner教程[M].：
电子工业，2010.
工作计划：
指导教师（签名）：
学生（签名）：
音频功率放大电路设计
摘要：
设计了一个音频功率放大电路，该电路具有音频功率放大和高低音调节功能。
电路由前置电压放大级，音调控制级，功率放大级三部分组成。
其中前置电压放大级由NE5532P组成的反相比例运算电路来实现，前置放大器主要负责信号的电压放大。
音调控制级由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路来实现，音调控制电路主要负责音调调节等功能。
功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL双电源电路来实现。
功率放大级主要负责将从音调控制级输出的信号进行电流放大，然后驱动喇叭工作。
TDA2030A具有体积小，输出功率大，失真小等特点，内含多种保护电路，工作安全可靠性高。
关键词：
音频放大；功率放大；音调调节；集成器件
1.设计背景……………………………………………………………………1
1.1课程设计…………………………………………………………………1
1.2功率放大电路概述………………………………………………………1
2.设计方案………………………………………………………………1
3.方案实施……………………………………………………………………3
3.1电路图设计………………………………………………………………3
3.2电路图仿真………………………………………………………………7
3.3画原理图…………………………………………………………………9
3.4PCB制作………………………………………………………………9
4.安装调试…………………………………………………………………9
5.结果与结论………………………………………………………………10
5.1结果………………………………………………………………………10
5.2结论………………………………………………………………………11
6.收获与致谢………………………………………………………………11
7.参考文献…………………………………………………………………12
8.附件……………………………………………………………………12
8.1电路仿真图………………………………………………………………12
8.2电路原理图………………………………………………………………13
8.3PCB布线图………………………………………………………………14
8.4元器件清单………………………………………………………………15
1.设计背景
1.1课程设计
这学期学习了模拟电子技术基础和数字电子技术这两门课。
模拟电子技术基础这门课程主要讲了常见半导体器件，各种放大电路及其频响和反馈，信号的运算和处理，波形的发生和信号转换，功率放大电路和直流电源等。
学过之后为加强我们的实际操作能力，学校要求我们完成一次课程设计任务。
我们计划设计一个音频功率放大电路。
它能够很好的应用到我们所学有关功率放大这节内容。
1.2功率放大电路概述
能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路。
功率放大器的作用是给负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。
当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。
功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。
有用集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专门的集成功率放大器。
从能量的控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别：
只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。
功放的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。
在电源电压确定后，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是功放研究的主要问题。
因而围绕这连个性能指标的改善，可组成不同电路形式的功放。
2.设计方案
本次课程设计要求制作一个带有高低音调节功能的音频功率放大电路，额定输出功率为4W，带宽为50Hz~15KHz，输入阻抗大于100KΩ，可以在Multisim仿真软件上进行测试。
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，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发出声音。
声音源的种类有很多种，故输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。
一般动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的话，对于输入信号过低的，功率放大器功率输出不足，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。
这样就失去了音频放大的意义了，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。
在音频功放电路中，需要体现的是电路的功率放大功能。
然而实际中却有许多噪音，且输入信号电压较小，所以所设计电路第一级应当进行电压放大，并能够消除噪音，所以采用了前置放大电路。
前置放大电路可以由分立元件组成，也可由集成运放放大电路组成。
但分立元件组成的放大电路结构复杂，而集成运放放大电路设计简便，易于实施。
因此前置放大电路计划用集成运放NE5532P来实现。
由于电路要求要能够进行高低音调节，因而采用了音调控制电路。
而常用的音调控制电路有三种形式，一是衰减式RC音调控制电路，其调节X围宽，但容易产生失真；另一种是反馈型音调控制电路，其调节X围小一些，但失真小，而且电路简便易行；第三种是混合式音调控制电路，但其电路复杂，多用于高级收录机。
结合本次课程设计要求，决定采用衰减式RC音调控制电路。
经过了前两极，第三极要进行功率放大，所以采用了功率放大电路。
功率放大有两种方案。
一可以由三极管与电容组成的复合管放大电路来实现，但这种设计电路结构复杂，二可以由集成功率器件TDA2030A来实现，TDA2030A是一块性能十分优良的功率放大电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，输出功率大，保护性能比较完善，并且外围电路简单，使用方便。
所以决定采用集成功率器件TDA2030A来实现功率放大。
结合以上，本课程设计中采用由NE5532P组成的前置放大电路放大器，由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路，由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路的功率放大级。
其基本设计路线如图1所示。
图1基本设计路线图
3.方案实施
3.1电路图设计
1.前置放大电路
由NE5532P组成的前置放大电路是一个反相输入比例放大器，电路理想闭环电压增益
。
此级计划的放大倍数为5.1倍，因此电阻R3采用510K电阻，R1采用100K电阻。
在如图2所示的前置放大电路中，电阻R1的值就是输入电阻R的值，所以R=100k。
同时反馈电阻R3和R1的比值就是放大倍数。
减小R1的值可以提高放大倍数，但同时也降低了输入电阻，因此在实际电路设计中，电阻R3和R1的取值需要折衷考虑。
音频放大电路的增益是很高的，所以扩音机的前置放大器的性能主要取决于噪声。
为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选用低噪声的运放。
图2前置放大电路
2.音调控制电路
音调控制电路中采用了由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路。
其音调控制电路图如图3所示。
它是通过不同的负反馈网络和输入网络造成放大器闭环放大倍数随信号频率不同而改变，从而达到音调控制的目的。
电路图中电位器Rp1是低音调节电位器，Rp2是高音调节电位器，电容C12是音频信号输入耦合电容，电容C2、C3是低音提升和衰减电容。
图3音调控制电路图
对于低音信号来说，当低音调节电位器Rp1滑动端调到最左端时，C2被短路，电路图如下图4所示。
由于电容C3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。
同样当Rp1的滑动端调到最右端时，电容C3被短路，其等效电路如下图图5所示。
由于电容C2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。
电路对于高音信号来说，电容C2、C3的容抗很小，可以认为短路。
调节高音调节电位器Rp2，即可实现对高音信号的提升或衰减。
其电路图如图6所示。
音调调节电路的设计要求为：
电路的最大提升/衰减量为
20dB。
中心频率点
；低频频率点
；高频频率点
；要求在频率点
和
处，电路的提升/衰减量为
。
代入公式得，
电阻取值取：
R5=R6=R=10KΩ，Rp1=Rp2=10R=100KΩ，R8=1/3R=3.3KΩ。
电容取C2=C3>>C4，当电阻电容满足这些条件时，就可以保证电路的最大提升/衰减量的要求，使电路的幅频特性满足“上下”对称。
计算出C4=1.9nF近似取C4=2.2nF。
计算出C2=C3=31.8nF近似取C2=C3=47nF。
图4低音提升电路示意图图5低音衰减电路示意图
图6高音提升和衰减电路示意图
3.功率放大级
外部音源信号经过前置放大、音调调节电路后、输入后面的功率放大级，然后就可以输出去驱动扬声器，发出声音。
功率放大级电路图如图7所示。
本实验中的功率放大器采用TDA2030A集成器件，其本质就是一个运算放大器，和其它小信号放大用的运放相比，其有较大电流输出能力，可以输出较大的功率。
TDA2030A功率集成放大器的使用十分灵活，可以构成多种输出结构：
既可以在正负对称电源下工作构成OCL电路，也可以在单电源下工作，构成OTL电路，还可以用两只放大器一起工作，构成BTL电路等。
本课程设计功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出。
TDA2030A功率集成电路具有转换速率高，失真小，输出功率大，外围电路简单等特点，内部电路包含由恒流源差动放大电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式OCL电路构成的输出级；启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。
图7功率放大级电路图
Rp3是一只电位器，作用是进行音量（Volume）调节。
输入信号（音调调节电路的输出信号）通过耦合电容C7后，再由Rp3进行分压调节，连接到TDA2030A的同相输入端。
电阻R13、R14组成反馈回路，和TDA2030A构成了一个同相比例放大电路，其中R14=47KΩ，R13=680Ω。
功率放大器的交流电压放大倍数为：
。
这一部分就是整个功率放大电路的核心，其本质和普通运放完全一致。
需要说明的是电容C6同样是一只耦合电容，作用同样是“隔直通交”，使功率放大器仅仅对交流信号产生放大作用，而对直流信号不产生任何放大：
1、对于直流信号，电容C6相当于“开路”，此时电阻R13不起作用，功率放大器和电阻R14构成的是一个电压跟随器。
由于电位器RP3是通过电容C7和前级电路耦合，因此RP3上的直流电位一定为零，同时可以保证功率放大器的输出也一定为零，即有“零输入，零输出”的性质。
2、对于交流信号，电容C6相当于“短路”，此时电阻R14和R13组成同相比例放大器反馈回路。
图中D1、D2是两只起保护作用的二极管，反向并联在功率放大器的输出端和电源之间，二极管D1、D2在电路正常工作时处于反向，是不导通的，对电路工作没有影响，喇叭在工作时会产生感生电动势，如果感生电动势过大，超过了电源电压的X围，则D1和D2开始导通，将输出端的感生电动势进行钳位，从而保护功率放大器不会被损坏。
这两只二极管采用的是普通整流二极管1N4001。
电阻R15和电容C11串接在电路的输出端，对扬声器的频响特性进行补偿，和扬声器一起可以看成功率放大器的负载，使功率放大器输出端的总负载趋近于纯阻性。
整个原理图设计见附件8.1图11电路仿真图。
3.2电路图仿真
设计好整个电路图后，在Multisim仿真软件上先找到各个器件，然后对器件进行连接，整个电路图连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，然后打开Multisim的开关进行仿真，通过用示波器和交流毫伏表测量各级电压，发现模拟结果符合预期设计电路的要求，由此判断我们所画电路图正确，可以用AltiumDesigner进行下一步操作。
当频率为50Hz时其各级电压有效值，波形图和波特图如图8，功率放大级的输出电压能满足负载所需电压，所以此频率下该功放电路能进行正常工作。
图850Hz时电路各级电压有效值，波形图和波特图
当频率为1kHz时，电路的各级电压有效值，波形图和波特图如图9。
其功率放大级的输出电压为5.6V，刚好能满足负载所需电压，因此能够很好的工作。
图91KHz时电路各级电压有效值，波形图和波特图
当频率为15KHz时各级电压有效值，波形图和波特图如图10所示。
图1015KHz时电路各级电压有效值，波形图和波特图
功率放大级输出电压为3.103V，功率输出级电压值偏小，该电路高频特性不是太好。
输入电阻测量数据如表1所示。
表1输入电阻测试表
频率
输入电压
输入电流
输入电阻
50Hz
49.497mV
492.380nA
100.5KΩ
1kHz
49.497mV
492.129nA
100.5KΩ
15kHz
49.497mV
492.541nA
100.5KΩ
由测量可知该设计电路的输入电阻在100KΩ左右，满足了设计要求。
3.3画原理图
打开AltiumDesigner软件，先新建一个PCB工程，再在该工程中建一个原理图和PCB图，并保存。
根据上面所仿真的电路图画原理图，先找到原理图所需要的各种器件，并检查好封装。
然后进行连线，连线时应注意看好导线是否交叉。
检查所画原理图是否正确，如果没有错误，把原理图导入到PCB图中。
对PCB中的各器件进行摆放，直到各个器件之间的交叉线最少。
然后进行布线，尽量避免有跳线。
完成PCB的布线后就可以进行下一步操作了。
3.4PCB制作
在AltiumDesigner中按照先前所画电路图，根据仿真原理图画出AltiumDesigner原理图，首先找出画原理图所需各种器件，将仿真图中的负载8欧电阻换成Speaker，再根据需求布线布局，在布线前要在AltiumDesigner中完成对电路图中各元件的封装。
在封装时要注意，对于同一个元件可能有多种封装方式，封装时根据所给元件的类型选择合适的封装对各个元件进行封装。
封装完成后，把原理图导入PCB中。
导入PCB后，再对元件的位置重新手动摆放，使线尽量少的重叠，以减少布线时的跳线出现。
画成的PCB图见附件8.3。
在制作PCB中，根据制作过程的要求，需要制成单层板，PCB制板中焊盘半径设置为0.85mm或0.9mm，电源和地线的宽度设置为0.6到0.8mm，信号线设置为0.5mm,当导线从两个焊盘之间穿过时设置宽度为0.3mm。
印刷电路板的流程：
首先，在制作单层板时把PCB布线图打印为PDF文件，使用油光纸；其次，把覆铜板切割成设计要求的尺寸，把打印好的图纸放在覆铜板上，并在转印机上转印；再次，将做好的板子放在盐酸溶液中腐蚀，直到导线周围的铜箔被腐蚀掉然后洗净钻孔，之后用砂纸把覆铜板导线表面的墨擦掉，把铜露出来，在打磨过程中注意不要将比较细的铜线磨掉了。
4.安装与调试
在安装电子器件前，应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项，同时测量电子元器件的好坏。
注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反。
安装时，根据原理图将原件对号入座，安装好所有的芯片和电子元器件后，进行焊接，焊接完成后，按照电路图逐一检查电路有没有漏焊的问题，接下来用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路。
在线路没有问题的情况下连接15V和-15电源调试，之后用电源逐个模块进行检查。
将信号输入端对地短路，用万用表或示波器测量每一级电路中关键点的直流电压是否正常，是否和理论计算值相同。
用波特仪看一下电路的幅频和相频特性曲线。
在电路的输入端加入不同频率的正弦信号，调节各个电位器，检查信号是否受控，受控是否正确，加上输入信号（一定幅度和频率的正弦信号），观察每一级放大器的输出信号是否正常，信号有无失真，信号的放大幅度是否与设计值相同等。
如果发现故障，则应当从第一级电路开始，逐级向后检查，找出原因并排除故障。
5.结果与结论
5.1结果
本次课程设计很好的完成了带有高低音调节功能的音频功率放大电路、带宽大于50Hz~15KHz、输入阻抗大于100KΩ，负载额定输出功率为4W等设计要求的音频功率放大电路。
通过对电路进行分解测试和整体测试，发现其符合要求，前置放大电路由NE5532P组成放大了5.1倍，由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路构成的音调调节级没有放大，由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路的功率放大级放大了70倍。
负载额定输出功率为4W，所需电压为5.6V左右，经过两级放大能满足此条件。
5.2结论
在画原理图中经过多次修改最终成功的将原理图导入了PCB中，并进行了布线。
最终成功的画好了PCB图，并把它制成了电路板，经过焊接，调试，发现其不能正常工作。
经过检查发现Multisim和AltiumDesigner两个软件中同一个器件NE5532P里面的端子接法不同，由于没有仔细看它们的端子的区别，导致NE5532P电源正负极接反了，然后加了两根跳线把电源正负极进行了对调，后经过测试电路能正常工作了，心里十分的高兴。
6.收获与致谢
经过这两周的课程设计实习我收获了很多，大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神，加深了我对数字、模拟电子技术理论知识的理解，让我对制作一个实用电路板的整体流程有了一个很好的理解。
但是由于软件基本功不行，设计过程中遇到了许多小难题，从用Multisim软件对电路进行仿真，到用AltiumDesigner画原理图进而导入PCB图并对PCB进行布线，尤其是在画PCB图时遇到了很多问题，在PCB布线的时候，由于原理图中少了一个节点和有些原件封装不对，导致重新画了几次，耽误了大量时间，在经过不懈努力后才完成了我们的PCB板。
所以我们在设计的过程中，不可对其中任意一个环节不耐心，要认真检查到每一根导线和每一个器件的封装。
确保每一个环节的正确性，这样才不会返工。
总体来说，这次实习使我受益匪浅，培养了我的设计思维,，增加了我的实际操作能力。
同时也使我深刻意识到了认真的重要性，在设计的过程中也发现自己的好多不足之处。
因此在以后要努力学习，熟练掌握书本上的知识，然后运用时才能得心应手。
这次课程设计要特别感谢X天鹏老师和我的组员及给予我帮助的人。
其中X天鹏老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，使我少走了很多弯路，在此我表示深深的感谢！
7.参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].：
高等教育，2005.
[2]秦长海，X天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].：
大学，2012.
[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].：
高等教育，2006.
[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].：
高等教育，2005.
[5]谷树忠,X文洲.AltiumDesigner教程[M].：
电子工业，2010.
8.附件
8.1电路仿真图
电路仿真图如图11所示。
图11电路仿真图
8.2电路原理图
电路原理图如图12所示。
图12电路原理图
8.3PCB布线图
PCB布线图如图13所示。
图13PCB布线图
8.4元器件清单
元器件清单如表2所示。
表2元器件清单表
元件
型号
数量
元件
型号
数量
电阻
510kΩ
1
电容
220n
1
电阻
100kΩ
1
电容
47n
2
电阻
51kΩ
1
电容
2.2n
1
电阻
10kΩ
5
二极管
1N4001
2
电阻
22kΩ
1
大电位器
100k
3
电阻
3.3kΩ
1
喇叭
1
电阻
680Ω
1
TDA2030
1
电阻
1Ω
1
NE5532
1
电容
10u
5
音频接口
1
指导教师评语：
课程设计报告成绩：
，占总成绩比例：
40％
课程设计其它环节成绩：
环节名称：
原理设计，成绩：
，占总成绩比例：
20％
环节名称：
PCB设计，成绩：
，占总成绩比例：
20％
环节名称：
安装调试，成绩：
，占总成绩比例：
20％
总成绩：
指导教师签字：
年月日
本次课程设计负责人意见：
负责人签字：
年月日
升级会员 