高保真功率放大器1.docx

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高保真功率放大器1

课程设计任务书

学生姓名：

齐齐专业班级：

信息技术

指导教师：

毕云涛毕云涛作单位：

信息工程学院

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、2011年1月12日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2、2011年1月13日至2011年1月19日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。

3、2011年1月21日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要······················································5

1集成功放的设计········································6

2设计目的及主要任务····································8

2.1设计目的··········································8

2.2设计任务及主要技术指标···························8

3.工作原理分析·······························8

4方法设计与论证········································9

4.1电源设计······································9

4.2功放设计··········································9

4.2.1方案一、TDA2030A的BTL电路

4.2.2方案二、TDA2030A的OCL电路

4.2．3方案三、TDA2030A的OTL电路

5.单元电路设计与参数计算·····························12

5.1．电源部分············································12

5.2功放部分·········································13

5.2.1电源输入端电容的选取

5.2.2音频输入端电阻电容的计算

5.2.3反馈电阻电容的计算

5.2.4输出电容电阻的选取

5.2.5两个二极管的作用

6、安装与调试··········································14

6.1数据计算·····················14

6.2输出电压波形图及功率表····························14

6.3频率响应测试······································15

7.电路的仿真···········································15

7.1仿真原理图·······································15

7.2仿真效果图········································15

8.元件清单·············································16

8.1电源清单··········································16

8.2功率放大器的清单··································17

9、心得与体会···········································17

10附录··················································18

11.参考文献·············································20

摘要

本设计主要由电源部分、音调控制级、功率放大级三部分组成。

它的作用主要是放大音频信号。

为了保证功放效果，电路采用TDA2030作为功放IC，因为它具有失真小、功率大、外围元件少、开机冲击极小、内含各种保护电路、保真度高等优点。

功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。

特别的，TDA2030功率放大电路所需的元件很少，制作简单，效果良好。

用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或MP4等小型功放再合适不过。

信号流程：

音频信号输入经音量电位器，再由电容耦合，进入TDA2030的1脚，由集成电路放大后从4脚输出，经输出耦合电容到达扬声器。

DESCRIPTIONFROMTDA2030DATASHEET

TheTDA2030isamonolithicintegratedcircuitinPentawatt®package,intendedforuseasalowfrequencyclassABamplifier.Typicallyitprovides14Woutputpower（d=0.5%）at14V/4Ω;at±14Vor28V,theguaranteedoutputpoweris12Wona4Ωloadand8Wona8Ω（DIN45500）.TheTDA2030provideshighoutputcurrentandhasverylowharmonicandcross-overdistortion.

Furtherthedeviceincorporatesanoriginal（andpatented）shortcircuitprotectionsystemcomprisinganarrangementforautomaticallylimitingthedissipatedpowersoastokeeptheworkingpointoftheoutputtransistorswithintheirsafeoperatingarea.Aconventionalthermalshut-downsystemisalsoincluded.

1.集成功放的设计

功率放大器，简称“功放”。

很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动

整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

音频放大电路是典型应用电路，由一块TDA2030和较少元件组成的音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等突出的优点。

特别是集成块内部设计有完整的保护电路，能自我保护。

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，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。

我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

TDA2030A功率放大管利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

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。

另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。

然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。

电路特点：

[1].外接元件非常少。

[2].输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。

[3].采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

[4].开机冲击极小。

[5].内含各种保护电路，因此工作安全可靠。

主要保护电路有：

短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。

无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。

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，在焊接电路板的时候TDA2030A的管脚的分布对于焊接的时候很重要的，如果管脚的区分有错，直接会导致的功率放大器烧掉。

通过查阅资料知道他的管脚分布为：

汉字对着人，从左往右数为12345其中1为同相输入端

2为反相输入端

3为功率放大器的接地端

4为功率放大器额的输出端

5为功率放大器的电源线的接入端

注意事项：

[1].TDA2030具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。

[2].热保护：

限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。

[3].与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。

万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。

[4].印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。

[5].装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。

[6].虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。

·2.设计任务内容及要求

2.1设计目的

要求了解集成功率放大器内部电路工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。

要求掌握音频功率放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。

2.2设计任务及主要技术指标

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。

·3.工作原理分析

音频功率放大器的效果是让输入信号的音量和功率在输出端上高功率低失真的音频信号。

而题目要求音频频率范围约为20—20KHz，因而要求设计的功率放大器在20—20KHz的频率范围内有良好的频率响应。

输出的功率能够在负载为8欧时达到10瓦，而且要求电源的使用效率高，尽可能的减小线性失真。

·4．方法设计与论证

有课程设计要求初步画出电路的原理框图如下：

4.1电源设计

电源要求为±12V，功放无需使用稳压电源，但由于曾经做过此规格的直流稳压电源，所以本次设计中沿用该电源。

选用稳压芯片LM7812和LM7912，经变压，整流，滤波，稳压后输出。

各部分电路图如下

4.2.1方案一、TDA2030A的BTL电路

TDA2030A的BTL电路的特点是在相同的电源供电条件下可以得到较普通功放两倍以上的功率。

在±12V供电时输出功率可达到20W以上，想获得更大的输出功率克提高输入电压，最大不超过±22V，其内部电路包括输入电路，中间级，输出电路，电路图如下：

4.2.2方案二、TDA2030A的OCL电路

下图为TDA2030A的OCL电路，其中TDA2030A是高保真集成放大器芯片，其功率为10W以上，功率频率响应为20—20KHz，输出电流峰值最大可达3.5A,原理图：

4.2．3方案三、TDA2030A的OTL电路

TDA2030A的OTL电路为单电源供电，在相关参数计算中电源均由V的一半代替，电路图如下

TDA2030A使用方便，外围元件少，一般不需要调试即可成功，比较三种方案，都有很多优缺点。

OTL，无变压器功放电路，优点是可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路。

缺点是需要通过体积较大的电解电容作为输出耦合。

OCL，无输出电容功放电路，优点是省去体积较大的输出电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求稍高。

BTL，由两个相同的OCL电路组成一个功率更大的功放电路，无论使用单电源还是双电源供电都不需要输出电容，理想输出功率是单个OCL电路的4倍。

优点是功率做得更大，缺点是电路比较复杂。

相比之下方案一一般用于功率较大的功率放大器中，且由两个芯片组成，电路图理解方面较复杂；方案三为单电源，对电源利用率较低，功率较低。

另一方面，由于时间和已有元件的限制，我选择了方案二。

·5.单元电路设计与参数计算

5.1．电源部分

直流电压不宜取得过高，否则不仅集成块发热严重，而且音质劣化，还可能引发过压保护电路的误动作。

因为TDA2030的额定输入电压为±6V—±18V，为了达到输出为10W的额定值，并且减少TDA2030的散热，我们采用±12V供电。

为了输出稳定的±12V的电源我们采用两个稳压芯片LM7812和LM7912来获±12V的电压。

因为两个稳压芯片的输入最好比输出高3—7V，因此从滤波电容出来的电压应该为±11V—±15V，因为经过滤波器滤波后的电压应该是U2的1.4倍，所以U2的大小应该为±8V—±11V，因此我选用副边电压为15V的变压器。

为了保证变压器不被烧毁，我选用30W的变压器。

为了达到好的滤波效果，我在输入端加上2200uF的电容，为了不被烧毁我选50V的额定电压。

5.2功放部分

5.2.1电源输入端电容的选取

由于电源本身并不是完全直流的，里面含有纹波，会影响输出结果，因而需要在电源输入端对电源进行虑纹波，本实验设计采用在电源输入端并联一个大电容（电解电容100uF）电容和一个小电容（陶瓷电容0.1uF）大电容虑低频，小电容率高频，可有效的滤掉电源的纹波。

5.2.2音频输入端电阻电容的计算

同相输入端的电阻R1是用在直流平衡电阻，一般取数十千欧，跟负载反馈的网络有关，这里取R1=22KΩ。

C3为耦合电容，用以去掉音频信号中的低频信号，与R1构成高通低频响应。

有公式C=1/2*pi*R*f

可知当R=22KΩ，f取20Hz时，C=0.8uF

为了更好的滤波这里取C=1uF

5.2.3反馈电阻电容的计算

输出电压由电阻人R4、R2、C4决定，其增益由下式决定：

Vo/Vi=R2/（R4+1/jwC4）

R2=22KΩ，R4=680Ω，C4=22uF,可得增益为32

5.2.4输出电容电阻的选取

由于输出接的是喇叭，为感性，为防止其发生自己振荡，同时更好的滤波，保证输出信号更好，在输出端接上一个电容（陶瓷电容0.22uF）和一个电阻（1Ω）串联接地。

5.2.5两个二极管的作用

两个二极管可在电流过大的时候保护电路。

·6、安装与调试

安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有5引脚，看准后，可直接焊在电路板上。

按照布局图或PCB图把元件逐一焊接在电路板上，对于二极管或电解电容等有极性器件要用仪器判断好后在焊接。

元件全部焊接完成后，在仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。

TDA2030的一些参数

1．测量输出电压放大倍数Au

测试条件：

直流电源电压12v，输入信号1KHｚ300mv（振幅值420mv），输出负载电阻为8Ω。

2．测量允许的最大输入信号（1KHｚ）和最大不失真输出功率

测试条件：

直流电源电压12v，负载电阻分为8Ω。

3．测量上、下限截止频率fH和fL

测试条件：

直流电源电压12v，输入信号300mv（振幅值420mv），改变输入信号频率

负载电阻为8Ω。

·6.性能测试数据

6.1数据计算

在实验室里，选用低频信号发生器做信号源，用示波器观察波形，并测量出输出电压的有效值。

测试取输入信号频率f=1khzVi=300mVRL=8Ω/25W，经测量和计算的如下参数：

输出电压（有效值）

9.24V

输出功率Po=

10.58W

电压放大倍

30.8

电源平均供给功率

12.1V×1.15A≈15.8W

转换效率

≈67.0%

6.2输出电压波形图及功率表

根据6.1节的条件，示波器上显示的输出电压的波形图如下：

输出电压波形

6.3频率响应测试

在保证输入信号Ui大小不变的条件下，改变低频信号发生器的频率。

用交流毫伏表测出Uo=0.707Uom时，所对应的放大器上限截止频率fH和下限截止频率fL,算出频带宽度B:

fL≈25Hz

fH≈28KHz

B=fH－fL≈2KH

·7.电路的仿真

7.1仿真原理图（上图中的OCL图）

7.2仿真效果图

软件介绍：

Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

输入1KHZ振幅100mvp（有效值为70mV），Vcc为±12V，以下为波形图：

5.2.1仿真效果图

由图可知放大倍数约为28。

·8.元件清单

8.1电源清单

芯片：

LM7812一块，LM7912一块

电解电容：

2200uF四个，100uF一个，10uF一个

瓷片电容：

104两个

电阻：

1K

发光二极管：

一个

8.2功率放大器的清单

芯片：

TDA2030一块

电阻：

1Ω一个，680Ω一个，两个22K一个

瓷片电容：

104两个,224一个

电解电容：

1uF一个，100uF两个，22uF一个

二极管：

1N4001两个

喇叭一个

·9、心得与体会

练的基础上让作品更加完美。

时间总是过得很快，在匆忙中一周的课程设计结束了，我自己能制作一个高保真音频功率放大器，调试效果还不错，自己第一次动手做出了原来以为很高科技的东西。

这其中的兴奋是无法用言语表达的。

 学习模电这段时间也是我们一学期最忙的日子，刚结束的电路分析在我的脑子里还是一团浆，紧接着的模电更是让我昏了头，每个星期的实验都是无从下手。

刚接到模电的课程设计的任务，越想月是头痛，想着着是个不可能完成的任务。

时间在一天天过去，设计还是没有一点头绪。

自己的知识毕竟有限，最后想到了平日接触最多的Internet。

时间紧急打开XX输入电子制作，很快就出现了很多专业的网站，也有一写发烧友自己的网站。

我仿佛发现了宝藏，里面都是我感兴趣的东西。

我根据这次设计的要求确定了我这次设计的课题——音频功率放大器。

在一个发烧友的网站上我找到了一个功率放大器的详细制作方法，也就是我这次制作的TDA2030音频功放。

找到了它的电路应用电路图仔细看了一下似懂非懂，清点了所需的元器件，到电子市场叫老板照单拿货。

买了元件离成功就有近了一步。

回来忙着焊接，由于用的是万能板开始焊起来很是麻烦，开始没有合理的安排好元件的位置就喊上了导致有些元件安放不了，又要拆下重新按，对元件有很大的损伤，对放大效果有直接性的影响。

这也可能是我的产品不够完美的原因之一。

在焊接过程中因多次重焊导致心里烦躁而出现了很多错误，二极管极性插错，导致电路不通，电容的两极焊反导致电容烧毁，这都是自己事先没有策划好造成的。

让我懂得了电子制作是个精细的活，急是做不好的。

线路连接一定要清晰，不然出错后就很难找到是哪个地方。

也要在熟

一个星期的课程设计，尽管现在只是初步学会了高保真音频功率放大器设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，让我又多掌握了一门新的技术，收获总是令人快乐。

在以后的学习中我会更多的注重实践，让自己的知识更加丰富

·10、

附录一、实物图

附录二、功放原理图

11.参考文献

11.1参考资料：

TDA2030简介：

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，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。

我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

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。

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。

另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。

然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。

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在电源电压±14V，负载